基于国际标准的配电成套开关监测建模

顾建炜, 李　佳, 李子旭, 张铁峰

(1. 杭州供电公司运维检修部，浙江杭州310009； 2. 华北电力大学 电气与电子工程学院，河北保定071003)



基于国际标准的配电成套开关监测建模

顾建炜1, 李佳2, 李子旭2, 张铁峰2

(1. 杭州供电公司运维检修部，浙江杭州310009； 2. 华北电力大学 电气与电子工程学院，河北保定071003)

摘要：为了提高配电设备的安全可靠性和自动化系统的互操作性，研究了基于IEC61850的配电成套开关状态监测架构，完成了温度监测、机械特性监测以及SF6气体泄漏在线监测等方面的模型构建，以及部分逻辑节点的模型协调工作。首先，分析了成套开关状态监测的系统架构和功能，给出了在线监测系统故障处理顺序图，并以SF6气体泄漏监测为例进行了详细阐述；然后，采用IEC61850标准中电气设备、状态监测、互感器等相关逻辑节点，建立了基于IEC61850标准的配电成套开关状态监测装置的信息模型和功能模型；最后，针对信息交互所涉及的CIM和IEC61850信息模型协调问题，分析了协调方法，给出了模型协调的一般过程。该工作可为基于国际标准的配电自动化相关业务开展提供参考。

关键词：IEC61850；CIM；成套开关；模型协调；配电自动化

0引言

随着成套开关的使用从变电站领域扩展到配电领域，成套开关运行状态监测的需求逐渐显现。由于配电网具有大量的、种类繁多的配电终端，配电设备的维护工作量与日俱增，传统检修监测方式已不能满足配电网运行和维护的需求，因此配电设备状态监测系统的使用将是配电自动化建设的重要内容。成套开关设备不仅应具有免维护、操作可靠、体积小和安装方便的特点，还需具备完善的保护系统和状态监测系统保证电气开关的高效运行。传统的成套开关在线监控系统老旧，通信方式一致性差、设备厂商标准的多样性造成监测信息的采集不统一、互操作性差，导致了“信息孤岛”现象[1-3]。而IEC61850标准在数字化变电站及智能电网领域的应用迅速扩展，很好地解决了来自不同厂商设备之间的互操作问题。随着IEC61850第二版的发布，IEC61850标准已扩展到配电自动化、分布式能源等领域[4-6]。

本文依据IEC61850标准的建模思想和建模方法，考虑配电自动化业务的现状与发展，对基于IEC61850的成套开关状态监测建模进行了研究。文章给出了状态监测系统的架构，并对配电成套开关设备进行了需求分析，描述了成套开关状态监测的功能及信息交互过程，完成了成套开关状态监测系统的信息建模和功能建模。最后分析给出该配电业务处理涉及的CIM(CommonInformationModel) 与IEC61850模型协调的一般过程。

1成套开关状态监测系统架构和功能

1.1状态监测系统架构

配电成套开关状态监测系统需要进行温度监测、机械特性监测以及SF6气体泄漏在线监测等内容。监测系统主要工作内容为：采集配电开关的实时运行数据和历史数据进行比较，找出反应开关的重要状态参数用来评价配电开关设备的健康状态；发布运行状态参数异常的开关信息，并进行告警提醒运行管理人员注意开关状态；最后通过状态监测诊断系统综合分析，给出开关的检修计划，指导检修人员的具体维修工作。

根据状态监测的内容，把监测系统分为传感网络、状态监测IED(IntelligentElectronicDevice)和状态监测诊断系统三部分。其中传感网络包括机械特性感知传感器、SF6传感器和红外温度传感器。基于IEC61850的系统架构如图1所示。

图1　系统架构图

从系统架构可以看出传感网络包括机械性传感器、温度传感器和SF6传感器；状态监测IED对传感器的信息进行采集、处理，对配电开关运行状态进行预诊断，将配电开关运行状态信息、预诊断报告、预诊断原始波形数据信息通过IEC61850上送至状态监测系统，同时可以实现与DTU(DistributionTerminalUnit)的互动。状态监测诊断系统对上传的信息进行综合分析。其中，状态监测IED发出的告警信息可以通过GOOSE报文的方式实现信息的传输。

1.2成套开关状态监测功能

开关设备状态监测是提高电网可靠性的重要措施，过去由于其技术的复杂性以及高成本等因素的限制，真正投入运行的并不多。近年来，随着相关技术问题的解决和软硬件成本的下降，开关设备的状态检测得到迅猛发展，国内外相关机构对其进行了大量研究，并取得了一定成果。对于状态监测系统，有的不仅提供“监测”功能，也提供“遥信”和“遥控”功能。状态监测系统能够及时为维护人员提供设备状态，并迅速发现、处理异常。目前，状态监测甚至涉及到分布式发电或客户需求响应[7-10]。根据实际要求，基于IEC61850的成套开关监测功能如下：

(1)可用于监测应用IEC61850配置的IED的状态，并通过协调CIM，将状态信息发送到总线；

(2)可持续监测电网一次设备和二次设备的运行状况；

(3)当设备处于异常状态时，会通知维护人员设备出现了异常，并报告故障设备的类型和位置等信息。主要监测量包含绝缘介质(液体层、气体密度)、跳闸电路、断路器的操作状况等；

(4)如果健康状态是危险(红色)，就不能再运行；

(5)给出需要维护的信息(健康状态是黄色)。

2成套开关状态监测系统的信息交互需求

根据多年配电开关故障统计信息分析，配电开关故障问题大部分出现在机械系统故障、温度过高导致的故障，以及SF6气体泄漏引起的故障[11,12]。成套开关状态监测包括温度监测、机械特性监测以及SF6气体泄漏在线监测等功能。本文结合成套开关监测的内容，完成基于IEC61850标准的成套开关状态监测系统信息建模。

成套开关在线监测系统处理故障的顺序图如图2所示。具体处理过程以SF6气体泄漏为例进行说明。

图2　在线监测系统故障处理顺序图

SF6气体泄漏处理的整个过程描述如下：

(1)当开关发生SF6气体泄漏时，监测装置通过温度变送器、氧气探测器、湿度变送器读取现场空气中SF6的浓度、温度、含氧量、湿度数值，并将量测值及告警信息上传到DSCADA(DistributionSupervisoryControlandDataAcquisition) 系统；

图3　成套开关SF6气体泄漏处理时序图

(2)当监控主机检测到配电开关状态异常时，状态监测IED会发出告警信息。与此同时，DSCADA系统收到故障信号后自动将风机启动，并发出声音告警；

(3)DSCADA系统会将配电开关异常告警信息通过基于IEC61968的信息交互总线传输给DMS(DistributionManagementSystem) 相关系统；

(4)DMS通过远程定位可以准确定位对应地理位置的配电站，查看配电开关柜的异常信息，故障分析后通知巡检部门对故障设备进行维修或更换。

所有动作均在调度中心的监测与控制下进行。该业务处理的顺序图如图3。

3成套开关状态监测信息与功能建模

3.1信息建模

根据已确定的成套开关状态监测功能基于IEC61850标准进行信息建模。通过前述可知成套开关应具备温度监测、机械特性监测、SF6气体在线监测等功能，因此可以将成套开关设备构建成符合IEC61850标准的3个逻辑设备(LogicDevice,LD)，即LD1(一般)、LD2(保护)和LD3(量测)。LD1用来定义公共数据类节点LLN0和LPHD，故障录波RADR、存档IARC、人机接口IHMI等。LD2定义了成套开关状态监测逻辑节点(包括氧气浓度、湿度、SF6浓度的动作、启动和告警输出)，机械特性监测逻辑节点(包括断路器XCBR、SCBR、隔离开关XSWI、SSWI、操作机构SOPM)，以及温度监测逻辑节点STMP；LD3逻辑设备包含量测功能逻辑节点MMXU、MMXN、告警输出GGIO、电流互感器TCTR、电压互感器TVTR，测量信息包括：电压、电流、氧气浓度、湿度、SF6浓度等[13]。所建信息模型如图4所示。

图4　成套开关状态监测信息模型

根据需要监测的数据指标来取舍各数据属性，从逻辑节点的全部数据属性中选出成套开关状态监测功能所需要的数据属性。其中，模型中逻辑节点的模式(Mod)、行为(Beh)、健康状态(Health)与铭牌(Namplt)、SCBR的跳闸线圈开命令(ColOpn)、SIMG的绝缘告警命令(InsAlm)是必需的，其它监测数据都是可选的或有条件的。在实践过程中，应优先使用可选或有条件的数据。例如，表1中绝缘气体监测逻辑节点SIMG中应采用PresAlm(压力)、Hum(湿度)和Tmp(温度)的数据测量值作为阈值条件：

(1)当SF6气体浓度≥6 518mg/m3时，发出状态异常信号。

(2)当监控环境氧气浓度≤18%时，发出状态异常信号。

表1　绝缘气体监测逻辑节点SIMG的数据和属性设定

3.2功能建模

使用IEC61850标准中定义的电气设备逻辑节点对所建功能进行抽象描述，并确定各逻辑节点间的数据流向和信息交互。电压互感器(TVTR)和电流互感器(TCTR)类传感器逻辑节点通过将物理量转换为电信号来反映成套开关的各种物理量。

如图5所示，SCBR实现断路器电气、机械特征的状态监测，用来反映断路器状态监测常用的电气、机械性能和气体绝缘等状态特征量。CSWI和XCBR两个逻辑节点协作控制开关控制器，实现断路器和隔离器的监测与控制。SOPM、SPDC、SIMG等逻辑节点用来监测开关设备内的气体状态。由于有些信号的采集频率比较高，TCTR电流互感器和TVTR电压互感器负责采集线路上的数据，然后由1个或多个RADR共同完成信号的录波功能；这些逻辑节点的信息统一上传到IHMI节点，完成人工控制和管理，随后将这些数据发往IARC节点进行存档。XCBR断路器在线路发生故障后及时进行处理，并将信息上传到GGIO节点，它主要完成设备状态和异常信息的上报。上述功能模型可以实现对成套开关状态的主要监测功能，若需要监测其他数据还可依据IEC61850标准进行扩展。

图5　成套开关状态监测功能模型

4IEC61850与CIM模型协调

传统的配电系统是根据IEC60870-5-101/104规约对配电终端建模，这使得配电终端设备的互操作性较差，不同厂商的电子设备难以进行正常通信。IEC61850标准有效地解决了变电站自动化系统的互操作性问题，可将其扩展到配电自动化系统。配电自动化系统基于IEC61850标准建模后，系统间的信息交互涉及到CIM和IEC61850两个信息模型。由于IEC61850标准和CIM各自制定的目标及侧重点不同，所以标准的内容及特点等也各不相同，因此要对其进行模型协调。

关于模型协调的研究，国内外给出了许多不同的方法[15]，迄今为止，还没有一个统一的方案，但协调的一般过程基本可以确定：首先，对配电自动化功能业务场景建模，得到该业务包括的全部逻辑节点；然后，在CIM类中找到与IEC61850逻辑节点对应的CIM资源；最后，实现IEC61850类中属性与CIM类中子类的映射。针对成套开关监测系统的业务需求，其协调过程可描述如下：

(1)对成套开关状态监测场景建模，得到全部逻辑节点。逻辑节点包括数据类节点LLN0和LPHD、故障录波节点RADR、存档节点IARC、人机接口节点IHMI、断路器节点XCBR、隔离开关节点XSWI、量测功能节点MMXU和MMXN、告警输出节点GGIO、电流互感器TCTR和电压互感器TVTR等。

(2)在CIM类中找到与IEC61850逻辑节点对应的CIM资源。如电流互感器TCTR、电压互感器TVTR与CIM模型中设备类的PowerTransformer类对应。IEC61850的量测功能逻辑节点MMXU与CIM模型的Measurement类对应。

(3)实现IEC61850类中属性与CIM类中子类的映射。如IEC61850的量测功能逻辑节点与CIM模型的Measurement类对应，1个电力系统资源类PSR(PowerSystemResource)可以包括0到多个量测与之相关联，可以直接包含1个量测或通过1个端点与量测相关联。根据量测类别或属性1个量测可以有1个或多个量测值。与MMXU类似，在图6中，逻辑节点XCBR代表某些负荷开关与CIM模型中Switch类中的breaker子类对应。表2罗列了状态检测系统需要用到的IEC61850数据属性和CIM类之间的对应关系。

值得注意的是，应该对场景中需要而CIM或IEC61850模型中没有涉及到的类或属性进行扩展，以满足实际需求，扩展的类及属性也要按照上述方法实现模型映射。

图6　逻辑节点与CIM模型数据映射方法

IEC61850数据属性描述CIM类mag,ang,actVal模拟值Valueattribute,如AnalogValue.valuestVal,Op,St,etc.离散值DiscreteValue.value,ValueAlias-Set,ValueToAliasq质量MeasurementValueQualityclasst时间戳MeasurementValue.timeStampattributed描述Measurement.description,fromIdentifiedObjectu单元Unitclassdb截止RemoteSource.deadbandattributerangeC警报限制AlarmlimitsAnalogLimitSetclass,AnalogLimit.valueattribute

参照以上描述的协调过程，其他所有逻辑节点都可按此方法实现模型中类、属性和关系的映射，最终完成模型的协调工作。

5结论

配电成套开关状态监测系统可提高配电网的运行可靠性。为了解决其互操作性问题，本文对其进行了基于IEC61850标准的信息建模和功能建模，并考虑业务处理的跨系统需要，分析了IEC61850和CIM的协调问题，给出了协调的一般过程。

本文的主要工作包括：

(1)给出了基于IEC61850的成套开关状态监测系统架构以及在线监测系统故障处理顺序图，并以SF6气体泄漏为例，给出了业务处理的具体过程，描述了成套开关状态监测系统的信息交互过程。

(2)对成套开关状态监测系统进行了基于IEC61850的信息模型和功能模型构建。详细介绍了信息建模的具体过程，从逻辑设备划分，根据功能要求为逻辑设备分配逻辑节点，到选取监测对象的数据属性。最后给出了各逻辑节点相互配合完成状态监测系统的功能模型。

(3)分析了成套开关状态监测的信息交互需求和涉及到的信息模型，给出了CIM和IEC61850模型协调的一般过程。

基于IEC61850和CIM的成套开关状态监测系统研究可为基于国际标准的配电自动化系统建设提供参考。

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Research on Distribution Automation Switchgear Status Monitoring System Modeling Based on International Standards

GUJianwei1,LIJia2,LIZixu2,ZHANGTiefeng2

(1.HangzhouPowerSupplyCompany,Hangzhou310009,China; 2.SchoolofElectricandElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071003,China)

Abstract：To improve the security and reliability of distribution equipment and the interoperability of automation system,IEC61850 is adopted in this paper to provide a frame of aswitchgearstatus monitoring system and construct the information modeling and function modeling.The information modeling includes temperature monitoring, mechanical characteristic monitoring and SF6 gas leakage on-line monitoring, and meanwhile a model harmonization process model of the IEC61850 and CIM is given. First, the switchgear status monitoring system architecture is analyzed, and the fault processing sequence diagram of the on-line monitoring system is presented, subsequently SF6 gas leakage monitoring is illustrated as an instance. Then, logical nodes defined in IEC61850 are used to model electrical equipment, status monitoring, transformer and other distribution switchgear status monitoring devices. Finally, according to the interaction requirements shown in sequent diagram, the harmonization process model of the IEC61850 and CIM are presented. The work provides a reference for developing international standard based distribution automation related businesses.

Keywords：IEC61850; CIM;switchgear;model harmonization; distribution automation

收稿日期：2016-03-17。

基金项目：教育部中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2014MS101)；国网浙江省电力公司科技项目(5211HZ1352TZ)。

作者简介：顾建炜(1976-)，男，高级工程师，主要研究方向为配电自动化及电力信息系统研究与建设工作；通信作者：张铁峰，E-mail：ncepuztf@126.com。

中图分类号:TM76

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.05.007