CN102368634A - 智能变电站状态监测统一信息平台系统 - Google Patents

Abstract

智能变电站状态监测统一信息平台系统，基于先进性原则、集中化原则、实用性原则、“即插即用”原则，整体结构分就地监测层、站内数据平台、远方综合数据平台、高级应用层，由4层结构组成的状态检修系统，形成了集中的、多级的、远程的数字状态检测与诊断网络系统，完成状态监测数据的采集、传输、存储与应用，解决了以往状态监测系统的常见弊端。本发明的实施有助于形成状态检修的统一模式与统一规划，实现设备检修逐步由计划检修向状态检修过渡，并为建设以“设备状态数字化和状态检修”为主要特色的智能变电站系统并为提升资产全寿命周期管理水平提供技术准备。

Description

智能变电站状态监测统一信息平台系统

技术领域

本发明涉及电力系统，尤其是一种对变压器、套管、GIS、避雷器、CT、断路器、闸刀等电力系统各种类型的高压设备进行状态监测的统一信息平台系统。

背景技术

2009年7月11日国家电网公司在年中工作会议上公布了智能电网规划。中国式智能电网将是以特高压电网为主干网架，各级电网协调发展的坚强电网为基础的，利用先进的通信信息和控制技术，构建以信息化、数字化、自动化及互动化为特征的自主创新、国际领先的智能电网。其特征将包括在技术上实现信息化、数字化、自动化和互动化，同时在管理上实现集团化、集约化、精益化和标准化。

智能变电站是智能电网的物理基础，也是智能电网建设中变电站的必然趋势。为了支撑和引领智能电网的建设，国家电网公司要求由国网电科院牵头起草《智能变电站技术导则》，导则按照统一坚强智能电网的目标，在数字化变电站的基础上，提出了智能变电站的技术导则，适用于110kV(包括66kV)及以上变电站实现智能变电站的规划、设计、建设、调试、验收、运行维护、监测评估等。智能变电站将基于IEC61850标准的无缝实时通信系统，由相互通信的智能电子装置实现变电站的智能预警监控功能。作为智能变电站的重要特征之一，对状态在线监测装置及高级应用功能进行标准化的规划设计，是智能变电站设计工作的必要内容。

随着电力工业的快速发展，电力用户对供电可靠性的要求越来越高。电力体制改革的不断深化，使国家电网公司面临更多的挑战。电网规模迅速扩大，设备检修任务和检修人员的矛盾日益突出。传统的设备定期检修模式是否适应当前的电网发展，是否需要逐步采用更科学合理的检修管理策略，如何把握设备维护管理策略发展方向，如何规避在管理模式转变过程中可能带来的安全风险等，都是摆在我们面前亟待研究解决的课题。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种智能变电站状态检测统一信息平台系统，以解决上述背景技术中的缺点。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

智能变电站状态检测统一信息平台系统，根据先进性原则、集中化原则、实用性原则、“即插即用”原则来实现，整体结构分4层：就地监测层、站内数据平台、远方综合数据平台、高级应用层。总体来说，由4层结构组成的状态检修系统，形成了集中的、多级的、远程的数字状态检测与诊断网络系统，完成状态监测数据的采集、传输、存储与应用，解决了以往状态监测系统的常见弊端。该系统具有以下特点：

(1)实现了各监测量的集中显示、统一维护、综合分析诊断。

(2)对各状态参量的数据通信格式进行了统一定义，采用了统一通信标准。

(3)应用IEC61850通信规约，提高了对其他系统的接入能力，对目前还不具备IEC61850通信能力的在线监测设备预留扩展接口，预留升级空间。

就地监测层：就地监测层通过安装于变电站现场的各种状态监测终端，在线完成电力设备状态的数据采集。

站内数据集成平台：站内数据平台通过部署于变电站内的通信对象服务器、嵌入式操作系统及应用软件，实现以下功能：监测装置数据的采集，站内数据的暂存和初步诊断，站内通信协议的统一，对外提供统一的基于IEC61850的通信接口，站内数据同远方数据平台的通信。该站内平台应符合数字化智能变电站通信标准设计的要求。

远方综合数据平台：远方综合数据平台可部署与变电站主控室也可部署于集控站，功能有：建立基于CIM的统一状态检修系统模型；整合现有各个监测装置发送上来的数据，进行统一编码和提供统一的模型参数服务；建立实时数据库，为诊断系统决策应用提供标准的实时数据服务；进行时间序列存盘，保存历史数据提供标准的历史数据服务；对外提供标准的符合IEC61790/IEC61968的标准CIS接口；建立与SCADA系统和生产管理系统的接口，获取相关数据；实现设备状态和分析诊断数据的综合发布平台；提供系统安全监控、网络管理、权限管理、图形及报表、日志等系统运行基础构件，通过标准接口体系实现与其他系统数据交换，并提供高级应用开发接口库，从而为电力系统运行管理部门提供丰富完备的设备状态信息和设备诊断分析技术支撑平台标准体系。

高级应用层：高级应用层是在综合数据平台的基础上，开发设备远程诊断与综合评价等定制应用模块，实现电力设备的故障诊断、状态分析、评估等高级应用功能。

有益效果：

本发明的实施有助于形成状态检修的统一模式与统一规划，实现设备检修逐步由计划检修向状态检修过渡，并为建设以“设备状态数字化和状态检修”为主要特色的智能变电站系统并为提升资产全寿命周期管理水平提供技术准备。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。

智能变电站状态检测统一信息平台系统，根据先进性原则、集中化原则、实用性原则、“即插即用”原则来实现，其中：

先进性原则：对系统的各个组成模块的设计，包括诊断技术、现场监测技术、信息系统的架构等，都经过充分的调研，最大可能地确保系统所用的各项技术的先进性，不会在未来若干年内落后淘汰，使投资得到最大程度的保护。

集中化原则：以往的信息孤岛现象是由于缺乏全面的规划，造成信息分散、不共享的情况，信息系统建设方向定位应为：实现企业信息的集中化管理，具体从2个方面来实现：集中管理、分层控制的原则和数据集中的原则。

实用性原则：系统中的状态监测装置必须满足生产实际需要，能够保证长期稳定工作、数据正确。产品选型应进行充分的调研，安装前进行严格的出厂验收。

“即插即用”原则：系统的数据平台不仅仅满足现有需求，还要有充分的延展性和持续性，因此，对于技术路线的选择至关重要。从信息的采集端来说，数据平台需要接入不同的监测装置，数据平台应能消除不同装置采集数据的模型和接口的障碍，让这些装置信息能够方便的接入。考虑系统接入多样性，应采用先进的网络技术和数据通讯技术，以及国际标准和行业相关标准，增强扩容系统的可适用性，并为以后接入其他新增应用提供统一的模型，满足“即插即用”的扩展要求。

所述系统的结构由四层组成：就地监测层、站内数据平台、远方综合数据平台、高级应用层。其中：

就地监测层：就地监测层通过安装于变电站现场的各种状态监测终端，在线完成电力设备状态的数据采集。其测量原理包括：

①绝缘监测单元工作原理：FMU系列绝缘监测单元，是为满足变电站高压设备绝缘在线监测特殊需要而开发的智能化监测装置。它就地完成数据信息的采集与计算，并将结果上传至站CMU。装置的基本工作是：采集所监测设备的电压和电流信号，采用优化的傅立叶分析法，求得其幅度、相位，进而得到所需的泄漏电流、介损以及阻性电流等电气参数。

对于容性设备，通过高精度传感器，FMU-C测出设备末屏电流的幅度和相位以及与参考源的相位差，FMU-U单元测得系统电压的幅度和相位以及与参考源的相位差。通过这两信号的幅度和相位差，可计算容性设备的泄漏电流，电容及介损。对于避雷器的绝缘参数和测量采用相同原理。

②介损和电容量测量原理：电容式电流互感器、耦合电容器、CVT、电容式套管这些电容型高压设备的主绝缘都可以看作是由若干个电容器串联构成的。一次高压导体的对地电压由这些串联电容器共同承担。例如，对于某型号220kV电容式电流互感器(CT)的一次高压电容芯子，有6个“主屏”，(由铝箔或导电纸制作)，最外面直接接地的一层叫做“末屏”，每两个“主屏”之间绕制了多层的电容器纸。安装时，在真空状态下把整个电容芯子浸到绝缘油中，形成油纸绝缘，“末屏”经一个小套管引到高压瓷套外接地。这样127kV的相电压由高压导体到末屏的6个串联的电容器共同承担。电容式套管和CT具有相似的结构，它的“末屏”也引出接地。耦合电容器和CVT的高压电容内部是由多个电容串联构成的，它们的首端接高压，尾端直接接地或经通信载波机接地。

③避雷器阻性电流测量原理：在正常运行情况下，避雷器的主要电流为容性电流，阻性电流只占很小部分。当阀片老化、避雷器受潮、内部绝缘部件受损或表面严重污秽时，容性电流变化不多，而阻性电流却大大增加。故监测交流全电流及其有功分量可以完全反映避雷器的绝缘状态。

④断路器状态参数测量原理：断路器状态监测单元FMU-B主要适用于真空、SF6、少油或多油三大类不同电压等级的断路器。对断路器的状态监测分两个方面：机械特性监测和电寿命监测。断路器的机械特性主要包括传动机构和储能电机的状态。储能电机的监测包括日储能次数、单次储能时间。如储能周期缩短，单次储能时间变长，则说明储能系统已经出现了问题，如油路或气路发生泄漏、储能电机出力不够管路不畅等。传动机构的监测分合闸线圈电流波形。首先录下断路器正常状态下的机械振动″指纹波″，断路器传动机构出现卡涩、断裂、松动等问题，其振动事件频率和时间会发生改变；另外，分合动作撞击力度的改变也直接影响振动信号的幅度。传动机构异常的分合振动波形与正常状况的分合振动波形有明显区别。断路器传动机构的变异也直接影响分合闸线圈电流波形变化。分合闸磁铁线圈电流波形畸变、得电持续时间变长、从线圈通电到相应振动事件的时间变异等都是断路器传动机构存在故障隐患的表现。通过监测分合闸磁铁线圈电流波形、断路器传动机构和储能机构，对发现断路器机械故障隐患具有积极意义。

⑤断路器电寿命的标定方法：对断路器电寿命的诊断传统方法是累计开断电流和开断次数。但当被测电流相差很大时，因烧损机理不同，同样的累计电流量所造成的灭弧室烧损量却相差很大。经实践证明仅考虑累计开断电流和累计开断次数是不科学的。合理的办法是依据开断电流的大小每次累计触头烧损量作为电寿命判别的依据。

站内数据集成平台：站内数据平台通过部署于变电站内的通信对象服务器、嵌入式操作系统及应用软件，实现以下功能：监测装置数据的采集，站内数据的暂存和初步诊断，站内通信协议的统一，对外提供统一的基于IEC61850的通信接口，站内数据同远方数据平台的通信。该站内平台应符合数字化智能变电站通信标准设计的要求。

站内数据平台的主要硬件配置为：商用后台工作站1台、嵌入式通信服务器2台、局域网交换机2台

远方综合数据平台：远方综合数据平台可部署与变电站主控室也可部署于集控站，功能有：建立基于CIM的统一状态检修系统模型；整合现有各个监测装置发送上来的数据，进行统一编码和提供统一的模型参数服务；建立实时数据库，为诊断系统决策应用提供标准的实时数据服务；进行时间序列存盘，保存历史数据提供标准的历史数据服务；对外提供标准的符合IEC61790/IEC61968的标准CIS接口；建立与SCADA系统和生产管理系统的接口，获取相关数据；实现设备状态和分析诊断数据的综合发布平台；提供系统安全监控、网络管理、权限管理、图形及报表、日志等系统运行基础构件，通过标准接口体系实现与其他系统数据交换，并提供高级应用开发接口库。从而为电力系统运行管理部门提供丰富完备的设备状态信息和设备诊断分析技术支撑平台标准体系。

远方数据平台的主要硬件配置为：数据库服务器2台、WEB服务器1台、维护工作站2台、局域网交换机2台、防火墙1台。数据库开发平台可采用ORACLE10。

高级应用层：高级应用层是在综合数据平台的基础上，开发设备远程诊断与综合评价等定制应用模块，实现电力设备的故障诊断、状态分析、评估等高级应用功能。

本系统就其组成，拥有两大功能：统一信息平台功能和设备远程诊断与综合评价高级应用系统功能。

对于统一信息平台功能方面，其拥有以下功能：

1)实现分层分布式综合数据平台的结构，按照统一设计、分层分布式部署的思路，对状态检修信息平台进行全局监视管理、对平台信息进行一致性统一维护；

2)实现在线监测系统和综合数据平台的数据互联，制定数据互联规范；

3)实现高压设备状态监测数据的基于CIM的统一建模，实现状态监测数据的共享；

4)实现高压设备状态检修数据的抽取、清洗、转换和存储，实现高压设备状态检修数据中心，并实现多种方式的数据服务。

5)实现输变电设备状态检修的状态诊断、状态评估及风险评估，提供多种基本构件，使平台具备强大的二次开发能力，方便在平台上组建多种智能诊断应用；

6)实现输变电设备状态检修信息展现发布平台，提供图形、曲线、报表等数据发布工具，建立WEB数据发布平台，按设备状态分级和检修策略的紧迫性实现变电站、设备的状态、检修策略色阶方式显示。

其功能具体如下表示：

系统具备接入如下设备检测单元或系统数据的功能：系统电压监测单元，电容型设备监测单元，氧化锌避雷器监测单元，变压器铁芯、夹件及中性点接地电流监测单元，变压器油气监测单元，现场环境监测单元，开关监测单元，局放监测单元，巡视检修数据及其它数据，SCADA，生产信息管理系统。

统一信息平台的数据交换功能包括：支持多种标准接口、支持多种类型的数据交换、透明传输监控管理、数据中转功能、支持断点续传补点功能、任务状态查看功能、多种任务调度方式。

SCADA/EMS系统信息接入功能：支持同SCADA系统的数据交换。从监控系统提取数据包括，但不限于以下数据：电压、电流、油温、开关刀闸状态量。

系统支撑平台功能包括：①系统管理：系统管理是系统的核心功能，它负责系统核心的构建和维护。②系统安全：系统安全管理主要提供系统安全解决方案、保护计算机安全运行、操作系统安全策略、网络安全(防止黑客入侵)、病毒检测漏洞扫描、密码管理等。③系统监视：系统提供监视诊断工具，保证在系统即将出现故障或者出现故障时预防故障发生或者快速恢复系统，保证系统安全可靠运行。④还有网络管理、进程管理、冗余管理、实时库和日志记录。

信息服务：综合数据平台提供以下几种信息服务：历史数据发布、实时数据发布、图形数据发布、应用数据发布。

数据综合展现功能：①人机界面：系统具有分布式的全图形化人机接口，包含如下功能：窗口系统及画面显示系统、交互式操作管理、趋势曲线功能、画面的拷贝功能、记事本功能、报警功能、SVG图形格式的支持；②WEB平台：系统为用户提供统一的WEB发布平台来方便的对综合数据平台的各种模型、图形、数据进行灵活的展示。其具有以下几个功能：统一的权限管理、设备参数一体化管理、统一报表管理、统一图形发布、多数据源管理、系统通知机制、WEB浏览。

第三方二次开发支持：本系统充分考虑适应当今信息一体化系统的发展趋势，考虑到信息一体化系统不仅仅是数据整合，业务整合，还要能够支持企业在发展过程中由于业务调整而引起的二次开发需求。使企业能够做到“预制集成”，即当新功能需求出现以后，能够充分利用开发平台提供的构件包以及标准接口，用少的工作量达到快速开发的目的。

本系统应在以下几个方面体现了对此的充分支持：

1)采用CORBA技术，公共设施体系结构保证应用程序的可互操作性以及对于计算机硬件、操作系统、网络结构与通信协议、编程语言等平台的无关性。

2)对外提供标准的服务接口，如通用数据接口(GDA)、高速数据接口(HSDA)和符合XML文件格式的数据交互。

3)提供平台应用中间件的基础构件包，实现到应用级的开放。

对于设备远程诊断与综合评价高级应用系统功能方面，本系统具有独有的特点。

设备状态全景信息库：

通过统一信息平台标准接口从外部数据源获取原始数据以及其他电网运行数据，按照数据来源和数据特性不同可分为基础数据、实时数据、检试数据和其它数据四类。

1)基础数据：包含设备类型、电压等级、设备型号、制造厂、出厂日期、投运日期、安装位置、容量、价值、设计寿命等在内的输变电设备主要技术特性数据。

2)实时数据：各类在线监测数据、SCADA数据及保护测控装置信息等时间序列数据。

3)检试数据：各级检修及预防性试验采集的检修、高试、油务、继保、直流、远动自动化等数据。

4)其它数据：各类运行巡视数据、缺陷信息、红外测温信息以及污秽、雷电、气象等外部环境影响数据。

通过对不同数据类型和来源的数据进行统一建模，和标准访问和数据服务，为设备诊断分析提供完备的全景信息库。

设备管理：收集变电设备的铭牌/技术参数；日常运行维护记录；设备缺陷记录；家族缺陷记录；设备检修记录；设备试验记录；各种在线实时检测数据；通过SCADA收集运行数据；建立设备数据台帐；结合诊断、评价、风险评估结论以及上述记录建立设备健康档案卡，实现设备信息全景管理。

试验管理：通过纵横向比较设备历年各项试验(高压、油务、检修、仪表、继保、远动等各专业的所有试验)的详细信息，采用试验曲线直观地比较和分析试验数据的历史变化情况，并以不同颜色区域标明试验曲线所代表的设备状态，使设备运行状态清楚明了，同时能自动实现各种数据转换，以便于流转、修改和打印。

在线监测数据分析与预警管理：提供各类在线监测数据列表；图形曲线趋势分析；与同类设备、环境等数据的相关分析；设备在线数据分析算法库和算法配置，可供灵活调用；状态预警信息及状态图，并据此启动响应高级应用功能。

故障诊断方法：确定设备的运行状态和实施优化检修需要运用多种技术，除采用计算机技术、数据库技术、自动化技术等常规技术之外，对于数据的处理分析及诊断等方面还需利用一些较为成熟的人工智能技术如专家系统、神经网络、援例推理、粗糙集等相关技术形成一套先进而又实用的设备故障诊断技术体系。

状态评价系统：状态评价是对设备的当前状态进行判断，对设备状态等级进行划分。状态评价针对变压器、断路器和电流互感器等设备，评价类型有离线数据评价和在线数据评价两种。设备评价实行动态评价与定期评价相结合，即每次获得设备状态量后，根据状态量对设备进行评价。根据状态评价相关导则，在大多数状态量可实现自动采集的情况下，设备状态评价实时进行，即每个设备状态量变化时系统自动完成设备状态的更新。同时可根据电网实际情况，可对评价导则进行调整和修改。状态评价模块依据输变电设备状态特征量和状态评价相关导则标准，对反映设备健康状态的各指标项数据进行分析评价，并最终得出设备总体健康状态等级。

1)维护设备评价标准：依据输变电设备状态特征量和状态评价相关导则标准建立各类设备评价标准模型。

2)评价部件健康状态：依据设备状态评价标准，建立设备健康状态评价算法模型。对影响设备各组成部件健康状态的状态量逐项评分，量化评价设备各部件健康状态。

3)评价整体健康状态：根据部件状态评价结果，结合部件对设备整体功能的影响程度，采用适当的算法得出设备整体健康状态等级。

4)评价信息查询：可查询设备及各部件健康评价结果，并可详细了解评价过程及各状态量评价信息。

系统能支持按单个设备和按变电站方式的评价。

风险评估系统：风险评价模块以风险评估导则为依据，按照输变电设备风险评估的模型、流程和方法，确定设备风险值。通过识别设备潜在的内部缺陷和外部威胁，分析设备遭到失效威胁后的资产损失程度和威胁发生概率，通过风险评价模型得出设备在电网中的风险等级。

1)确定资产类别：考虑设备自身的价值、设备供电用户的重要等级和设备在电网中所处位置的重要等级三个方面确定电力设备的资产类别等级。

2)识别缺陷和威胁：分析设备功能，识别设备潜在的内部缺陷和外部威胁对设备功能的影响，并统计分析发生各类缺陷和威胁的发生概率。

3)计算损失程度：通过关联设备与缺陷(或威胁)因素，从安全性、可靠性、成本和社会影响等方面的计算威胁造成的损失程度。

4)计算风险值：综合考虑资产类别、资产损失程度和发生概率得到该设备的风险等级或分值。

5)评价信息查询：可查询设备风险评价结果，并可详细了解评价过程及各风险指标评价信息。

设备状态和风险值是检修计划安排的依据。

面向智能变电站的系统集成设计：

站内数据集成平台通信通信对象的设计和开发，充分考虑面向未来智能变电站状态监测部分功能设计的延伸性和扩展性。以下称为通信对象服务器，统一采用IEC61850通信标准。

采用以通信对象服务器为核心的系统集成设计是为了适应数字化智能变电站的改造和建设。在数字化智能变电站的改造和建设过程中，变电站自动化系统将出现下面的两种场景：

有一部分IED(或系统)支持IEC61850标准，而另一部分IED(或系统)不支持IEC61850标准，且数据模型和通信协议也不统一。

目前，在控制中心系统中，普遍遵循的是IEC61970标准，而变电站内遵循的是IEC61850标准或者其他标准。

这就造成了变电站内数据模型不统一、对外接口不统一的现象，致使用户的维护量增加，维护成本增加。通信对象服务器通过标准化数据模型，标准化对外接口，解决了这一矛盾。

通信对象服务器系统运行在变电站内，硬件平台可以是嵌入式工控机、SUN Solaris、HPUX、IBM AIX等，操作系统可以是UNIX、LINUX、WINDOWS等。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.智能变电站状态检测统一信息平台系统，其特征在于，整体结构分4层：就地监测层、站内数据平台、远方综合数据平台、高级应用层，其中：

①就地监测层：就地监测层为通过安装于变电站现场的各种状态监测终端，在线完成电力设备状态的数据采集；

②站内数据集成平台：站内数据集成平台通过部署于变电站内的通信对象服务器、嵌入式操作系统及应用软件，实现以下功能：监测装置数据的采集，站内数据的暂存和初步诊断，站内通信协议的统一，对外提供统一的基于IEC61850的通信接口，站内数据同远方数据平台的通信；

③远方综合数据平台：远方综合数据平台可部署与变电站主控室也可部署于集控站，功能有：建立基于CIM的统一状态检修系统模型；整合现有各个监测装置发送上来的数据，进行统一编码和提供统一的模型参数服务；建立实时数据库，为诊断系统决策应用提供标准的实时数据服务；进行时间序列存盘，保存历史数据提供标准的历史数据服务；对外提供标准的符合IEC61790/IEC61968的标准CIS接口；建立与SCADA系统和生产管理系统的接口，获取相关数据；实现设备状态和分析诊断数据的综合发布平台；提供系统安全监控、网络管理、权限管理、图形及报表、日志等系统运行基础构件，通过标准接口体系实现与其他系统数据交换，并提供高级应用开发接口库，从而为电力系统运行管理部门提供丰富完备的设备状态信息和设备诊断分析技术支撑平台标准体系；

④高级应用层：高级应用层是在综合数据平台的基础上，开发设备远程诊断与综合评价等定制应用模块，实现电力设备的故障诊断、状态分析、评估等高级应用功能。