变电设备状态监控系统研究与开发硕士学位论文.docx

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变电设备状态监控系统研究与开发硕士学位论文

硕士学位论文

变电设备状态监控系统研究与开发

摘要

电网的不断扩大，变电站布点的不断增加，为了保证运行正常，带动了变电站内的各种传感设备增加。

这给维护员工带来了更大的工作量，并且检修周期安排和离线数据采集变的非常困难。

本文研究在在线状态下，通过本系统的监控，能够快速的反映前方各个变电站内的各个智能传感器的采集状况以及被监测设备的运行状况。

在做到监控这一目的后，再为维护人员检修提供采样数据。

变电站在线监测系统接收前端各式各样的智能传感器，这些传感器使用的协议可分为两大类，异构规约和标准规约。

本系统的前置机系统提供开放接口支持标准规约，同时也提供专用接口支持已透入使用的异构规约。

前端智能传感器采集到数据，封装后发送到接入层CAC系统，这一层，不同协议的数据解析后都封装成标准格式I2。

接入层再把标准格式数据包发送到主站数据处理、分析、存储服务层，服务层解析标准数据包，取出采样数据，采样数据作三个用途，一是更新实时数据库，作为在线监测；二是存到本地历史数据库，作为查询用；三是写入PMS系统。

关键词：

　智能传感器，IEC61850，异构规约，标准规约

Abstract

Theexpandingofelectricitygridleadstotheincreasingofsubstations.Inordertoensurenormaloperation,varietiesofsensorsareused.Maintenance staffs take agreater workload.Andsoit’shardto maintaincycle arrangementsand off-line dataacquisition.

Thispapermainlyresearchessuchstatusthatitcanbequicklyreflectsequipmentstatusofthevarioussmartsensorsinsubstationfaraway.Afterreachthisgoal,andthenprovidesampledatatomaintenancestuff.

SubstationlineMonitoringSystemreceived awiderangeof smartsensors.Protocolusedby thesesensors canbedividedinto twocategories,oneisStandardStatute,andtheotherisHeterogeneous Statute.Thissystem provides openinterfacestosupportStandard StatuteandprovideprivateinterfacetosupportHeterogeneous Statute.

Smart sensors collectdataandpackaged,thensendtoaccesslayerofCAC.Afterreceivingthesepackages,CACanalysisandpackagetoanotherstandardformat.AccesslayerwillsendI2packagestoservicelayerwheremasterdataprocessing,analysis,storage.Thesampledatacanbedisplayintheweb,andalsosendthePMSsystem.

KeyWords：

SmartSensor,IEC61850,Heterogeneous Statute,Standard Statute

目录

摘要i

Abstractii

图目录IV

第1章绪论1

1.1课题的提出及意义1

1.2智能变电站概述1

1.3国内外研究现状2

1.4本章小结3

第2章变电站在线监测总体结构设计4

2.1系统总体框架4

2.2状态信息接入控制器5

2.2.1设计思路5

2.2.2总体结构7

2.2.3功能设计7

2.2.4状态信息接入控制器设备8

2.3状态监测代理9

2.4设备状态监测主站系统9

2.5本章小结11

第3章变电站在线监测异构规约12

3.1异构规约12

3.2油色谱协议12

3.2.1变压器油色谱分析的理论依据12

3.2.2通讯协议13

3.2.3通讯过程14

3.3蓄电池协议14

3.3.1蓄电池的用途14

3.3.2蓄电池协议15

3.3.3通讯方式15

3.4避雷器协议16

3.4.1避雷器重要性16

3.4.2通讯协议16

3.4.3通讯过程17

3.5本章小结17

第4章变电站在线监测标准规约18

4.1IEC6185018

4.1.1简介18

4.1.2技术特点18

4.1.3IEC61850的分层结构19

4.2IEC61850信息模型21

4.2.1逻辑节点和数据21

4.2.2逻辑设备模型23

4.3抽象通信服务接口ACSI24

4.4制造报文规范MMS25

4.4.1服务的客户服务器关系27

4.4.2IEC61850与MMS的映射28

4.5IEC61850接入28

4.5.1实现分析28

4.5.2IEC61850应用30

4.6本章小结31

第5章CAC前置系统设计与实现33

5.1CAC前置系统概要33

5.2下行数据通信模块34

5.3数据处理模块35

5.3.1协议解析36

5.3.2数据模型匹配37

5.4上行数据通信模块37

5.5辅助功能模块38

5.5.1心跳监测双机切换38

5.5.2日志备份，校时和远程维护39

5.6CAC前置系统实现39

5.7本章小结40

第6章变电站在线监控主站系统实现41

6.1主站后台服务系统41

6.1.1实时数据接入服务41

6.1.2数据处理服务41

6.1.3实时数据输出服务42

6.1.4后台服务实现43

6.2主站Web系统44

6.2.1系统登录44

6.2.2设备管理46

6.2.3传感器配置47

6.2.4CAC管理49

6.2.5状态监控50

6.3本章小结51

第7章总结和展望52

7.1工作总结52

7.2进一步工作展望52

参考文献54

作者简历56

致谢57

图目录

图2.1系统框架图5

图2.2专用前置系统6

图2.3通用前置系统6

图2.4前置系统结构图7

图2.5CAC外观图8

图2.6信息接入系统管理功能9

图2.7设备树管理10

图2.8状态采集映射10

图3.1油色谱协议13

图3.2油色谱应答协议14

图3.3油色谱传感器通讯图14

图3.4蓄电池协议15

图3.5蓄电池命令15

图3.6避雷器协议16

图4.1变电站自动化系统接口模型20

图4.2概念性建模方法21

图4.3逻辑节点和数据22

图4.4基本组成部件22

图4.5逻辑节点连接23

图4.6逻辑设备基本组成元素23

图4.7逻辑设备和LLN0/LPHD24

图4.8ACSI通信方法25

图4.9VMD模型26

图4.10客户与服务器的交互过程27

图4.11IEC61850映射到MMS28

图4.12IEC61850通信模型29

图4.13SISCOMMS-EASELite的体系结构29

图4.14IED客户端文件31

图5.1Application时序图32

图5.2Application配置文件app.config33

图5.3下行数据模块继承关系34

图5.4xml格式标准数据包35

图5.5数据包解析流程35

图5.6数据模型适配解析时序图36

图5.7上行数据发送模块时序图37

图5.8心跳检测图37

图5.9CAC前置系统启动38

图5.10CAC前置系统接收油色谱数据39

图6.1主站后台服务DataServer启动时序图40

图6.2主站数据处理时序图41

图6.3写入PMS的WebService服务42

图6.4DataServer后台服务程序启动42

图6.5DataServer后台服务程序接收数据43

图6.6系统首页44

图6.7普通用户监控界面44

图6.8管理员监控界面45

图6.9设备树管理45

图6.10设备信息查看46

图6.11传感器配置46

图6.12传感器安装47

图6.13传感器测点管理48

图6.14CAC管理48

图6.15CAC时间管理49

图6.16状态监控49

图6.17实时曲线图50

图6.18历史数据查询50

第1章绪论

1.1课题的提出及意义

随着电网规模不断扩大，变电所的布点不断增加，设备性能不断提升，单一员工所需要运行维护的设备不断增加，因此，按照原有的检修周期再安排大量的离线数据采集工作已经变的非常困难；同时变电所相关设备及其运行情况多数实现了远方遥控、遥测、遥信、遥调、遥视等功能。

各监控中心配置PMS（powerproductionmanagementsystem）生产管理系统，目前主要的设备信息、运行巡视记录、检修记录、试验记录、缺陷记录包括计划信息均已经纳入了PMS系统，数据的积累比较丰富，离线数据大量积累在PMS系统中，为生产管理分析提供了依据。

但是，各类信号协议不同，采集监控管理系统相对独立，各种数据较难做到统一，实时监控，给维护管理很大麻烦，急需建立起有效的设备状态监测系统来实时监测设备运行情况。

设备状态监测是指利用传感技术和微电子技术对运行中的设备进行监测，获取反映运行状态的各种物理量，并对其进行分析处理，预测运行状况，必要时提供报警和故障诊断信息，避免因故障的进一步扩大而导致事故的发生，指导设备最佳的维修时机，为状态检修提供实时数据。

随着网络、通信、信息技术的进一步发展，设备状态监测会向系统化集成化方向发展，形成以状态监测为基础的设备智能管理系统，能对在线和离线数据进行分析处理，对设备进行实时监测。

本项目作为智能变电站的重要组成部分，应用先进可靠、高度集成的前置状态数据采集设备，通过网络化通信、标准化信息平台，实现变电站数据全面采集、实时监控、分析决策等功能，达到提高变电站运行可靠性、减少人工干预、支撑电网实时控制和智能调节、优化资产利用等目标。

1.2智能变电站概述

经过十多年的发展，变电站自动化技术已经发展到了一定的水平，在我国城乡电网改造和建设中，许多变电站都通过自动化技术的使用实现了无人值班，实现了变电站综合自动化，使电网建设的现代化水平得到了极大的提高。

智能变电站是变电站自动化技术发展的延伸，它以设备全智能化和测控全智能化为基础，完全实现了信息采集、传输、处理、输出过程的数字化，例如，对变电设备进制智能控制、对供电安全进行在线预警、对薄弱环节进行自动识别等。

智能变电站技术是变电站自动化技术发展中具有里程碑意义的一次变革，其主要特征是“一次设备智能化，二次设备网络化，符合IEC61850标准”，即智能变电站内的信息全部做到智能，信息传递实现网络化，通信模型达到标准化，使各种设备和功能共享统一的信息平台。

这使得智能变电站在系统可靠性，经济型，维护简单性方面均比常规变电站有大幅度提升[1]。

IEC61850将智能变电站分为过程层，间隔层和站控层，各层内部及各层直接采用高速网络通信。

整个系统的通信网络可以分为：

站控层和间隔层之间的间隔层通信网，以及间隔层和过程层之间的过程层通信网。

站控层通信全面采用IEC61850标准，监控后台、远动通信管理机和保护信息子站均可直接接入IEC61850装置。

同时提供了完备的IEC61850工程工具，用以生成符合IEC61850-6规范的SCL文件可在不同厂家的工程工具之间进行数据信息交互。

间隔层通信网采用星型网络架构．在该网络上同时实现跨间隔的横向联锁功能。

110kV及以下电压等级的变电站自动化系统可采用单以太网，110kV以上电压等级的变电站自动化系统需采用双以太网。

网络采用IEC61850国际标准进行通信，非IEC61850规约的设备需经规约转换后接入。

考虑到传输距离和抗干扰要求，各继电小室与主控室之间应采用光纤．而在各小室内部设备之间的通信则可采用屏蔽双绞线[2]。

1.3国内外研究现状

在变电站自动化系统方面，欧美等发达国家变电站的远程监控可靠性和实用性均高于国内，西欧，北美，日本等发达国家的绝大多数变电站，包括许多500kV、380kV的变电站也都已实现无人值班，所有225/20kV变电站都由调度中心集中控制，当电网发生事故时，调度中心可以直接进行必要的处理。

随着微电子技术、电子式电流互感器技术、网络通信技术、智能断路技术的发展成熟以及IEC61850通信标准体系的颁布，德国SIEMENS公司推出的SICAMWCC系统开发出可以支持基于以太网的IEC61850-8变电站总线以及IEC61850-9过程总线技术，从而实现过程层网络化，使得SICAMWCC进入符合标准的智能化的变电站自动化系统产品行列中来；ABB、ALSTOM和GE等国外的电力装备厂商公司都已在SCADA系统实现IEC61850[3-4]。

目前，国内110（66）kV及以上变电站基本实现了以“遥测”、“遥信”、“遥控”、“遥调”的四遥功能，部分网省公司220kV以上变电站无人值班比例达到85%以上。

输变电系统已具备了对电网运行状态、设备运行状态的进行实时在线监测和控制的能力。

国家电网公司从2005年开始数字化变电站研究工作。

国网中心从2005年开始陆续组织了6次互操作性试验，检验并促进了国内IEC61850系列产品开发和应用的兼容性，对标准在国内的应用起到重要的推动作用。

同时，通讯技术尤其是以太网技术在电力系统中应用的普及以及嵌入式技术的快速发展也为数字化变电站的发展奠定了坚实的技术基础。

1.4本章小结

本文主要是研究开发变电设备状态监控系统，提出研究意义，然后介绍智能变电站的概念，最后介绍变电站自动化的国内外研究状况。

第2章变电站在线监测总体结构设计

2.1系统总体框架

变电设备状态监测系统总体结构如图2.1所示，分为四个层次。

最底层为各类在线检测设备，也称为智能传感器层，该层设备类型比较复杂，支持的协议也很不同，有传统的检测设备，也有最新技术支持最新标准协议的传感器，通讯类型有采用有线网络的，也有无线网络的。

第二层为接入层。

该层是本系统最重要的组成部分，设计思路上可以将第一层的各种采集装置数据接入分为三种情况，第一种类型是支持最新智能变电站通讯接入标准的设备，这类设备数据直接以标准接口接入设备状态接入控制器（ConditioninformationAcquisitionController，CAC）；第二种类型是一些不支持标准通讯的现场设备，这类设备可以通过安装设备状态检测代理（ConditionMonitoringAgent，CMA）装置来整合转换成标准协议后上传到CAC；第三种情况是传统的一些接入装置并且已经开发了相应的数据处理系统，这种数据类型经过接口转换后，直接将数据接入后台设备状态监测系统中。

第三层为数据处理、分析、存储服务层，经整合处理后的数据进入变电设备状态检测系统，实时数据同时可以写入PI系统进行海量实时数据存储，设计可以预留除PI以外的实时数据中心，为没有PI系统的应用单位提供相同数据存储能力。

第四层为应用和接口层，系统提供与生产管理系统之间的数据交换接口、其它应用系统的数据使用接口、国网数据中心的数据交换家口等。

提供在线综合信息监测，提供状态数据、属性数据、综合分析数据、空间图形数据等可视化展现功能与远程访问。

图2.1系统框架图

2.2状态信息接入控制器

2.2.1设计思路

状态信息接入网关机（CAC）是变电站状态监测系统的重要部件。

由于历史原因，变电站中各类状态监测装置标准化程度很低，导致出现各种类型的专用前置子系统，且结构比较复杂。

接入结构如图2.2所示：

图2.2专用前置系统

这种接入方式技术实现难度较小，但是前置各成体系，难以标准化，随着系统的发展前置装置越来越多，资源利用率低，成本高且重复投入，难以标准化并推广应用。

因此，本方案设计采用统一标准的信息接入控制器CAC。

CAC是部署在变电站内，能以标准方式连接站内各种状态监测装置或状态监测代理，接收它们发出的标准化状态信息，并对它们进行标准化控制的装置。

CAC承载各专业所特有的与传感器技术相关的原始数据加工处理，具有高速数据接入能力。

通过CAC传统接入方式改变为如图2.3结构：

图2.3通用前置系统

为保证非标准系统的接入，CAC开放一个标准接口，用于接入已有状态监测信息，传统系统增加一个接口模块将信息送入状态信息接入控制器（CAC）。

2.2.2总体结构

状态信息接入控制器（CAC）采用开放的接口协议标准（IEC61850），能适应未来智能电网传感器技术和状态监测业务的长期发展需要。

标准状态监测装置或者状态监测代理将采集的状态信息以标准方式送给CAC标准数据接入模块，实现信息接入。

现存非标准监测装置通过各自的前置子系统加工成符合标准格式的结果信息，以标准方式推送给CAC，状态数据经CAC处理，进行解析和缓存后通过上行通讯模块发送给状态信息监测主站系统的数据接入服务模块。

同时，CAC还负责管理站内各种监测装置和前置子系统的运行状态，发现异常及时记录并上报。

下行的标准指令通过接入模块、解析模块和下发模块发送给标准状态监测或者状态监测代理（CMA），如图2.4所示。

图2.4前置系统结构图

2.2.3功能设计

状态信息接入控制器（CAC）的主要功能包括：

1、前置信息接入

状态信息接入控制器（CAC）可接入各类状态监测装置，通过标准接口接入，并进行数据的校验，接入信息包括标准设备、接入代理以及专用系统接入。

2、控制指令模块

状态信息接入控制器（CAC）可接入主站系统下达的标准控制指令，并转发给所连接的标准监测装置或CMA。

3、协议解析和数据模型匹配

对接收到的标准协议数据，经解析和匹配后转为设备状态数据，进行缓存和转发。

4、数据缓存与续传

CAC提供状态数据的缓存功能，为保证上行通道中断状态下的数据完整性。

当通讯功能恢复后重新进行数据上传。

5、配置管理

CAC提供远程系统配置与管理功能。

6、双机切换

采用双机热备份运行模式，保证信息的及时同步和故障恢复功能。

7、系统自检

CAC通过自检系统保障自身的正常稳定运行，提高抗干扰能力。

CAC可对自身状态进行监测和管理，包括心跳监测、容错、版本、远程更新、日志、安全论证等。

2.2.4状态信息接入控制器设备

如图2.5所示，状态信息接入控制器采用1U19″标准上架机箱，Linux操作系统，支持双机热备，固态硬盘。

图2.5CAC外观图

根据变电站接入规模配置路由器、多串口卡、可远程控制电源模块辅助设备。

2.3状态监测代理

状态监测代理是安装在变电站内，能集中收集站内各类状态监测信息，并替代各类状态监测装置与CAC进行标准化数据通信的统一代理装置。

CMA可跨专业和跨厂家采集各类标准化或非标准化状态信息。

特别在目前过度阶段站内还存在许多非标准监测装置。

CMA可以起到很好的协议转换功能。

状态监测代理为智能变电站中接入各类设备状态监控信息的智能组件，具有接入设备状态监测、数据缓存、自检测、数据交换等功能。

2.4设备状态监测主站系统

如图2.6所示，信息接入主站系统的功能图。

图2.6信息接入系统管理功能

设备树管理：

可以根据用户的需要定义任意层次的设备管理层次，以满足定义符合电力系统规范DL/T890.301-2004能量管理系统应用程序接口（EMS-API）第301部分:

公共信息模型（CIM）基础的电力设备层次。

如果用户已经存在设备管理系统，并且有设备模型的定义，则本系统的设备树管理引用设备管理系统，以实现互联，但该系统必须开放模型数据接口，以便开发接入。

设备树示例如图2.7所示：

图2.7设备树管理

状态监测装置管理：

管理变电站安装的各种在线状态监测系统。

状态采集点映射：

管理状态监测装置状态点逻辑名称与协议点命名之间的映射关系。

状态监测装置和监测点映射示例如图2.8所示：

图2.8状态采集映射

其中测点部位为监测传感器安装的对应设备位置，配置时从设备树中选择。

状态监测装置配置：

配置状态监测装置的通讯方式、协议参数、通讯地址等运行参数。

远程升级管理：

可以远程选择或批量更新前置状态接入控制器的软件，同时管理状态接入控制器的版本信息。

实时数据接入服务：

实现多线程数据接入服务功能。

实时数据输出服务：

实现状态数据写入数据中心（PI）功能，可以通过数据中心专用接口或服务总线接口。

数据处理服务：

状态数据点信息是否写入实时数据库或需经某种特定处理后写入实时数据库，该模块根据设定条件进行数据处理服务。

状态监控：

可是实时监控各设备的状态信息，实现基于图形的展现和基于对象的展现两类。

时钟管理：

取得标准的时间，向各数据采集装置定期发布时间信息，时钟校正。

系统管理：

实现用户与权限管理，系统参数设置等功能。

2.5本章小结

本节主要介绍整个系统的组织层次，并对每个层次分别进行介绍以及每个层次的设计方法。

第3章变电站在线监测异构规约

3.1异构规约

异构规约，在本文中，是指非IEC61850标准的规约。

这些规约大多是基于IEC60870-5的规范，以IEC60870-5-101和IEC60870-5-104为最主要参考标准。

IEC60870-5是国际电工委员会电力系统控制及其技术委员会（IECTC57）根据形势发展的要求制定调度自动化系统和变电站自动化系统的数据通信标准，适应和引导电力系统调度自动化技术的发展。

借鉴IEC60870-5规范，许多厂商已经开发了适应各自产品的传输协议，并且已经应用在变电站中，其运行稳定性也得到了时间的考验。

本系统的前端接入层已经开放接口支持这些传输协议，实现了异构规约的接入。

到目前为止，已经成功接入的异构规约包括：

油色谱协议，避雷器协议，蓄电池协议。

3.2油色谱协议

3.2.1变压器油色谱分析的理论依据

变压器的安全运行是电网安全的保证。

目前，在变压器的故障诊断中，只凭电气试验的方法很难发现某些局部故障与发热缺陷，特别是变压器内部的过热性和放电行缺陷。

但通过变压器中气体的油色谱分