基于Lib IEC 61850库的智能变电站SF6状态在线监测系统设计与实现

2018-01-24 06:27刘逸凡寇新民陈富国
电气技术 2018年1期
关键词:服务端变送器文件夹

张 旭 刘逸凡 寇新民 陈富国

SF6气体具有优异的冷却电弧特性,在高压断路器中有着广泛应用;对 SF6电气设备实时在线监测目前已成为保证 SF6电气设备的可靠运行的一种重要方法[1]。同时,SF6电气设备中的SF6气体密度值和PPM微水含量也具有非常重要的应用价值[2]。

在对 SF6电气设备监测的研究过程中,IEC 61850标准作为一种有效的整合一次设备在线监测数据的实现途径[2,10],得到了广泛推广。许多学者也对数字化变电站内主要 SF6电气设备在线监测技术进行了研究[3]。

本文基于Lib IEC 61850库中对IEC 61850服务端功能的实现,设计了智能变电站一次设备 SF6气体在线监测系统,系统采用层次化设计,稳定高效。目前该系统已在南京某500kV智能化变电站工程和酒泉某800kV智能化变电站工程投入运行。

1 IEC 61850服务端功能实现

1.1 Lib IEC 61850概述

Lib IEC 61850是一个开源的实现IEC 61850客户端和服务端功能库,该库由C语言编写,具有较好的可移植性,它可以在嵌入式系统和运行 Linux和Windows系统的PC上实现IEC 61850客户端和服务端应用程序[4-5]。Lib IEC 61850的客户端和服务端API如图1和图2所示。

1.2 Lib IEC 61850服务端功能测试

本文功能测试采用 Ubuntu10.10系统,3.10.79内核。在官网上下载Lib IEC 61850库并解压到主目录,解压后文件如下:

CHANGELOG config demos examples Makefile

src tools CMakeLists.txt COPYING dotnet

make README third_party

图1 服务端应用程序接口

图2 客户端应用程序接口

其中,README文件对Lib IEC 61850库做了概述,并给出了在各个硬件平台下的编译和运行例子程序的方法;Makefile定义了编译规则;make文件夹里有3个mk文件,用以编译库文件时指定参数;examples文件夹里包含客户端及服务端开发例子程序,examples文件夹里每个文件夹代表一种模式的例子;tools文件夹里包含有开发包提供的一个工具,能够将设备的icd文件转换成C语言文件。

在主目录下执行 make命令,命令将所有子目录符合 Makefile规定规则的 C文件压成一个静态库,静态库放在 build文件夹里,该静态库提供了IEC 61850服务端开发API。

进入到examples文件夹下服务端示例,编译运行服务端示例,示例会启动socket的监听程序,等待客户端连接[6]。

本文采用Omicron IEDScout测试服务端示例。配置测试软件与服务端示例建立连接,测试软件会读取示例数据模型中各个变量的名称和变量值,如图3所示。

图3 测试软件与服务端建立连接

2 系统详细设计方案

2.1 系统结构设计

系统的主要功能是监测一次设备SF6状态信息,例如压力、密度、温度、微水等状态量。设计系统通过RS-485网络采集SF6气体传感器信息,在装置内整理分析后,以IEC 61850通信规约上传数据,通信结构如图4所示。

图4 SF6状态数据通信示意图

1)变送器选型设计

变送器选型WDS530变送器,WDS530变送器主要由传感器、微循环系统、密封系统和变送部分组成。其中,露点传感器有自动校准和自动加热功能,这两个功能可以确保WDS530快速测量和长期稳定:①微循环系统能使主气室与采样点的湿度快速达到平衡,且系统运行过程中不会造成高压开关中微粒物产生扬尘的问题;②密封系统通过O型圈进行密封,使得变送器拥有优异的密封性和可方便拆卸性;③变送部分采用手牵手供电和通信,可以节省大量的电缆成本。

2)RS 485集线器选型设计

RS 485集线器采用宇飞YF-524C 24口光电隔离分割器HUB。装置通信速率300~115200bps,自动发送/接收数据,无需外部的流量控制信号,波特率自适应,不受通信协议限制,24路RS 485信号输入,4路RS 485信号输出,通信距离大于1200m;隔离电压2.5kVrms/500VDC绝缘,RS 485提供每线600W的防雷、浪涌、+/-15kVESD保护及防止共地干扰,该特性能有效解决外界雷击浪涌和地电位差带来的传输问题;输出端独立驱动,采用网络总线结构,这有益于工程建设和系统稳定。

3)智能监测IED选型设计

智能监测IED硬件平台采用中科腾跃TPE4000工控机,符合IEC 61850-3和IEEE 1613认证标准,通过中国电科院电力四级认证,板上集成英特尔赛扬2980U处理器;嵌入式无风扇设计,带有2个百兆/千兆自适应网口,8个隔离RS-485串口。系统采用ubuntu10.10,Linux 3.10.79内核,具有较好的人机交互能力。

2.2 软件系统设计

智能监测IED主要实现如下功能:对变电站一次主设备 SF6状态信息进行监测,通过以太网口与远端监测装置通信,将系统状态信息以 IEC 61850标准协议上传至间隔层,实现与现有三层两网智能变电站架构的融合[7,9]。

1)高并发数据处理算法设计

算法设计基于Qt应用程序开发框架,功能实现采用QList列表类和QThread线程类。主程序读取XML配置文件,根据所配置串口模式开启串口通信线程,串口线程之间互不影响,支持不同 modbus功能函数同时运行,每个串口 modbus数据采集命令发送和数据接收作为子线程并行运行,系统资源耗费更少,数据处理方式更高效。根据 modbus数据启动modbus数据解析线程,用QList作为线程间通信方法,方便数据扩展,保证程序稳定、高效运行。算法设计如图5所示。

该算法基于Qt应用程序开发框架,支持多数主流操作系统,具有良好的可移植性。算法采用多线程,将数据接收和数据解析分离,可以方便的在ARM架构上和x86架构机器上移植。

2)IEC 61850服务端功能设计

Lib IEC 61850库对IEC 61850的服务端支持包括从静态IEC 61850数据模型生成MMS设备模型和生成报告。此外,IEC 61850服务端API还支持IEC 61850控制模型。服务端API可用于创建IEC 61850兼容的MMS服务端应用。服务端不在运行时解析SCD(XML)文件。SCD文件将在构建时通过一个 C代码工具进行解析,该工具用于生成 IEC 61850数据模型定义和其他SCD文件设置的C代码。

图5 算法设计流程图

服务端功能设计如图6所示。

图6 IEC 61850服务端功能设计

3 工程应用情况

目前该系统已在江苏某±500kV智能化变电站工程和甘肃某±800kV智能化变电站工程挂网运行,系统运行稳定,数据监测如图7至图9所示。

4 结论

本文从工程应用角度出发设计了一次设备 SF6气体在线监测系统,基于Qt库设计了高并发数据处理算法,用于数据采集和存储;基于Lib IEC 61850库实现了IEC 61850服务端功能。工程应用结果表明,该系统能有效解决一次设备 SF6气体在线监测问题,符合智能变电站的发展要求。

图7 ##气室A相.SF6监测.P20曲线图

图8 ##气室.三相监测.P20曲线图

图9 ##气室数据一览

[1] DL/T 596—1996. 电力设备预防性试验规程[S].

[2] 王润华. SF6气体监测系统在GIS组合电器中的应用[J]. 上海电力, 2006(5): 23-25.

[3] 林松, 王庆红, 刘然. 数字化变电站状态检修技术[J]. 电网技术, 2007, 31(1): 137-140.

[4] Zillgith M. Open source libraries for IEC 61850 and IEC 60870-5-104[EB][2017-07-17]. http://Lib IEC 61850.com/Lib IEC 61850/documentation.

[5] Michael Zillgith. Open source libraries for IEC 61850 and IEC60870-5-104[EB/ON] http://libiec 61850.com/api/index.html, 2013-03.

[6] Michael Zillgith. Open source libraries for IEC 61850 and IEC60870-5-104[EB/ON]. http://libiec 61850.com/Lib IEC 61850/documentation/iec-61850-servertutorial/, 2013-03.

[7] DL/T 535—2010. 变电设备在线监测装置通用技术规范[S].

[8] 高翔, 张沛超. 数字化变电站的主要特征和关键技术[J]. 电网技术, 2006, 30(23): 67-71, 87.

[9] 刘建锋. 基于虚拟仪器和 IEC 61850标准的变电站设备在线监测系统的研究[D]. 武汉: 华中科技大学,2008.

[10] 邹积岩. 高压开关设备的状态监测技术[J]. 高压电器, 1999, 35(5): 45-47.

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