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基于IEC61850的变压器智能电子测量设备的设计.pdf

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武汉理工大 学硕士学位 论文reeeivin g P aek ets o f sm v an d goo se m essag e. A n d sh o w s a system stru etUre o ftran s er lin e m on itorin g from the acqu isition lay er,eom m un ieatio n lay er,the d atalay er to ap P lieation lay er.Engineering Praetiee show s that IEC 61850一ased intelligent electroniem eas丽 n g equ iP m en t for tran s ers h av e m ore eom P ati b le w ith eleetron iem easu rin g d ev iees,m ore con v enien t in inieroP erab ility ,m ore p o w erful in d ataP roeessin g an d 50 on than the eon v entio n al electron ie m easuri ng equ iP m en t.Ke yw o rd s iee6 18 50 ,tran s er, m od elin g ,in teroP erab ility111武汉理工大学硕士 学位 论文目 录第 1 章 绪 论 .....................................................................................................11.1 传统变压器 电子测量设备 的局 限性 ....................................,............11.2 基于 iee61850 的变压器智能电子测量设备 的特点 ..............................21.3 本文研 究 目的及意义 .............................................................,二,........21.4 国内外研究水平 .......................................................................................51.5 论文主要研 究 内容与章节 .......................................................................5第 2 章 变压器测量 的关键 参数 .........................................................................62.1 局部放 电 ...................................................................................................62.2 油 中溶解气体 油色谱 ..................二.............................................72.3 铁芯接地 电流 ....................................................,................................72.4 套管 ...........................................................................................................82.5 本章小结 ...................................................................................................8第 3 章 变压器智能 电子设备 IED 建模 ................................,...............93.1 建模总体原则 ..............................,............,...................................93.1.1 物理设备建模 原则 .........................................................................93.1.2 服务器 S erv er 建模原则...........,.........................................93.1.3 逻辑设备 LD 建模原则............................................................93.1.4 逻辑节 点 LN ..........................................................................103.1.5 逻辑节 点类 型定义 .......,.........................................................103.1.6 数据对象类 型定 义.............‘...................................................103.1.7 数据属性类 型定义 .............,...................................................103.1.8 取代模型 .............................,...................................................103.1.9 模型的描述 .........................,...................................................113.2 逻辑节点 LN 实例建模 ..........,...................................................n3.2.1 LN 实例化建模原则......................................................................n3.2.2 定值建模 ........................,..,...............................................113.2.3 LN 实例化建模要求 ......................................................................H武汉理工大学硕士学位论文3.2.4 录波与录波报告模型 ....,........................................................123.2.5 开关状态监测信 息模型 ...............................................................123.3 IED 建模实例 ..........,.........................................................................133.3,1 建模 工具 ........................................................................................143.3.2 部分 xm l展示 ................................................................................巧3.4 服务 .........................................................................................................183.4.1 关联服务 .......................................................................................183.4.2 数据读写服务 ...............................................................................183.4.3 报 告服务 .......................................................................................193.4.4 控制服务 .......................................................................................193.4.5 取代服务 .......................................................................................203 4.6 定值服务 ......................................................................................203.4.7 文件服务 .........................._.....................................................203.4.8 日志服务 .......................................................................................213.5 配 置 ......................................................................,............................213.5.1 总体要求 ....................................,............................................213.5.2 配 置流程 .......................................................................................213.5,3 监测 设备配置 ...............................................................................223.6 本章小结 ..................................................................................................22第 4 章 变压 器测 量 ied 通信 的实现 .......................,....................................234.1 串 口通信 ..................................................................................................234.1.1 串 口通讯协议 的制定 ....................................................................234.1.2 V C 开发平台下 串口通讯 的实现方法..........................................234.1.3 具体过程 .......................................................................................254.1.4 串 口数据读写 ...............................................................................254.2 m m s 制造报文规范 .................................................................................264.2.1 互操作性 .............................,二,...............................................264.2.2 独立性 ...........................................................................................264.3 G O O SE 报 文 ............................................................................................304.3.1 G O O SE 报文的特 点......................................................................304.3.2 G O O SE 具体模型和服务关系......................................................30武汉理工大学硕士学位论文4.3.3 G O O SE 的模型主要指 G O O SE 控制块 ......................................314.3.4 G o o sE 服 务 ...................................................................··.·····324.3.5 G O O SE 控制 定义 .........................................................................犯4.3.6 G O O SE 服务 映射 ..........................................................................324.4 Sm v 报文 ..................................................................................................354.5 本章小结 ..................................................................................................36第 5 章 变压器在线监测系统 的设计 .....,...................................................375.1 通信层 .....................................................................................................375.1.1 数据传输通信 结构 ........................................................................375.1.2 通信设备 .......................................................................................385.2 数据层 .......................,.......................................................................395.2.1 数据库性 能指标 ...........................................................................405.2.2 xM L 数据 处理 .................................···················405.2.3 数据规范 .................................................................................,..415.2.4 数据接 口.............................,........................................,....435.2.5 数据描述 ...............................................,...,........................435.2.6 数据库设计技术 ..................,..................·················455.2.7 数据安全 与备份 .........................................................·.......·····455.3 应用层 .....................................................................................................465.3.1 平 台总体业务描述 .......................................................................465.3.2 子功能描述 .......................................................................······475.3.3 系统架构 ....................................................................................·.505.3.4 程序设计 .......................................................................................515.3.5 运行环境 ........................................................................................535.4 本章小结 ...........................................................,...............................54第 6 章 工作总结和展望 ................................················,··········556.1 论文工作总结 ...................................................................,·,..······556.2 研 究展望 .......................................,...................................................55参考文献 ......,.......................................,...................................................56致 谢 ,..........................................................二...............................................59武汉理工大学硕士学位论文第 1 章 绪 论1.1 传统变压器 电子测量设备的局限性变压器 的维修管理体制是随着 电力系统的发展而不断发展 的,从 40 年代发展至今基本上 已有三种类型的维修体制 ,即事后维修体制、预防维修体制和状态维修或预知维修体制 。在我国, 目前仍是以预防维修为主,状态维修 尚处于发展阶段 。从 50 年代起 ,各 国就 己经相继制定 出了比较规范的停 电预防性试验标准 ,通过定期对设备施加低于运行 电压 的试验 电压进行非破坏性试验 ,如果通过再施加 高于运行 电压 的试验 电压进行破坏性试验 ,然后根据相应 的标准判断设备 的绝缘性能等一些状态,而对各种外在 的故障,比如各部分的接触情况 、接线端子 的氧化情况 ,则只能通过定期停 电由工人爬上变压器进行检查加 固。这种维修制度在较长一段时期 内对减少系统故障起到 了很大 的作用但是这种维修体制存在着很大局 限性 。随着容量 的进一步扩大 ,其局限性变得 日益 明显 ,有时候将本没有故障的地方带来故障隐患,而存在故障的地方却没有发现 ,甚至将故障扩大 。 目前 ,电力部 门除规定定期对 电力变压器等设备停 电进行预 防性试验外 ,在预 防性试验周期 内如果 出现异常征兆 ,还必须进行离线检测 ,这在防止变压器重大事故 的发生和保证安全运行等方面起到了积极的作用 。但是预防性试验 自身固有 的局 限性,通过长期的工程实践 已经逐渐暴露 出来 了,并且随着系统 电压等级的提高,这些局 限性越来越 明显 。预防性维修体制是针对某些无备份装置的重要设备或因意外停机会造成 巨大损失的设备实行 的维修体制 。我 国电力行业长期 以来执行 的是这种预防性维修体制,并制订 了相应 的部颁标准 。电力设备预 防性试验规程等尽管定期进行预 防性试验和维修 ,对 于排除某些事故隐患和降低故障率发挥 了一定的积极作用 ,但是,定期进行的预防性试验和维修在经济技术方面都存在一系列难 以克服 的缺点[‘]。状态维修体制是一种较先进 的设备维修体制 ,是设备诊断技术的产物 。这种维修体制不再 以时间为依据进行常规 的定期检测试验与维修 ,而是着眼于密切追踪监测每 台设备具体运行状态 的发展变化情况并根据规范化的状态监测结果,掌握设备运行状态或设备故障演变情形和恶化程度 ,对设备 的维修做到 “心中有数 ’,,实现 “无病不修 ,有病才修 ,修必修好 ”武汉理工大学硕士学位论文随着现代 电网结构 日趋 复杂 ,电网容量不断扩大 ,实时信息传送量成倍整多,对调度 自动化系统和厂站 自动化系统的数据通信提 出了更高的要求 。变 电站 自动化系统的传输规约和传输 网络的标准化 ,是实现可靠快速通信 的保证 。目前变压器测量系统通信规约的情况是 一个普通的变 电站使用的产 品可能是南瑞 、东方 电子 、许 继 、四方 、A B B 、G E ; 采 用 的规 约可 能是 C D T 、60870一5一101·102、103、104、TaseZ。几乎每个产 品供应商都具有一套 自己的标准 ,整个 电网里运行 的规约就可能达到上百种 。不 同厂家 的设备不能兼容 ,需要进行协议转换 ,增加 了工程和培训费用 ,影响了电力系统综合 自动化 的发展 。不 同厂家 的装置采用不 同的通讯规约,很难实现数据共享和互操作 ,不满足智能化变 电站 的发展需求 。变压器各种运行状态监测 、冷却系统监视和控制 以及有载调压分接头控制和监视等功能虽然部分 已经实现 ,但各装置功能相对单一、孤立和分散,缺少有机整合 。许多监测量与运行故障之间存在着相互触动相互制约的特 点,如果缺乏对所有监测量 的有机整合将不利于故障 的排除与诊断 。1.2 基于 iee61850 的变压器智能电子测量设备的特点2002 年通过 的 IEC 6185O 变 电站通信 网络和系统的国际标准草案 ,IEC 61850通信协议对变 电站 自动化系统 中的数据对象统一建模 ,采用面 向对象技术和独立于网络结构的抽象通信服务接 口A C SI,并支持 TC P/IP 协议 ,是一个开放 的、面 向未来 的新一代变 电站 自动化系统通信协议。为在各种 自动化系统 内部准确 、快速地收集 、处理并传送从发 电厂、变 电站到最终用户接 口的各种实时信息 ,提供 了一种解决方案 。IEC 制定 的变 电站 内通 信 网络与系统的通信标准体系 IEC 61 850 标准 ,充分考虑 了变 电站 自动化系统 的功能和要求,为不同厂商的智能设备 IED 实现互操作和系统无缝集成提供 了有效 的途径 。它采用分层分布式体系、面 向对象 的建模技术 ,使得数据对象能够 自描述。更多数据信息的获取带来的是在故障诊断和事故预判断能力上提高。1.3 本文研究 目的及意义当前 ,以能源多元化 、清洁化为方 向,以优化 能源结构、推进 能源战略转武汉理工大学硕士学位论文型为 目标 ,以清洁能源和智能电网为特征的新一轮能源变革正在全球范 围推进 。其 中,智能 电网在扮演着核心者与引领者 的角色 ,并 已成为未来 电网发展趋势 。在新形势下 ,我 国的能源发展格局、电力供需状况 、电力发展方式正在发生着深刻变化 。电网 己经不只是 电能的输送载体和 能源 的优化配置平 台。面对 新形势 ,国家 电网公司在特高压核心技术取得全面突破基础上 ,深入贯彻落实科学发展观 ,认真贯彻落实 中央 的有关决策部署 ,提 出加快建设 以特 高压 电网为骨干 网架 ,各级 电网协调发展 ,以信息化 、 自动化 、互动化为特征 的坚强智能 电网,努力实现我 国电网从传统 电网向高效 、经济、清洁、互动的现代 电网的升级和跨越 ,积极促进清洁能源发展 ,为实现经济社会又好又快发展提供强大支撑 。现代 电网在经过能源与信息技术 的全面集成与融合 ,已发展为推动现代社会 高效运转 的前进动力 。“十二五 ”期 间,将全面建成覆盖全 网范 围的总部和各 网省公司输 电设备状态监测系统 ,在变电设备状态监测方面 ,实现 以下主要变 电设备监测量 变压器油色谱 、局部放 电、铁芯 电流在线监测 ; 电流互感器 、电压互感器 、变压器套管 、祸合 电容器 的 电容量及介损 ; 金属氧化物避雷器全 电流 、阻性 电流 的在线监测 ; 组合 电器局部放 电在线监测 ; 断路器分合 闸电流在线监测 。在输变电设备状态监测 中,220 千伏及 以上变 电站主变 、断路器 、容性设备 、避雷器等设备状态在线监测信 息是其 中重要的一环 。输 电设备 的检修是确保 电力系统安全可靠运行 的重要环节 。在我 国一直延用着定期检修和事后检修相结合 的模式 , 已不符合我 国电网规模 迅速 发展 、 电网设备数量急剧增加 的发展现状 ,呈现 出定期检修工作量剧增,检修人员紧缺等突出问题 。开展评估诊断与决策技术研究,实现输 电线路状态评估 的智能化 ,加强输 电线路状态检修 、全寿命周期管理和智能防灾技术研究应用 ,对于提高电网运行可靠性、提高企业运行效率的要求具有重要意义 。将全寿命周期管理与输 电线路设备监测和检修的工程实践相结合 ,有效指导输 电线路的设计、施工和运行维护过程 ,可 以获得 良好 的经济效益和社会效益 。依靠先进 的材料 、通信 、信息和控制技术 ,构建信息化 、自动化 、数字化 、互动化 为特征 的 自主创新、国际领先的统一坚强智能电网,实现大范 围能源 资源优化配置、促进可再生能源 的集约化开发、保障我 国能源安全 ,是我 国电网未来发展 的重大战略方 向。变压器等一次设备是 电网的基本单元 ,其智能化是智能电网建设 的重要组成部分和 区别传统 电网的主要标志之一 。同时随着智能电网的建设 ,各种大规武汉理工大学硕士学位论文模分布式能源接入系统,使系统运行工况进一步复杂 ,过负荷 、过 电压 、雷击等异常情况更加严重 ,且用户对 电能质量的要求越来越高,这种形势对传统变压器 的运行可靠性和应对 能力提 出了更苛刻的要求 ,也为变压器 的智能化提 出了需求 。变压器智能化技术主要是通过对传感器技术 、变压器异常工况应对策略、变压器故障分析和定位技术 、变压器绝缘状态和寿命评估等关键技术 的研 究 ,实现集成传感器技术 、嵌入式处理器技术 、信号处理及数字化技术 、状态和寿命评估技术通讯技术于一体的变压器 、电抗器智能化模块 ,通过智能模块 、传感器与传统变压器对接 ,初步实现变压器的智能化 。智能模块 以变压器 的当前实际工作状况为依据来判 断其运行状态 ,在正常状态 时能对变压器 、电抗器寿命进行预估并识别故障的早期征兆 ,并根据分析诊断结果在变压器 、电抗器性能下降到一定程度或故障将要发生之前进行报警 ; 同时在变压器经历系统异常状态的冲击后 ,_智能模块 能对变压器实际状态给 出评估 ,为变压器 的重新投运提供依据 ; 并且在变压器 发生故障后 ,智能模块能记录变压器故障实时状态信息 黑匣子技术 ,为故障分析和定位提供依据 。同时通过建立相应 的技术标准 、智能模块运行维护规程 、质量评价机制来确保模块的可靠性。通过传 统型变压器 的智能化建设 ,可 以更准确更全面 的掌握变压器 的实 时运行状态 ,为科学调度提供依据 ,从而初步实现 电网设备的可观测 、可控制和自动化 的 目标,为智能电网的建设奠定基础; 通过智能模块技术初步实现传统变压器 的智 能化 ,提高变 压器面对未来智能电网更加复杂 的运行工况 的应对 能力 ,减 少新生隐患产生 的几率 ,从而提 高整个 电网系统 的可靠 性 ; 同时变压器智 能化可 以对变压器绝缘状态 、寿命做 出快速有效 的评估 ,并有效地指导运行和维护 ,减 少运行维护人 员的工作量 ,降低运行管理成本 。目前 ,现有 的电力变压器在线监测系统存在不 同的平 台、不 同的应用系统 、不 同的数据格式 ,没有标准化和规范化 ,没有形成统一的体系结构 ,难 以推广应用和实施 ,同时很多系统传感器单一 ,准确性和可靠性差 ,整个系统误报率高,状态评估可靠性低 ,系统应用 困难 。这就需要我们对智能模块 的要求提升到一次运行设备的高度制定变压器智能化的统一规范和要求,并建立质量检验及评价 的统一的标准和手段 ,以适应公司建设统一坚强的智能 电网的要求 。武汉理工大学硕士学位论文1.4 国内外研究水平变压器是 电力系统输变 电环节 的关键设备 ,变压器 的安全可靠 的运行是保证 电网正常运行 的基础 。随着智能电网的建设和大规模分布式能源 的接入 ,系统运行工况越来越复杂 ,在这种情况下 ,如何保证变压器的安全可靠运行 ,国内外学者都进行 了卓越有效的研究 。目前欧美 日等国家非常重视输 电网络安全运行技术及 IT 技术在运行维护中的应用 ,研 究并使用新 的诊 断工具和方法评估运行 中设备 的预期使用寿命 、风险和维修策略 。针对变压器的状态监测和状态评估在 国外 己有较长的发展历史 ,在 欧美等发达 国家 己有针对变压器的智能检测装置,有成功预报设备故障的范例 ,一般都是专项检测装置,如色谱 、局放 、温度等 ,但是缺少多种状态参量融合 的智能模块 ,而且状态评估手段单一 。 目前 ,欧美 日电力专家提 出智能设备概念是利用传感器对设备的运行状况进行 实时监控 ,然后把获得 的数据通过 网络系统进行收集 、整合 ,最后对数据分析 、挖掘 ,使 电网可观测 、可控制和 自动化 ,从而打造更加清洁 、高效 、安全 、可靠 的电力系统[2]。国 内在变压器状态参量 的检测方面也取得 了一定的成果 ,有一部分 已进入实用,如油色谱在线监测 。但总体而言,国内在线状态检测装置可靠性与 国外相 比存 在一定差距 ,没有标准化和规范化 ,也没有全面成套 、融合集成 的状态监测和评估 的智能单元模块 。 目前 ,国内有专家学者提 出集成先进传感技术和数字化 技术 、信息处理技术 、状态评估技术及通讯技术为一体的智能化模块技术 ,通过智能模块与传统变压器结合 ,初步实现传统变压器的智能化 。.5 论文主要研究内容与章节第一章介绍 了课题研究 的背景 、 目的和意义 、国内外 的研 究现状 以及介绍文章研 究 的主要 内容 。第二章介绍 了变压器测量的几个关键技术 ,包括局放监测 ,油色谱监测 ,铁芯接地 电流监测,套管介损监测等等 。第三章介绍基于 IEC 6 1850 标准结合变压器测量技术建模 的过程 。第 四章介绍 了变压器智能电子测量设备的通信 的实现 。包括 串口通信和 以太网通信,其中着重介绍了基于以太网通信的 s,goose,sm v 报文的基本概念 。第五章介绍 了整个变压器在线监测系统的设计 ,包括界面 ,数据存储等等第六章介绍本论文的工作总结和展望。武汉理工大学硕士学位论文第 2 章 变压器测量的关键参数2.1 局部放 电l 传感器 的安装要求 U H F 监测方法 内置传感器应 与变压器进行 一体化设计 ,由变压器制造商在变压器本体选择适 当位置植入 ,在 出厂时同变压器一起完成 出厂试验 。外置传感器安装在变压器本体外 的适 当位置 ,传感器 不 能影响变压器 的整体美观 ,并且便于安装和维护 ; 传感器外壳喷涂颜色和变压器一致 ,上面应有 明显 的设备安全标识 符合 G B 2894 中相关规定 ,所有金属裸露部分应有防锈蚀措施,满足户外使用 的防雨、防尘等可靠性要求。脉冲电流法 在高、中压套管末屏、中性点接地线、铁芯接地线上或夹件接地线 上按需要安装高频 电流传感器 ,必要时可增加辅助传感器 。对新造变压器 ,脉冲 电流传感器应 由变压器制造 商进行一体化设计 。传感器 不应影响变压器设备 的整体美观 ,并且便于安装和维护 。传感器外壳喷涂颜色和变压器一致 ,上面应有 明显 的设备安全标识 符合 G B 2894 中相关规定 ,所有金属裸 露部分
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