基于CIM扩展的输变电在线监测系统模型

李 为 周 琰 成永强 薛建永

（华北电力大学，北京 102206）

基于CIM扩展的输变电在线监测系统模型

李 为 周 琰 成永强 薛建永

（华北电力大学，北京 102206）

目前，多数电力信息平台所使用的IEC 61970公共信息模型（CIM）中并没有对输变电在线监测系统或设备进行建模。这也导致了不同厂商设计生产的在线监测系统和设备，往往自成体系，这也使设计和实现输变电设备状态可视化管理系统存在技术障碍。本文分析了CIM中设备建模的方法，提出了一种基于CIM扩展的在线监测系统模型，该模型对在线监测系统描述全面，具有良好的通用性和可扩展性。该模型已应用于河北省输变电设备状态可视化智能管理平台中，平台通过SVG与该模型结合，展示输变电一次设备接线图，并实现设备的实时及历史监测信息展示，运行风险预警等功能。

CIM；输变电在线监测系统；监测设备

随着市场经济的推进和电网建设的加速，为避免由定期预防性试验及定期维修引起的运行可靠性降低和经济损失，电力企业迫切地需要以输变电设备状态在线监测与诊断技术为基础的状态维修。再加上从事输变电设备状态在线监测与诊断技术开发国外商家通过商业手段，把本来还处于试运行甚至已经报废的各类在线监测设备大量销售到我国。与此同时，国内一些根本无力从事技术研发或根本不具备技术研发资格的单位，凭借粗糙仿制等方式在国内开发市场，而国内高等院校及科研院所等有能力从事这项技术研发的单位部门却由于缺乏市场能力和足够的资金，无法大批量，产业化地生产自己研制的成果[1]。这就导致了我国拥有全球领先的在线监测设备产量、销量的同时，也拥有较为落后的研究和管理水平。

CIM已经是多数电力信息平台的核心模型，但IEC 61970中并没有对输变电在线监测系统进行建模，这使得各生产厂商都自成体系，甚至设备原理也各不相同，没有一套统一的模型对其进行规范。本文根据在线监测设备应用分析的实际需求，对CIM模型进行扩展，提出一种在线监测设备建模方法，该方法直接面向设备且通用性强，可以满足台账管理、设备查询、汇总统计与关联查询等需求。

1 扩展CIM的方法

CIM模型针对于电力系统描述了综合的数据模型。然而在某些时候，该模型不能满足特定的场景需求。导致这一问题的根源是数据模型不可能包含所有可想象的对象，这样会使得模型过于庞大并且在实际中很多对象是不能预知的。因此，针对于模型的扩展在某些情况下是必须的。目前还没有一种公认的方式扩展模型。通用信息模型用户组（CIMug）推荐了一种可行的方法，可以借助于Enterprise Architect软件实现。

在扩展CIM之前，需要对整个数据模型进行全面的搜索。如果原模型中没有需求的对象或者属性，就需要对原模型进行影响度最低的扩展。为了确保这一点，禁止对原模型进行直接的改动，因此通过扩展整个类或者使用继承的方式增加所需要的属性。图1描述了模型扩展可行的工作流程。

图1 CIM扩展的工作流程

由图1分析可知，在存在合适的相似的类的前提下，可以采用继承的方式扩展CIM模型。将相似的类作为基准类放进新的关系图中。创建一个新的类，命名语义合理的名称并且与基准类建立继承关系。之后，则可以在新建的类上添加所需的属性。

2 基于CIM扩展的输变电在线监测系统模型

在线监测设备建模应该考虑模型的通用性，要求既能屏蔽各厂家保护设备的差异，又能满足台账管理、设备查询、汇总统计与关联查询等需求。

本文根据输变电在线监测实际需求，对 IEC 61970 CIM进行扩展，将输变电在线监测系统分为变电站在线监测系统（substation monitoring system）和线路在线监测系统（line monitoring system）。其中，输变电在线监测系统（monitoring system）与电网其他设备之间的关联关系通过导电设备类（equipment）来建立，并且与测量类（measurement）关联。在线监测设备按照所监测的电网设备类型，可以划分至各个在线监测单元，各在线监测单元组成在线监测系统。具体模型如图2所示。

图2 输变电在线监测系统模型

2.1 变电站在线监测系统模型

变电站在线监测系统监测与管理对象主要包括变压器、高压开关设备、电容型设备与金属氧化物避雷器等一次设备。变电站配置描述语言（SCL）是IEC 61850采用的变电站专用描述语言，SCL中的一次设备类仅仅定义了PTR（变压器）、CBR（断路器）与 DIS（开关）等设备类型代码，没有针对变电站在线监测设备的分类、资产、组成等基本属性进行明确定义[2]。在本模型中，变电站在线监测系统（substation monitoring system）与变电站其他设备之间的关联关系通过变电站类（substation）来建立。具体模型如图3所示。

变电站在线监测系统由变压器监测单元，断路器监测单元，容性设备监测单元以及环境检测单元等4个监测单元组成。在线监测单元的划分主要依据SCL中定义的一次设备类以及国家电网标准[3-4]。其中，环境检测单元也是输电线路在线监测系统的组成部分，两个系统中该单元中的监测设备，监测方式，监测项目等并没有太大差异，都是对变电站（输电线路）周边温度，湿度，风速等环境因素的监测，因此没有分别建模。

图3 变电站在线监测系统模型

变压器监测单元针对的是变压器及其附属设备运行状态，该单元包括以下8种监测设备（局部放电监测设备也属于断路器监测单元）：

1）油中溶解气体监测设备。主要监测氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙块、一氧化碳、二氧化碳等多种气体的含量及增长率。通常安装在750kV及以上油浸式变压器、电抗器以及±400kV级以上换流变压器上。

2）顶层油温监测设备。顾名思义，其主要监测变压器绝缘油顶层油温。

3）微水监测设备。主要监测变压器绝缘油中微量水分含量。微量水分会降低设备的绝缘性能，甚至导致重大事故。多配置于 500kV（330kV）及以上油浸式变压器和电抗器。

4）中性点电流监测设备。主要监测中性点电流大小。中性点流入直流电流将导致变压器饱和，会引起一系列问题，例如变压器发热严重、噪声变大、振动加剧等。

5）有载分接开关监测设备。主要监测开关的机械特性，触点温度，切换波形，偏离电压等。有载分接开关的可靠与否，直接影响到整台变压器的使用可靠性。

6）铁心接地电流监测设备。主要监测铁心接地电流大小。铁心/夹件中一旦出现两点或多点接地，在其内部就会产生环流，甚至造成局部烧损。主要配置在220kV级以上变压器上。

7）变压器局部放电监测设备。主要监测放电量，放点位置，脉冲数等。

断路器监测单元针对的是断路器/GIS等设备的运行状态，该单元包括以下4种监测设备：

1）断路器机械特性监测设备。主要监测断路器动作时间、触头行程、动作平均速度、刚分以及刚合位置等。机械机构的故障占高压断路器主要故障的70%和次要故障的86%。

2）SF6气体监测设备。主要监测 SF6断路器中SF6气体的温度，绝对压力，相对湿度，密度等。该设备多配置于500kV及以上SF6断路器和220kV及以上GIS。

3）分/合闸线圈电流波形监测设备。主要监测线路电流波形和线圈电流波形等。一般220kV及以上SF6断路器和GIS设备应配置该在线监测设备。

4）断路器局部放电监测设备。功能与变压器局部放电监测设备类似。若 220kV及以上断路器或GIS局部带电检测异常，则最好配置该监测设备。

容性设备监测单元主要针对采用电容绝缘结构的设备，如（变压器）套管、电流互感器、耦合电容器等，这里把金属氧化物避雷器也算在其中[5]。该单元包括以下3种监测设备：

1）绝缘监测设备。主要监测电容，介质损耗，泄露电压等。

2）避雷器监测设备。主要监测全电流，阻性电流，计数器动作次数等。存在缺陷（含家族性缺陷）或运行超过15年的220kV及以上避雷器应配置避雷器监测设备。

3）套管监测设备。主要监测套管外绝缘爬距，套管外观，介质损耗等。一般220kV及以上变压器（电抗器）套管应配置套管监测设备。

2.2 输电线路在线监测系统模型

从硬件配置上看，当地监测中心、监测基站和导线上的监测仪器是输电线路在线监测系统的3个组成部分。其中，当地监测中心多位于当地中心机房；杆塔上主要安装有塔身倾斜监测装置、气象环境观测站和监测基站等；监测仪器则包含有导线舞动监测设备，导线振动监测设备、弧垂/温度监测设备、风偏监测设备、等值覆冰厚度监测设备等，根据监测对象的不同，这些设备安装在地线、导线、引流线以及绝缘子线夹等处[6]。输电线路在线监测系统（line monitoring system）与电网其他设备之间的关联关系通过线路类（line）来建立。具体模型如图4所示。

图4 输电线路在线监测系统模型

输电线路的在线监测可以有效地预防输电线路故障的发生，减少不必要的支出，最终大幅度的提升输电线路的检修工作的效率。该系统由架空线路监测单元，电力电缆监测单元以及环境检测单元等3个监测单元组成。监测单元的划分主要依据输电线路的种类。

架空线路监测单元针对的是架空线路及其附属设备运行状态，该单元包括以下9种监测设备：

1）导线舞动监测设备。主要监测各监测点多方向的风速加速度，推导出线路的舞动的相关参数。这种设备一般配置在大档距，易覆冰的线路上。

2）线路避雷器监测设备。与容性设备监测单元中的“避雷器监测设备”功能类似，不再赘述。

3）杆塔倾斜监测设备。主要监测杆塔横向以及顺线倾斜情况、微气象条件等。该设备主要安装在采空区，沉降区，不良地质段等。

4）绝缘子污秽监测设备。主要监测绝缘子污秽度（盐密/灰密）和绝缘子泄漏电流。目前绝缘子污秽监测设备缺少实际应用，一般在试点工程中少量应用。

5）微风振动监测设备。主要监测导线的振动弯曲幅度和频率等。一般配置在大跨越和观测到较大振动的档距。

6）风偏监测设备。主要监测仰角和偏角、跳线风偏角、最小电气间隙等。该设备可以为监测点所在线路设计和风偏校验提供实验依据。一般仅在设计需要时选用。

7）等值覆冰厚度监测设备。主要监测绝缘子串悬挂载荷或线夹出口处导线倾角，绝缘子串风偏角等。该设备多安装在重冰区部分区段线路，易覆冰特殊地理环境区和冬季易覆冰舞动区等区域。

8）温度/弧垂监测设备。对导线的弧垂、温度进行监测。主要配置在的重要线路以及重要跨越段。

9）图像视频监测设备。主要用于对输电线路及周边环境进行可视监控。主要配置在外力破坏易发区，火灾易发区，易覆冰区，通道树木（竹）易生长区，偏远不易到达区等区域。

电力电缆就是在城市地下敷设的输电电缆，电力电缆监测单元针对的是电力电缆及其附属设备运行状态，该单元包括以下5种监测设备：

1）红外热成像温度监测设备。主要检测电缆敞开式终端或安装在工井或隧道里的电缆接头的温度。

2）电缆内油压监测设备。主要监测充油电缆内油压。一般配置在电缆塞止接头、终端处。

3）电缆油中溶解气体监测设备。同变压器监测单元中“油中溶解气体监测设备”功能类似，只是监测对象变为充油电缆内绝缘油。一般配置在电缆接头、终端处。

4）光纤温度监测设备。主要监测电缆护套温度和导体线芯温度。以此为依据，分析推导出监控电缆的实时载流量。

5）电缆局部放电监测设备。同断路器监测单元中“局部放电监测设备”功能类似，一般来说，在线局放监测只针对充油电缆，油纸绝缘电缆只需要离线局放监测就可以满足其安全运行的需要[7]。

风速风向仪、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、光辐射传感器、雨量传感器和气象观测基站组成了一个输电线路环境监测单元。输电线路的安全运行与气象条件有着密不可分的关系。

3 应用实例

3.1 基于SVG的输变电一次接线图

使用SVG文档格式描述电网设备模型，是输变电设备状态可视化智能管理平台解决电网设备可视化问题的方式。该系统建立了电力SVG图形与CIM之间的关联并设计实现了它们的数据交换方式[8]。系统实现电力SVG图形的Web发布，而分层的信息展示机制，可以让用户在浏览器层面实现图层控制[9]。一次接线图是输变电系统的实时监控画面，图5是系统的一次接线图界面。

图5 一次接线图

3.2 设备状态信息展示

该系统实现了设备状态查询以及历史状态曲线查看等功能，通过多样的展示手段为用户展示各类实时监测数据，同时系统还提供丰富的数据分析处理功能。

点击图上的监测点会进入相应的历史曲线查看功能，可以从年、月、日3个维度进行历史曲线的分析，计算在所选维度范围内监测数据出现的最大值、最小值和平均值，有助于分析设备的历史状态。历史曲线展示如图6所示。

点击接线图上的设备能进行关联设备的查询，可以查询设备基本台账信息以及状态监测信息，有利于用户对该设备整体状态的掌握。图7是设备状态及走势图。

图6 历史曲线查询

图7 设备状态及走势

3.3 电网运行风险预警

根据设置的报警策略发现不良状态后，系统会将不良状态突出显示给用户，保证用户能及时发现危险所在。以下系统分析断路器监测单元的监测数据后，得出的断路器家族性缺陷，如图8所示。

图8 断路器家族性缺陷

4 结论

目前，信息集成和共享是电力企业信息化发展的重要方向，其基础就是要建立包括电网所有设备模型在内的综合电网模型。而输变电在线监测系统正是智能电网的一个重要组成部分，本文对CIM进行了扩展，对输变电设备在线监测系统的电网结构的建模进行了全面分析研究，最后提出了一种输变电在线监测设备模型，这将对输变电在线监测系统的研发以及现有监测设备生产规范的完善具有参考价值。

[1]孙才新.输变电设备状态在线监测与诊断技术现状和前景[J].中国电力,2005,38(2)：1-7.

[2]陈根军,周红阳,李文云,等.基于CIM扩展的通用保护模型及其应用[J].电力系统自动化,2012,36(24)：49-53,78.

[3]国家电网公司,DW 534—2010.变电设备在线监测系统技术导则[S].2011.

[4]国家电网公司,DW 616—2011.基于DL/T 860标准的变电设备在线监测装置应用规范[S].2011.

[5]王德文,阎春雨.变电站在线监测系统的一体化建模与模型维护[J].电力系统自动化,2013,37(23)：78-82,113.

[6]高超.输电线路在线监测的建设与应用[D].北京：华北电力大学,2013.

[7]张村.电力电缆在线监测系统的研究与设计[D].成都：电子科技大学,2012.

[8]许杨.基于SVG的电网实时数据动态显示技术的研究[D].北京：华北电力大学,2014.

[9]王晓辉.基于SOA的电力GIS平台及关键技术研究[D].北京：华北电力大学,2012.

The Power Transmission and Transformation On-line Monitoring System Model based on CIM Extension

Li Wei Zhou Yan Cheng Yongqiang Xue Jianyong
(North China Electric Power University,Beijing 102206)

Most power information platforms are using IEC61970 common information model（CIM）which has not focused on the on-line monitoring system at all.This is also the reason why each manufacturer produced its own productions and they usually have their own designing system.This situation has already become an obstacle for designing and implement the visual management system for power transmission and transformation equipment.This paper analyzed the method to extend CIM and proposed a CIM extended power transmission and transformation on-line monitoring system model which is able to comprehensively describethe monitoring equipment.This model shows a strong versatility and scalability while it’s used in power transmission and transformation equipment status visual management system.The system shows the main connection drawing through combining this model with SVG.

CIM；on-line monitoring equipment；monitoring device

李 为（1964-）女，教授，硕士生导师，主要从事计算机网络与应用方面的研究工作。

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2015MS23）