基于Lib IEC 61850庫的智能變電站SF6狀態在線監測系統設計與實現

張 旭 劉逸凡 寇新民 陳富國

SF6氣體具有優異的冷卻電弧特性，在高壓斷路器中有著廣泛應用；對 SF6電氣設備實時在線監測目前已成為保證 SF6電氣設備的可靠運行的一種重要方法[1]。同時，SF6電氣設備中的SF6氣體密度值和PPM微水含量也具有非常重要的應用價值[2]。

在對 SF6電氣設備監測的研究過程中，IEC 61850標準作為一種有效的整合一次設備在線監測數據的實現途徑[2,10]，得到了廣泛推廣。許多學者也對數字化變電站內主要 SF6電氣設備在線監測技術進行了研究[3]。

本文基于Lib IEC 61850庫中對IEC 61850服務端功能的實現，設計了智能變電站一次設備 SF6氣體在線監測系統，系統采用層次化設計，穩定高效。目前該系統已在南京某500kV智能化變電站工程和酒泉某800kV智能化變電站工程投入運行。

1 IEC 61850服務端功能實現

1.1 Lib IEC 61850概述

Lib IEC 61850是一個開源的實現IEC 61850客戶端和服務端功能庫，該庫由C語言編寫，具有較好的可移植性，它可以在嵌入式系統和運行 Linux和Windows系統的PC上實現IEC 61850客戶端和服務端應用程序[4-5]。Lib IEC 61850的客戶端和服務端API如圖1和圖2所示。

1.2 Lib IEC 61850服務端功能測試

本文功能測試采用 Ubuntu10.10系統，3.10.79內核。在官網上下載Lib IEC 61850庫并解壓到主目錄，解壓后文件如下：

CHANGELOG config demos examples Makefile

src tools CMakeLists.txt COPYING dotnet

make README third_party

圖1 服務端應用程序接口

圖2 客戶端應用程序接口

其中，README文件對Lib IEC 61850庫做了概述，并給出了在各個硬件平臺下的編譯和運行例子程序的方法；Makefile定義了編譯規則；make文件夾里有3個mk文件，用以編譯庫文件時指定參數；examples文件夾里包含客戶端及服務端開發例子程序，examples文件夾里每個文件夾代表一種模式的例子；tools文件夾里包含有開發包提供的一個工具，能夠將設備的icd文件轉換成C語言文件。

在主目錄下執行 make命令，命令將所有子目錄符合 Makefile規定規則的 C文件壓成一個靜態庫，靜態庫放在 build文件夾里，該靜態庫提供了IEC 61850服務端開發API。

進入到examples文件夾下服務端示例，編譯運行服務端示例，示例會啟動socket的監聽程序，等待客戶端連接[6]。

本文采用Omicron IEDScout測試服務端示例。配置測試軟件與服務端示例建立連接，測試軟件會讀取示例數據模型中各個變量的名稱和變量值，如圖3所示。

圖3 測試軟件與服務端建立連接

2 系統詳細設計方案

2.1 系統結構設計

系統的主要功能是監測一次設備SF6狀態信息，例如壓力、密度、溫度、微水等狀態量。設計系統通過RS-485網絡采集SF6氣體傳感器信息，在裝置內整理分析后，以IEC 61850通信規約上傳數據，通信結構如圖4所示。

圖4 SF6狀態數據通信示意圖

1）變送器選型設計

變送器選型WDS530變送器，WDS530變送器主要由傳感器、微循環系統、密封系統和變送部分組成。其中，露點傳感器有自動校準和自動加熱功能，這兩個功能可以確保WDS530快速測量和長期穩定：①微循環系統能使主氣室與采樣點的濕度快速達到平衡，且系統運行過程中不會造成高壓開關中微粒物產生揚塵的問題；②密封系統通過O型圈進行密封，使得變送器擁有優異的密封性和可方便拆卸性；③變送部分采用手牽手供電和通信，可以節省大量的電纜成本。

2）RS 485集線器選型設計

RS 485集線器采用宇飛YF-524C 24口光電隔離分割器HUB。裝置通信速率300～115200bps，自動發送/接收數據，無需外部的流量控制信號，波特率自適應，不受通信協議限制，24路RS 485信號輸入，4路RS 485信號輸出，通信距離大于1200m；隔離電壓2.5kVrms/500VDC絕緣，RS 485提供每線600W的防雷、浪涌、+/-15kVESD保護及防止共地干擾，該特性能有效解決外界雷擊浪涌和地電位差帶來的傳輸問題；輸出端獨立驅動，采用網絡總線結構，這有益于工程建設和系統穩定。

3）智能監測IED選型設計

智能監測IED硬件平臺采用中科騰躍TPE4000工控機，符合IEC 61850-3和IEEE 1613認證標準，通過中國電科院電力四級認證，板上集成英特爾賽揚2980U處理器；嵌入式無風扇設計，帶有2個百兆/千兆自適應網口，8個隔離RS-485串口。系統采用ubuntu10.10，Linux 3.10.79內核，具有較好的人機交互能力。

2.2 軟件系統設計

智能監測IED主要實現如下功能：對變電站一次主設備 SF6狀態信息進行監測，通過以太網口與遠端監測裝置通信，將系統狀態信息以 IEC 61850標準協議上傳至間隔層，實現與現有三層兩網智能變電站架構的融合[7,9]。

1）高并發數據處理算法設計

算法設計基于Qt應用程序開發框架，功能實現采用QList列表類和QThread線程類。主程序讀取XML配置文件，根據所配置串口模式開啟串口通信線程，串口線程之間互不影響，支持不同 modbus功能函數同時運行，每個串口 modbus數據采集命令發送和數據接收作為子線程并行運行，系統資源耗費更少，數據處理方式更高效。根據 modbus數據啟動modbus數據解析線程，用QList作為線程間通信方法，方便數據擴展，保證程序穩定、高效運行。算法設計如圖5所示。

該算法基于Qt應用程序開發框架，支持多數主流操作系統，具有良好的可移植性。算法采用多線程，將數據接收和數據解析分離，可以方便的在ARM架構上和x86架構機器上移植。

2）IEC 61850服務端功能設計

Lib IEC 61850庫對IEC 61850的服務端支持包括從靜態IEC 61850數據模型生成MMS設備模型和生成報告。此外，IEC 61850服務端API還支持IEC 61850控制模型。服務端API可用于創建IEC 61850兼容的MMS服務端應用。服務端不在運行時解析SCD（XML）文件。SCD文件將在構建時通過一個 C代碼工具進行解析，該工具用于生成 IEC 61850數據模型定義和其他SCD文件設置的C代碼。

圖5 算法設計流程圖

服務端功能設計如圖6所示。

圖6 IEC 61850服務端功能設計

3 工程應用情況

目前該系統已在江蘇某±500kV智能化變電站工程和甘肅某±800kV智能化變電站工程掛網運行，系統運行穩定，數據監測如圖7至圖9所示。

4 結論

本文從工程應用角度出發設計了一次設備 SF6氣體在線監測系統，基于Qt庫設計了高并發數據處理算法，用于數據采集和存儲；基于Lib IEC 61850庫實現了IEC 61850服務端功能。工程應用結果表明，該系統能有效解決一次設備 SF6氣體在線監測問題，符合智能變電站的發展要求。

圖7 ##氣室A相.SF6監測.P20曲線圖

圖8 ##氣室.三相監測.P20曲線圖

圖9 ##氣室數據一覽

[1] DL/T 596—1996. 電力設備預防性試驗規程[S].

[2] 王潤華. SF6氣體監測系統在GIS組合電器中的應用[J]. 上海電力, 2006(5)： 23-25.

[3] 林松, 王慶紅, 劉然. 數字化變電站狀態檢修技術[J]. 電網技術, 2007, 31(1)： 137-140.

[4] Zillgith M. Open source libraries for IEC 61850 and IEC 60870-5-104[EB][2017-07-17]. http：//Lib IEC 61850.com/Lib IEC 61850/documentation.

[5] Michael Zillgith. Open source libraries for IEC 61850 and IEC60870-5-104[EB/ON] http：//libiec 61850.com/api/index.html, 2013-03.

[6] Michael Zillgith. Open source libraries for IEC 61850 and IEC60870-5-104[EB/ON]. http：//libiec 61850.com/Lib IEC 61850/documentation/iec-61850-servertutorial/, 2013-03.

[7] DL/T 535—2010. 變電設備在線監測裝置通用技術規范[S].

[8] 高翔, 張沛超. 數字化變電站的主要特征和關鍵技術[J]. 電網技術, 2006, 30(23)： 67-71, 87.

[9] 劉建鋒. 基于虛擬儀器和 IEC 61850標準的變電站設備在線監測系統的研究[D]. 武漢： 華中科技大學,2008.

[10] 鄒積巖. 高壓開關設備的狀態監測技術[J]. 高壓電器, 1999, 35(5)： 45-47.