智能化變電站監(jiān)測數(shù)據(jù)現(xiàn)場并行處理技術研究

梁俊斌，張煒，鄧雨榮，郭麗娟，呂澤承

(廣西電網公司電力科學研究院，南寧市530023)

0 引言

新一代智能變電站關鍵技術研究采用高可靠、高集成、長壽命的智能設備，具備支持調控合一、運維一體、即插即用、全景信息等功能，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網絡化、應用功能互動化、運維檢修高效化為功能特點，實現(xiàn)能量智能調節(jié)、設備可控在控、信息共享互動、服務便捷優(yōu)質的要求。

同時，對變電站監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)已從最初的分散式發(fā)展到集中式，當前隨著分層分布式技術、總線技術和Web技術的廣泛應用，整個系統(tǒng)的研發(fā)正朝著多層應用體系的方向發(fā)展［1］。但是由于各類在線監(jiān)測開展的時間不同，亦未形成統(tǒng)一規(guī)劃，在變電站內部各自成系統(tǒng)，形成“各自為政”的局面，未能充分發(fā)揮其應有作用。

本文就目前變電站監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題及智能化變電站的發(fā)展方向，嘗試在數(shù)據(jù)通信網絡結構標準化、信息采集共享及監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫孢M行研究，以便于實現(xiàn)適應“一體設備、一層網絡、一套系統(tǒng)”要求的智能化變電站狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)現(xiàn)場并行處理技術。

1 變電站監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的影響因素

為實現(xiàn)智能變電站“一體設備、一層網絡、一套系統(tǒng)”這一概念，將打破現(xiàn)有的一、二次設備界限，實現(xiàn)一次設備和二次設備的集成(二次控制回路、智能組件、保護、測控、計量等二次設備的集成)，實現(xiàn)智能設備的有機融合與模塊安裝。目前的變電站電氣設備在線監(jiān)測系統(tǒng)并不滿足以上要求，其存在的主要問題體現(xiàn)在以下方面。

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網絡結構

各個監(jiān)測設備的過程層［子智能電子設備(intelligent electronic device，IED)］都是獨立的裝置，在傳統(tǒng)模式基本上是1個監(jiān)測系統(tǒng)、1個監(jiān)測匯控柜或1臺服務器的模式，各監(jiān)測系統(tǒng)各自獨立。現(xiàn)有在線監(jiān)測系統(tǒng)通常是獨立運行，未結合被監(jiān)測設備的運行方式及工況數(shù)據(jù)進行綜合分析判斷，影響監(jiān)測分析結果的可靠性、全面性。同時，各子IED是相互獨立的，所以當子IED的CPU異常時，子IED便完全癱瘓，連相應的CPU報警信息都不能夠上傳。監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網絡結構的不合理性影響了監(jiān)測裝置的正常運行。目前，行業(yè)內提出在現(xiàn)場一般配置有智能組件柜，智能組件柜里面的配置基本上是很多子IED的集合，各監(jiān)測信息通過以太網在智能組件柜的公用交換機處集合，并通過光纖上傳到變電站狀態(tài)接入控制器(condition acquisition controller，CAC)系統(tǒng)的解決方式。

1.2 信息采集重復，數(shù)據(jù)分析方式簡單

部分運行工況信息重復采集，不僅結構復雜，而且增加了安全隱患。例如常見的介損監(jiān)測與局部放電監(jiān)測均需要采集母線電壓，但是各監(jiān)測系統(tǒng)各自獨立采集，并未進行資源整合，大量冗余數(shù)據(jù)勢必影響處理速度。另一方面，當獲取大量工況信息及監(jiān)測數(shù)據(jù)后，依然采用閾值報警等常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法已難以滿足需求。

1.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸標準不統(tǒng)一

部分地區(qū)數(shù)據(jù)傳輸及譜圖格式規(guī)范不統(tǒng)一，導致各監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)未能形成統(tǒng)一歸集、處理、分析。此外，部分監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)僅能在變電站內瀏覽查詢，未實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳。多數(shù)IED僅向變電站CAC系統(tǒng)或各監(jiān)測系統(tǒng)服務器單向上傳數(shù)據(jù)，而變電站CAC系統(tǒng)或各監(jiān)測系統(tǒng)服務器向子IED的下行數(shù)據(jù)基本沒有。現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸結構圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of conventional monitoring data transmission

數(shù)據(jù)傳輸標準的不統(tǒng)一，導致變電站監(jiān)測系統(tǒng)存在擴展及維護兩方面問題。

(1)可擴展性差。無統(tǒng)一的規(guī)范，導致每新增一套在線監(jiān)測裝置，都需要針對它獨立開發(fā)一個數(shù)據(jù)同步程序，其相關配置工作量極其繁瑣。

(2)可維護性差。數(shù)據(jù)同步程序修改比較復雜，功能性服務不足，如果數(shù)據(jù)傳送的需求發(fā)生變化，修改會比較困難。

(3)可靠性差。在數(shù)據(jù)傳輸中增加了一個數(shù)據(jù)同步環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)的可靠性將對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸產生影響。應盡量減少中間環(huán)節(jié)，精簡數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶哟危岣呦到y(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2 數(shù)據(jù)處理改進措施

通過對變電站監(jiān)測數(shù)據(jù)處理影響因素的分析，并結合智能化變電站發(fā)展方向的要求及計算機監(jiān)控系統(tǒng)理念，提出監(jiān)測數(shù)據(jù)現(xiàn)場并行處理的方法。該方法通過數(shù)據(jù)綜合處理單元結構、網絡結構及相應通信處理規(guī)范，同時歸集、加工、分析各種類型監(jiān)測數(shù)據(jù)的方法。

2.1 建立站端集中式的分層網絡架構

過程層的監(jiān)測裝置根據(jù)監(jiān)測的變電設備類型分為各監(jiān)測單元，通過各子IED集中到相應匯控柜(主IED)，同一類型的多個設備的子IED可以接入同一個主IED，這樣站內只需為每類設備設置一個在線監(jiān)測主IED，同類型的多臺設備通過共用同一個主IED，實現(xiàn)多設備運行工況數(shù)據(jù)、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的并行采集、處理和傳輸，進一步提高在線監(jiān)測系統(tǒng)的并行處理能力，圖2是該網絡架構在站端的示意圖。

2.2 在線監(jiān)測綜合處理單元

圖2 站端集中式的分層網絡架構示意圖Fig.2 Schematic diagram of station terminal centralized hierarchical network

從上面的網絡架構中可以看出，針對變電站監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網絡結構不合理的現(xiàn)象，引入在線監(jiān)測綜合處理單元的概念。綜合處理單元是以被監(jiān)測設備為對象，接收在線監(jiān)測單元發(fā)送的數(shù)據(jù)或變電站綜合自動化系統(tǒng)采集的相關信息(如母線電壓、斷路器分合閘信息等)，并對數(shù)據(jù)進行加工處理，實現(xiàn)與上級平臺進行標準化數(shù)據(jù)通信的裝置。

首先，過程層(子IED)監(jiān)測裝置要能夠滿足多種監(jiān)測功能，每個監(jiān)測功能由1個CPU完成，多個CPU組成對1個主設備的監(jiān)測匯控柜(主IED)，由于是采用同1個裝置，必要時還可以考慮雙電源供電、雙通道通信。過程層(子IED)與匯控柜之間通過光線或電纜連接，主IED可以和多個子IED通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行采集和歸集上傳至綜合處理單元。綜合處理單元實現(xiàn)在線監(jiān)測通信協(xié)議統(tǒng)一轉換為IEC 61850，并統(tǒng)一接入省級變電設備綜合狀態(tài)在線監(jiān)測與評估平臺，實現(xiàn)各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的歸集、數(shù)據(jù)加工、標準化數(shù)據(jù)通信代理、轉發(fā)以及監(jiān)測預警等功能，并最終在變電設備綜合狀態(tài)在線監(jiān)測與評估平臺上實現(xiàn)站內所有變電設備的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯集、綜合分析、故障診斷、監(jiān)測預警、數(shù)據(jù)展示和存儲等功能。

2.3 統(tǒng)一數(shù)據(jù)歸集及增加深度處理

對監(jiān)測分析判斷所需的運行工況數(shù)據(jù)由綜合處理單元統(tǒng)一從變電站綜合自動化系統(tǒng)獲取，同時由綜合處理單元與各監(jiān)測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)資源的有效整合及共享。在變電站內狀態(tài)監(jiān)測集成要實現(xiàn)的關鍵技術有［2］:

(1)IEC 61850標準的和非IEC 61850標準的狀態(tài)監(jiān)測裝置接入，并按IEC 61850標準統(tǒng)一建模。

(2)基于IEC 61850或透明轉發(fā)方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行募壴O備狀態(tài)監(jiān)測平臺，支持裝置的遠程維護。

(3)支持在變電站內與故障錄波裝置(digital fault recorder，DFR)等系統(tǒng)的接口。

同時，結合智能技術、數(shù)據(jù)挖掘技術［3］將數(shù)據(jù)中蘊藏著的許多重要因素、事實和關聯(lián)等有價值的信息提取出來并進行深度處理。在此基礎上，通過調查、歸納、綜合、分析工作，開發(fā)各種可供分析判斷的軟件，形成專家診斷系統(tǒng)，提高在線監(jiān)測的智能化水平［4-5］。

2.4 基于FPGA和DSP的并行結構IED

對變電設備綜合參數(shù)的分析，如變壓器局部放電、套管電容、斷路器開斷電流以及GIS局部放電等，需要利用復雜分析算法(傅里葉分析、小波分析等)、數(shù)據(jù)存儲及控制器局域網(CAN)才能得到相關參數(shù)［6］，同時運用數(shù)字總線技術增強抗干擾能力［7］，因此監(jiān)測裝置對系統(tǒng)的運算速度以及并行處理技術具有很高的要求。本文提出了基于現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)和數(shù)字信號處理器(digital signal processor，DSP)硬件結構的并行處理技術，達到對變電設備綜合參數(shù)在線無縫采樣與分析的目的。

其系統(tǒng)硬件邏輯結構如圖3所示。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集A/D轉換單元、FPGA模塊、DSP模塊以及用于與上位機通信的外部通信接口(RS485總線)。

圖3 系統(tǒng)硬件邏輯結構Fig.3 Logic structure of system hardware

2.5 IEC 61850 9－2點對點的同步時鐘系統(tǒng)實現(xiàn)同步采樣

在組網傳輸采樣值時，時鐘同步的精度、時鐘同步網絡的可靠性、IEEE 1588等同步方式實現(xiàn)的可靠性，以及網絡沖突、網絡延時均可能對變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)的安全性、可靠性構成重要影響。本文分析了采用點對點方式的IEC 61850－9－2的必要性和難點，提出了一種在變電設備綜合狀態(tài)在線監(jiān)測應用中實現(xiàn)點對點采樣值傳輸?shù)姆椒āＥcIEC 61850－9－1相比，IEC 61850－9－2的傳送數(shù)據(jù)內容和數(shù)目均可配置，更加靈活，數(shù)據(jù)共享更方便［8］。

本文專門設計了以太網精確傳輸組件，該組件采用大容量FPGA作為協(xié)處理器，完成8路以太網數(shù)據(jù)的收發(fā)控制，協(xié)處理器承擔了數(shù)據(jù)鏈路層全部工作，降低了CPU負荷。組件針對點對點IEC 61850－9－2的應用設計了多項功能，非常適合數(shù)字化變電站過程層設備的通信業(yè)務。其以太網協(xié)處理器的原理框圖如圖4所示。

圖4 基于FPGA的以太網協(xié)處理器原理框圖Fig.4 Principle block diagram of ethernet coprocessor based on FPGA

該組件帶有高性能DSP，處理器可及時對接收的數(shù)據(jù)進行計算處理，分攤保護CPU負擔。網路協(xié)處理器和DSP之間通過高性能增強型的并行外設接口進行全雙工自動數(shù)據(jù)交換，其帶寬達到800 Mbps，滿足了8路百兆以太網接口的最大理論吞吐量。以太網插件的多項定制功能，如目的地址過濾、網絡風暴抑制、有效報文檢測等大大提高了系統(tǒng)在復雜網絡環(huán)境下正常工作的能力。經測試，單塊以太網插件在接收320 Mbps有效數(shù)據(jù)的情況下可以正常工作，這個指標完全能夠滿足當前過程層通信的應用需求。此外，該插件的以太網接口對上層協(xié)議是透明的，不僅可以承載IEC 61850－9－2的采樣數(shù)據(jù)報文，也同樣適合于承載數(shù)字化變電站過程層通信的其他常用業(yè)務，如GOOSE、IEEE 1588等。

1臺裝置可以通過內部RS485總線擴展多塊以太網接口組件，1～4塊該組件即可滿足點對點方式對以太網端口數(shù)量和數(shù)據(jù)處理能力的擴展需求［9］。

2.6 規(guī)范數(shù)據(jù)傳輸格式

針對變電站在線監(jiān)測裝置的迅速發(fā)展，提出并制定數(shù)據(jù)傳輸格式標準化的要求。首先制訂《在線監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)及建模規(guī)范》，規(guī)定變電站內的監(jiān)測裝置及接入廣西電網變電設備綜合狀態(tài)在線監(jiān)測與評估平臺的在線監(jiān)測裝置傳輸數(shù)據(jù)的內容和方式，以及進行IEC 61850數(shù)據(jù)建模時應遵循的原則。同時，在通信規(guī)范關鍵技術研究中明確系統(tǒng)配置、邏輯節(jié)點模型和服務類型這3部分內容。

同時，由于各類監(jiān)測裝置可能使用不同的專用數(shù)據(jù)格式，為便于這些數(shù)據(jù)在應用間的交換，提出并制定了《廣西電網在線監(jiān)測裝置圖譜數(shù)據(jù)通用格式規(guī)范》，規(guī)定了變電站內監(jiān)測裝置及接入廣西電網變電設備綜合狀態(tài)在線監(jiān)測與評估平臺的在線監(jiān)測裝置的圖譜、錄波等數(shù)據(jù)文件的通用格式。

3 現(xiàn)場應用實例

3.1 試點變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)結構

通過在廣西電網玉林供電局500 kV玉林變電站試點應用在線監(jiān)測數(shù)據(jù)并行處理技術，對在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網絡結構上進行升級完善，實現(xiàn)規(guī)范及優(yōu)化在線監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的目標。玉林變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)劃建設變壓器、斷路器等智能在線監(jiān)測單元;各在線監(jiān)測單元數(shù)據(jù)、站內其余在線監(jiān)測數(shù)據(jù)(如電抗器油中溶解氣監(jiān)測數(shù)據(jù))及變電站綜合自動化系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)均由變電站綜合處理單元進行數(shù)據(jù)集中，并以IEC 61850通信規(guī)約轉發(fā)至省級數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)網絡內網需通過防火墻、IPS、上網行為控制等安全設備與互聯(lián)網隔離［10-12］。該結構類似于變電設備現(xiàn)場智能組件柜方式，但在硬件邏輯結構、工況數(shù)據(jù)獲取、對時并行同步采樣方面進行完善。系統(tǒng)結構圖如圖5所示。

3.2 試點變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)特點

(1)變電站在線監(jiān)測單元、綜合處理單元及省級變電設備綜合狀態(tài)在線監(jiān)測與評估平臺采用分層分布式結構，實現(xiàn)對被監(jiān)測設備的多個狀態(tài)參數(shù)進行全面的、連續(xù)的在線監(jiān)測，并在綜合處理單元及省級平臺對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深度處理，為各級運維管理人員掌握和分析監(jiān)測數(shù)據(jù)提供便利。

(2)部署多維在線監(jiān)測單元。各在線監(jiān)測單元包括被監(jiān)測設備的在線監(jiān)測及數(shù)據(jù)初步處理裝置。在線監(jiān)測裝置從高壓設備中安全地抽采被測的信號，通過傳感器將變壓器的電氣、物理和化學等狀態(tài)參數(shù)轉換為可測的電壓或電流量，然后進行信號采集、調整、模數(shù)轉換和預處理等，形成在線監(jiān)測量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)按標準協(xié)議上傳。多維在線監(jiān)測單元一般安裝在變電設備的運行現(xiàn)場，包括變壓器監(jiān)測、斷路器監(jiān)測、避雷器特性監(jiān)測等。

圖5 500 kV玉林變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)結構圖Fig.5 On-line monitoring system of 500 kV Yulin substation

(3)系統(tǒng)結構組態(tài)靈活，具備良好的可擴展性，使用標準協(xié)議簡化了建設、維護工作，無需開發(fā)多套數(shù)據(jù)同步程序或數(shù)據(jù)接口。

(4)系統(tǒng)設計采用合理的冗余配置和模塊級的自診斷技術，使其具有高度的可靠性。

(5)系統(tǒng)內任一個監(jiān)測單元或其內部某一監(jiān)測傳感器故障，均不應影響系統(tǒng)其他部分的工作。

3.3 綜合處理單元與省級平臺通信

綜合處理單元與省級平臺數(shù)據(jù)中心通信的關鍵技術在于系統(tǒng)配置、邏輯節(jié)點模型和服務類型3部分。為了確保通信的可靠性、規(guī)范性，在現(xiàn)場應用中采取了以下相應措施。

系統(tǒng)配置流程滿足《DL/T 860系列標準工程實施技術規(guī)范》規(guī)定，具體細節(jié)要求有:(1)按照工程遠景規(guī)模配置實例化的數(shù)據(jù)對象接口(DOI)，同時監(jiān)測裝置功能描述文件(ICD)中應該包含具體參數(shù)描述(desc)和基于字符串描述(dU)的屬性;(2)將變電站所有需配置描述文件(SCD)自動生成的實例描述(CID)文件下載到對應元件中;(3)ICD文件需要包含模型自描述信息，例如版本信息、修改的版本號等內容。

邏輯節(jié)點類型定義直接關系到綜合處理單元對站內各在線監(jiān)測單元的數(shù)據(jù)整合。玉林變電站綜合處理單元自身配置2個基本的邏輯節(jié)點，分別是實現(xiàn)信息交互的管理類邏輯節(jié)點和描述本單元物理特性的物理類邏輯節(jié)點。同時，根據(jù)監(jiān)測需要配置不同類型的檢測節(jié)點和控制節(jié)點，具體內容如表1所示。

通過系統(tǒng)配置流程、邏輯節(jié)點模型可實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)格式規(guī)范，但為了確保通信質量，還需完善功能性服務。功能性服務包括:數(shù)據(jù)讀取服務、報告服務、文件服務、時間同步服務、自檢服務等內容。

4 結論

智能化變電站是我國電力發(fā)展的一個趨勢，同時，智能化變電站在線監(jiān)測與診斷技術近年來在電力行業(yè)受到了高度重視，其在線監(jiān)測數(shù)據(jù)現(xiàn)場并行處理技術得到了深入研究，這對電力系統(tǒng)的安全運行具有重要的意義。通過對數(shù)據(jù)通信網絡結構標準化、信息采集共享及監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸模型等內容進行研究，為實現(xiàn)變電站監(jiān)測系統(tǒng)結構更加合理化，設備性能可靠化、集成化，數(shù)據(jù)的統(tǒng)一歸集、處理、分析診斷提供了參考。

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