基于IEC 61850的电能质量数据集成系统设计

蔡维，袁翔，刘澜涛（.国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京　00045；.国网冀北电力有限公司，北京　0005；.北京煜邦电力技术股份有限公司，北京　000）

基于IEC 61850的电能质量数据集成系统设计

蔡维1，袁翔2，刘澜涛3
（1.国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京100045；2.国网冀北电力有限公司，北京100053；3.北京煜邦电力技术股份有限公司，北京100013）

电能质量集成技术统一是实现电能质量集成平台高兼容性的关键，搭建了电能质量集成终端硬件框架，对电能质量数据集成网络结构和统一模型需求电能质量集成终端模型进行设计，从6个模块对电能质量集成终端模型进行设计。本系统设计了的电能质量综合服务主站系统可根据用户权限设定方便管理用户使用。

IEC 61850；电能质量；统一建模；网络终端

目前，大量工业设备和家用电器使得电网的电能质量逐渐恶化，而人们日益提高生活水平应用了大量电子类高科技产品，对电网的电能质量提出了越来越高的要求。建立一套完善、高效、覆盖电网的电能质量数据采集与分析系统已势在必行。

论文在基于IEC-61850标准体系下，对电能IEC61850标准是电力系统自动化领域唯一的全球通用标准，使得智能变电站的工程运作标准化，同时规范、统一了智能变电站的工程实施。IEC61850标准具有很多优势：

1）对变电站内IED（智能电子设备）间的通信进行分类和分析，针对变电站装置间和变电站对外通信的10种类型进行分类和甄别。

2）不同的通信，不同优化方式。引入面向通用对象的变电站事件（GOOSE）、采样测量值（SMV）和制造报文规范（MMS）等不同通信方式的通信方式，满足变电站内装置间的通信需求。

4）建立装置的数字化模型，理顺功能、IED、LD（逻辑设备）、LN（逻辑节点）概念的关系和隶属。统一功能和装置实现直接的规范。

5）首次提出过程层概念和解决方案，使得电子式互感器的得以推广和应用。

电能质量检测系统在向网络化、标准化发展，省级的电能质量信息平台要求实现不同厂家的，不同型号的检测终端可以直接接入主站，即要求即插即用和灵活替换，从而实现在线检测系统的融合集成。但是目前的电能质量监测平台存在多个中间问题，包括厂家多样但是通行规约不统一；总站与子站间的系统通信段不可控；最主要的还是电能质量终端的设定值等的交互复杂。因此，对电能质量数据集成网络结构和统一模型尤为重要。

Project Supported by the Science and Technology Project of State Grid Corporation in 2012（521001130465）.

1　电能质量数据集成网络结构和统一模型需求

根据国家电网公布的信息系统设计框架，电网生产管理系统的重要主成部分包括输变电状态监测系统，其中，输变电状态监测的关键组成部分是电能质量在线信息平台。根据国家电网公布的原则——“两级部署、三层应用”，文中采用两层式结构电网电能质量监测平台。在两层式结构中，变电站直接接入到省级监测平台，这样更有利于省级监测中心对变电站监测设备进行直接管理，但对监测主站平台的要求较高。若电能质量监测终端支持IEC 61850标准，则可直接接入变电站状态并接入控制器，若不支持IEC 61850标准，则需通过接入综合监测单元进行转换，进而间接接入，省级电能质量信息平台数据采集网可以直接采集变电站的数据信息，变电站电能质量集成示意图如图1所示。

图1　变电站电能质量集成示意图Fig.1　Schematic diagram of substation power quality integration

IEC-61850标准采用面向对象的分层结构体系，在逻辑上主要定义了6个层次，包含服务器，逻辑设备等。它们之间是递进包含的关系，即逻辑设备包含于服务器，逻辑节点包含于逻辑设备，以此类推。此外，结构体系中还包括了其他功能模块，如数据集、日志及定制组控制块等。基于IEC-61850，电能质量监测业务需求设计有如下特点：

1）指标数据复杂，分布广泛，数据类型各异。数据的复杂性在于数据类型的多样性，有实时。统计、报表及日志等数据。本论文按照IEC61850-7-4第2版规定，通过采用相同逻辑节点的不同实例来区分同一电能质量指标的不同数据类型。

2）不确定性。受数据组织的自由灵活性影响。从业务角度，电能质量谐波指标应由数组形式取代原始DA表达，应用HWYE公用数据对象建模，将常用的DA表示方法转换为可以直接使用的DA组件嵌套构成或者不确定层数的数据组件嵌套构成。由于具体的组成实现不同，对象模型体系就不同。导致相同产品的不同配置或不同产品构成的设备模型存在多样性和不确定性。

3）灵活性。影响检测灵活性的因素有很多。如厂家不同等原因造成的设备型号各异；电能质量监测网的监测点多；增长速度快以及随着负荷迁移发生变化。因此监测网建设和管理者希望在新建监测点时平台时尽可能少地进行轻量化组态和调试，实现终端即插即用；设备更换时后台不需要重新组态，实现灵活互换。

基于上述3个特点，在电能质量监测终端统一建模是工程调试和系统高效运行及维护的最优选择。本文从应用角度，对电能质量终端统一建模，在规范化模型的基础上，电能质量终端统一采用相同模型结构，从而使得模型验证、组态和调试工作等工作显著减少，同时可以实现即插即用，满足了管理平台对数据采集、数据转存、数据监视与预处理安全高效处理的要求。

2　电能质量集成终端硬件框架

电能质量综合服务系统采用分布式结构，国网本部主站和省级主站都主要由数据服务器、通信服务器、Web服务器等构成。该系统的硬件基本架构如图2所示。国网本部主站的通信服务器用来级联通信网络中的省级主站系统，对级联系统进行通信和数据转发服务；省级主站的通信服务器用来级联通信网络中的下级监测终端和上级国网本部主站系统，对级联系统进行通信和数据转发服务；数据服务器和磁盘阵列用来保存数据信息；web服务器用来为工作站中的客户端程序提供web服务；工作站用来安装客户端程序，使用户可以使用系统的应用功能；工作站可以使用打印机打印报表、图形等文件。

3　电能质量集成终端模型设计

电能质量集成终端模型设计包括稳态数据测量建模、稳态越限建模、稳态数据信息传输建模、暂态事件测量建模、自定义触发和即时录波模型和报告服务模型。

图2　硬件基本架构图Fig.2　Diagram of basic hardware architecture

3.1稳态数据测量建模

依据电能质量标准，同时满足实际应用需求，电能质量稳态数据包括如下几个方面：电压偏差和合格率，电压/电流有效值；分三相电压/电流不平衡度及各序分量，电压波动值和长时闪变；功率包括分相和总体，有功、无功、视在功率，功率因数，频率和频率偏差、合格率；谐波电压总畸变率及各次谐波电压含有率，总谐波电流及各次谐波电流幅值，谐波电流总需量畸变率，各次谐波相角等。从实时和定时两种记录数据形式考虑电能质量稳态数据。

电能质量通常是指在电力系统提供的优质电能率。可以通过对电能质量中的电压、电流、频率的合格率等情况来判定电能质量，而且可以通过这些指标的统计数据判断电力系统是否是安全可靠运行的。电能质量问题中主要包括电压和电流质量问题。其中电压质量问题存在多种情况，如瞬时过电压或跌落、各相电压不平衡、谐波畸变等；而电流质量问题是由于电子、电力等设备或非线性负荷的加入，使得电网带来的谐波电流、不平衡负荷电流、无功、低频负荷发生变化，造成闪烁等电流畸变的问题。分析和归纳电能质量问题的，将电力系统中的电能质量问题分为两大类：第一类，稳态电能质量问题；第二类，暂态电能质量问题。其中，第一类稳态电能质量问题主要在波形畸变方面的问题上体现，在谐波、间谐波以及噪声等方面体现；而第二类暂态电能质量问题则通常在频谱和暂态持续时间方面体现，暂态方面的电能质量问题主要分为脉冲暂态和振荡暂态两大类。稳态电能质量问题也就是电力系统在稳态运行的条件下电力设备所具有的各方面的电能质量的参数。其中，描述稳态电能质量的指标多样，包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、总谐波畸变率等指标。这5项常规指标是电能质量非常重要的稳态性能指标，对电力的安全、稳定、经济输送起着重要作用。

在逻辑节点组M中，稳态数据测量的逻辑节点包含了MMXU、MHAI、MSQI、MFLK。

在IEC 61850-7-4第2版中，对电能质量模型做了大篇幅修改，被电能质量国标中规定的电能质量参数基本被涵盖。但为了满足业务，全面覆盖电能质量，对相关逻辑节点的数据对象（DO）进行了扩充，扩充如下：扩充5个DO—MHAI节点，其中有相电压基波有效值、谐波相电压含有率序列等；扩充4个DO—MSQI节点，如电压负序不平衡度、电流负序不平衡度；扩充3个DO—MMXU节点，如电压偏差、位移功率因数。

3.2稳态越限建模

针对每个电能质量的稳态指标，选取了5个参量作为预警基础数据，分别为电压偏差、频率偏差、三相不平衡、长时闪变和总谐波畸变率的预测数据，统计当天每个电能质量稳态指标的预警基础数据与该指标的CP95限值的偏差百分比。情况一，偏差百分比小于第一设定闪值，则说明电能质量稳态指标未超标；情况二，偏差百分比大于等于第一设定阈值并且小于第二设定阈值，则给出三级预警；情况三，偏差百分比大于等于第二设定阈值并且小于第三设定阈值，则给出二级预警。提取预测的各项指标数据，再分别与数据库中的稳态数据的各项指标限值表进行比较，通过计算得到的百分比，就可以判断其预警的级别。

实现稳态事件告警的关键环节是电能质量稳态指标越限定值，由于IEC-61850标准未对M组模型的定值进行细化，本设计对稳态触发定值进行规定细化。具体如表1所示。

表1　逻辑节点扩充情况一览表Tab.1　A list of logical node extensions

3.3稳态数据信息传输建模

电能质量信息平台IEC 61850客户端的功能要求高于一般保护和测量设备的IEC 61850客户端，需完成连接、准确高效的数据采集及转存和完整统一的服务管理，因此从2个方面提高效率。方面一：对数据集统一建模。方面二：将通信服务标准化。本设计做的工作是对规范逻辑设备的层次模型，建立了3个数据集，即实时、统计、报表及稳态越限数据集。

参照文献［1］规定，不同逻辑节点定值触发告警信息，稳态参数越限信息传输模型如图3所示。

图3　稳态参数越限信息传输模型Fig.3　The information transmission model of the steady state parameter

3.4暂态事件测量建模

对使用用户和国家电网而言，电能质量中的暂态事件比部分（例如：谐波、不平衡等）稳态电能质量问题更加频繁、危害更大。因此实现对暂态事件进行监测和捕捉已经是电能质量监测终端必须实现的功能之一，同时需实现记录相关数据用于后续分析。对于多相系统而言，不同相上也可能同时发生不同类型的暂态事件，因此实现对每相分别进行电压暂态事件的监测也是电能质量监测终端所必备的功能，电能质量监测终端需要记录的数据包括以下2点：1）暂态事件特征值：暂态事件发生时刻、发生时的特征幅值和暂态事件持续时间；2）三相电路的电压、电流波形数据等。电能质量暂态事件分析的最主要信息是波形数据。由于电能质量监测终端自身的采样频率较高且有大量的波形数据，同时暂态事件的持续时间具有不确定性，因此监测终端无法记录下每次暂态事件的完整波形。针对这种情况下可有两种处理方法：

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1）针对长时暂态事件。在扰动发生和结束时，监测终端记录下波形；在扰动期间，高速记录电压、电流变化的RMS曲线。

2）在扰动发生时，监测终端记录下波形，并统计扰动期间的特征幅值和持续时间。

目前，对暂态电能质量检测是个难点，己有的暂态电能质量检测的分析方法主要包括时域分析法、频域分析法、基于数据变换的分析方法和基于人工智能的方法。由于系统内部故障或是遭受外界干扰所引起的系统冲击，暂态电能质量具体的包括电压凹陷、电压暂升、短时电压中断、冲击脉冲以及振荡。

根据IEC 61850标准，在逻辑节点组Q中包含了捕获电压有效值变动的电压暂升、捕获电压瞬变电压暂降、捕获电流瞬变电压中断及电压电流瞬变等相关逻辑节点。

波形记录功能可分为两类，一类是模拟量通道逻辑节点类；另一类是状态量通道节点类。

3.5报告服务模型

通过划电能质量数据类型划分3种不同的报告服务功能模型来实现IEC 61850服务功能的标准化管理。对应关系如下：

实时数据且为非缓存报告，负责完整性周期上送和总召唤。在非缓存报告控制块下，位于逻辑设备PQM的LLN0逻辑节点下完成。

统计数据且为缓存报告，主动上送，完成完整性周期上送和总召唤，在缓存报告控制块下，位于逻辑设备PQM的I，I，NO逻辑节点下。

报表数据且为缓存报告，主动上送，周期性上送时间间隔为一天，应支持总召唤。在非缓存报告控制块下，位于逻辑设备PQM的I，I，NO逻辑节点下。

3.6日志服务模型

对于电能质量监测终端而言，为了实现在装置侧存储数据功能，保证在长时间中断通信情况下保证监测平台的数据完整性，引入日志功能。

日志循环存储原则为“先进先出”，自动覆盖。一个逻辑设备中只有一个日志缓冲区。客户端进可以通过条目标志和条目时间来查询。

日志条目的存储受日志控制块控制。日志的关联数据集由日志控制块来定义，但数据集成员值发生改变，日志条目就会更新存储。一个日志可对应一个或者多个日志控制块，日志控制块和定数据集是一一对应的关系。所有的日志控制块均位于逻辑设备的逻辑节点I，I，NO下，向逻辑设备的日志缓冲区写入数据。

客户端按照时间读取日志流程如下：

1）客户端成功接收到的报告，将存储报告时间T和报告条目标志E存储起来。

2）客户端与服务器端之间通信先中断后恢复，客户端便可以通过自身最后存储的报告条目标志去开启报告，获取接收到的报告的条目标志和报告时间。若条目标志E与Enew不连续，需要启动数据追补流程。

3）当出现报告条目标志E与Enew不连续的情况下，客户端需要通过开启按时间查询日志服务的方法去追补在客户端用户存储报告时间到报告时间之间的日志条目时间日志。

4　应用实例

将江苏电能质量综合服务主站接入国网本部电能质量综合服务主站，江苏主站监测电能质量监测终端，并通过适配器转换与国网本部主站进行数据交互。通过该系统功能展示，可知系统运行可靠，能够满足业务需要，各个模块之间的调用准确无误，接口功能完善。

启动国网本部电能质量综合服务主站系统后，弹出如下图系统登录界面，在界面所指示的输入框内输入登录帐号和登录密码（如图4所示），点击登录按钮进入系统，系统主界面如图5所示。

图4登陆界面Fig.4　Log-in interface

图5 系统主界面Fig.5　System main interface

在查看历史数据时，监控显示功能、监测指标、统计分析、查询、数据展示功能可以得到展示。按照电能质量指标类型、时间段、统计指标等查询条件，获取符合条件的历史记录（如图6所示），可通过曲线、报表等方式显示，并进行输出打印。

历史数据查询通过曲线或表格等形式显示，历史数据波形显示界面如图6所示。数据分析显示界面根据要求处理得到的新数据通过曲线显示显示结果如图7所示。

针对分层分布式电能质量综合数据服务系统进行研究开发，整个系统基于分布式系统体系构建，电能质量监测终端采用IEC 61850标准接入省级电能质量综合数据服务主站，省级电能质量综合数据服务主站可以按照IEC 61970 GID标准接入分层分布式电能质量综合数据服务系统。其中电能质量监测终端与省级主站进行数据交互，国网本部主站与省级主站进行数据交互。国网主站和新建的省级主站都基于GID与CORBA分布式技术，按照分层、分布式结构组建国网统一的电能质量综合数据服务系统。

5　结语

图6　历史数据查询的曲线图显示Fig.6　Graph display of historical data query

图7　数据分析显示界面Fig.7　Data analysis display interface

目前电力企业电能质量专业做的一项工作，即电能质量集成平台的搭建，在输变电状态监测的大框架下，需考虑电能质量集成与输变电状态监测相互兼容。从工程角度，基于IEC-61850报告服务、日志服务及文件服务的电能质量集成平台建设，在降低了建设、管理和运行成本的同时，还提高了系统的稳定性、通用性和可扩展性。电能质量集成终端通过直接应用IEC-61850通信协议，对电能质量集成统一建模，实现了数据的统一采集和数据交互标准化目标，进而可以实现在间隔层和变电站层之间的数据可以直接应用。采用符合IEC61970标准的组件技术实现系统集成，可有效保证各电能质量监测子系统的接入以及与其他系统间的互联。

通过该系统的开发，能有效集成数据资源，建立统一数据视图的综合有效应用，然后进行面向全国多个省市区域的综合集成数据分析，对集成电能质量监测指标进行更高层次的统计分析，为拓展电能质量监测集成数据应用范畴，增强电能质量监测力度和广度提供技术支撑，为谐波治理的规划和方案设计提供科学的决策支持，并为集成电能质量的改善、供用电双方的协调、供用电市场的规范和最终提出有效解决措施提供基础数据和信息，也是电力系统在大数据时代一个有益尝试。同时能够保证全国大范围的对电网和电气设备安全、稳定、经济运行，保障产品质量和科学实验以及人民生活和生产的正常，也能为国家节能减排的整体设计工作提供分析依据，这关系到国民总体经济效益和整体社会效益。

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（编辑黄晶）

Design of Power Quality Data Integration Technology Based on IEC 61850

CAI Wei1，YUAN Xiang2，LIU Lantao1
（1.Electric Power Research Institute，State Grid Jibei Electric Power Company Limited，Beijing 100045，China；2.State Grid Jibei Electric Power Company Limited，Beijing 100053，China；3.Beijing Yupont Electric Power Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China）

Unity of power quality integrated technology is a key to realize high compatibility of power quality integration platform.This paper builds the power quality integrated network terminal hardware and designs the network structure of power quality date integration and the integrated terminal model of the unified demand power quality（the power quality integrated terminal model is designed from 6 modules）.The power quality integrated service system designed by this system can be easily managed according to user's authority.

IEC 61850；power quality；unified modeling；network terminal

1674-3814（2016）06-0101-07

TM64；TM743

B

2012年国家电网科技项目（521001130465）。

2015-11-10。

蔡维（1962—），男，高级工程师，研究方向为有关电能质量检测、评估以及治理措施等；

袁翔（1979—），男，高级工程师，研究方向为电能质量、无功电压；

刘澜涛（1983—），男，研究方向为电能质量分析，数据采集研究开发管理工作。