基于IEC 61850變電站輔助設備信息綜合監管系統

潘海萍，謝狄輝，儲乾旭

(寧海供電局，浙江 寧海 315600)

近年來，隨著我國智能電網的快速發展，電網自動化水平得到了大幅提升。目前，國內大部分新、老變電站均已配備了綜合自動化系統，110kV及以上變電站也基本實現了無人值班。從生產運維管理的實際狀況出發，需要將變電站內的紅外防盜、視頻監控、環境監測、一次設備和二次系統的工作狀態進行一體化監視，實時把握變電站運行狀態和健康水平，確保系統安全運行，因此，建立電網綜合監管運維體系十分重要[1]。基于IEC 61850變電站輔助設備信息綜合監管系統是未來智能化變電站重點建設內容，與電力調度支撐體系相互依托，可實現設備信息和運行維護策略與電力調度全面互動，形成基于狀態的全壽命周期綜合優化管理，提高設備運行可靠性、靈活性，提升生產管理效率和效益，支撐各級電網的安全穩定運行和各類高級應用。

1 系統建模

IEC 61850標準是基于通用網絡通信平臺的變電站自動化系統的新一代國際標準，作為下一代變電站的無縫通信協議標準，采用面向對象思想對變電站涉及的設備與通信服務進行功能建模、數據建模，解決了變電站自動化系統產品的互操作性和協議轉換問題，并規范了一套抽象的通信接口，使協議擁有足夠的開放性以適應未來變電站通信發展的要求。

變電站輔助設備信息綜合監管系統的提出是針對變電站內包括環境、防盜、消防、安全、視頻等監控信息、一次設備狀態監測信息、二次系統運行信息等在內的一體化綜合數據的采集與集成。在數據集成的基礎上一方面對運行中出現的異常進行全面相關性分析，實現變電站多系統的在線閉環聯動；另一方面對于運行過程中出現的故障實現跨變電、通信、自動化系統多專業的故障分析和診斷，根據運行異常情況自動分析受影響的設備、自動化系統和停電范圍，輔助制定相應的檢修方案，滿足智能變電站的高復雜度運維管理要求。因此該系統的管控范圍包括如下內容：（1）變電站運行相關的輔助信息，包括環境數據、安防信號、站用電源系統、視頻監控、照明控制等；（2）變電一次設備狀態信息，包括變壓器狀態監測信息、斷路器及高壓組合電器（GIs）狀態信息、電抗設備狀態監測信息；（3）二次系統綜合監控信息，包括變電站內網絡、服務器等IT設備以及自動化系統的運行狀態，以及通信站段監管系統的信息。

IEC 61850標準中，僅定義了4個專門用于高壓設備狀態監測的邏輯節點：液體介質絕緣SIML、氣體介質絕緣SIMG、電弧SARC和局部放電SPDC。考慮綜合監管系統的需要，上述節點及其包含的數據已經不能滿足要求，必須按照IEC 61850的原則進行合理擴充，并根據變電站狀態監測裝置的現狀，對一次、二次設備同時建模[2]。變電站模型擴展如下邏輯節點。

邏輯節點SCBR：實現變電站內斷路器電氣、機械特征的狀態監測，用以反映斷路器狀態監測常用的電氣、機械性能、氣體絕緣等狀態特征量。

邏輯節點SENV：實現對變電站內溫濕度、氣壓等環境監測功能。

邏輯節點SDGA：用以監測油浸式變壓器內各種氣體濃度及速率變化。

邏輯節點INTP、ICTP、ISTP：分別為網絡 、CANBUS、RS232/485串行通信3種方式的透明通信轉發代理而擴展的邏輯節點。

邏輯節點CCGR：實現對變壓器冷卻系統中各參量的監測。

邏輯節點ATCC：實現對變壓器分接頭的監測。

在系統建模過程中，采用面向對象技術建立的數學模型為層次結構,將變電站內設備按功能抽象為一個個邏輯節點。邏輯節點為基本數據模型,包含一定的數據（對象），數據（對象）又由相應的屬性構成。根據系統實際監測的需要，以IEC 61850為標準，可以方便地擴展或改變邏輯節點。

2 系統架構

該系統在整體架構上分為站控層、調控層和全局層（如圖1所示）。其中站控層主要負責變電站內各設備運行數據采集、子系統通信接口、告警分析和發布等功能。站控層通信體系根據IEC61850標準，分為3層：變電站層、間隔層、過程層，并定義了層和層之間的通信接口。變電站層和間隔層之間的網絡采用抽象通信服務接口映射到制造報文規范（MMS）、傳輸控制協議/網際協議（TCP/IP）以太網或光纖環網。在間隔層和過程層之間的網絡采用單點向多點的單向傳輸以太網。變電站內的智能電子設備（IED，測控單元和繼電保護）均采用統一的協議，通過網絡進行信息交換[3，4]。

圖1 系統整體架構

站控層在整個結構中相對獨立，在與上級監控系統失去網絡通信后，能獨立通過短信發布告警。在無人值班變電站，站控層可認為是一個黑匣子，提供的本地人機界面用于系統維護調試；在有人值班變電站，提供值班人員本地的監控工作站。

調控層主體是提供給集控站或調控中心人員對變電站運行的集中監控，異常告警處理，實時與現場搶修人員的互動，同時與生產管理PMS接口，提供設備缺陷或故障報告，由PMS啟用相應的業務處理流程。調控層的數據來源于其管轄變電站數據的匯總和調用相應站控層提供的服務。

全局層發布變電站運行一體化監管系統的綜合信息，供各級管理人員實時了解變電站運行狀況、故障或異常分析統計，制定相應的檢修維修策略，并與生產應急指揮中心集成，提供應急事件處理輔助決策支持。

3 網絡架構

系統網絡架構如圖2所示，整個系統由以下部分構成。

中心大屏幕系統：3×8共24塊52吋屏幕拼接而成的中心大屏幕系統，將為整個平臺提供直觀、全面的展示和上佳的人機互動，包括附屬的中控系統、電話會議系統、擴音廣播系統等。

信息交換服務器：主要部署綜合信息交換層，實現與工業電視、地理信息、在線監測、實時監控、保護信息、環境監測、手持終端等各級系統模塊信息交互、集成的功能；同時與電網控制中心、數據中心系統進行通訊、數據功能共享。

實時監控服務器：主要部署對實時性要求高的平臺軟件的模塊，包括主、輔設備實時監控模塊，也包括實時報警、故障實時處理等模塊。

管理應用服務器：主要部署生產計劃管理、工作調度、工作過程管控等管理性的、對系統實時性要求不苛刻的功能模塊。

數據分析服務器：主要針對科學輔助決策需要進行大量的數據清洗、篩選、統計、分析、挖掘工作設計出的專門從事數據分析的服務器集群。

數據庫小型機集群（含磁盤陣列）：存放平臺各種類型的數據并為各其他系統提供數據服務，考慮到數據處理對容量、精確、可靠性的高要求，設計采用數據庫小型機+磁盤陣列+Oracle RAC數據庫軟件的架構。

廠站在線監測：包括廠站在線監測智能終端、各主設備上需要加裝的各種傳感器、信號采集裝置。由于主設備的二次監測位于安全二區，監測數據庫位于安全三區，廠站在線監測智能終端需支持安全隔離功能。

廠站綜合監測：包括廠站端的若干數據采集器、手持終端連接器以及廠站環境監測主機以及各輔助設備上需要加裝的各種傳感器、信號采集裝置。

站內數據采集與監視控制（SCADA）機：變電站內SCADA系統的主機，負責對各類測控終端進行數據和信息采樣，并進行分析和報警，站內管理人員可通過SCADA主機實現指定的控制動作。

4 系統功能規劃

4.1 站端系統

站端系統由廠站在線監測子系統和廠站環境監測子系統構成，其信息在變電站內匯總后可根據系統模型進行分析計算，并展現在本地監控工作站中，實現變電站的區域自治。同時，其信息也可通過上級SDH網絡傳送至主站系統中。其中廠站在線監測子系統負責對變電站設備狀態信息的采集。而廠站環境監測子系統負責對變電站環境信息的采集，包括含對輔助設施的監視與控制，實現設備的遠程實時監測、故障報警、遠程控制等功能。

系統對站端設備擁有完整的數據采集和命令下達通道，具備了與運營相關的、可實現站端設備間協調工作的全部資源，因而對于異常告警，系統可以實現多樣化、高性能、復雜的在線閉環聯動，包括設備的閉環控制聯動和系統響應聯動二方面。

4.2 主站系統

在調控中心建立相對獨立的變電站輔助設備信息綜合監管系統，通過路由器/防火墻與調度通信網相對隔離，由通信服務器負責與各變電站當地監控系統實現數據通信，匯總各變電站采集的實時數據和狀態，匯總同步各變電站形成的歷史運行數據、告警數據、基本配置數據和視頻數據，構建基于Web的綜合信息發布服務。主站系統的主要功能主要包括：（1）廠站運行監測。一方面系統將在基于IEC 61850標準的電網模型基礎上實現對變電站電氣主設備運行狀況的全面監測；另一方面系統將實現對變電站各類生產輔助設備（如空調、采暖、通風、給排水、門禁、技防等）的實時監控。通過對監測數據模型的分析，實現設備故障預警和變電站整體健康狀況評估。（2）故障實時處理。系統以快速反應、先期處置、統一指揮、協同作戰為原則，提供以預案流程為依據、以保障體系為支撐、以音視頻互動技術為載體、融合多方信息的故障指揮支持。系統集成了變電專業在線檢測、環境監測、工業電視、保護信息、實時監控和GIS地理信息系統，基于實時數據、歷史數據、應急預案、GIS/GPS調度資源，通過故障處理組織的快速建立、故障預案的快速引導、搶修隊伍和搶修物資的快速調配、現場情況的互動反饋，實現對故障事件統一、實時、精準指揮和快速處置。（3）智能輔助決策。以變電站安全生產指標為導向、以專家分析模型為方法形成變電站的決策評估支持，對變電站設備健康狀況、可靠供電能力、生產管理狀況進行科學評估，并且可以根據評估結果生成預警和計劃任務，實現生產的預控、可控、在控。

5 結束語

建設以IEC 61850標準電網模型為基礎的變電站輔助設備信息綜合監管系統，實現變電站各類設備運行狀態和運行環境的有效監控，使各級監控人員能及時、全面掌握變電站的運行信息，對變電站安全防范、運行異常預警和應對自然災害等有著十分重要的意義，不僅可以切實提高無人、少人值守變電站的安全運行水平，而且能夠推動變電站管理逐步向智能化、自動化、綜合化、集中化方向發展。

[1]Q/GDW 383—2009，智能變電站技術導則[S].

[2]李光輝.基于IEC 61850的變電站裝置建模[J].電力系統通信，2009（4）：27-29.

[3]劉 凌，韓林濤，王眾全.電子值班系統的設計和實現[J].華中電力，2007，20（6）：26-29.

[4]DL/T 721—2000，配電網自動化系統遠方終端[S].