1、变电站设备状态监测的建模及实现变电站设备状态监测的建模及实现变电站设备状态监测的建模及实现摘 要变电站作为电力系统不可缺少的重要环节，它担负着电能转换和重新分配的繁重任务，对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用，它能否正常运行直接影响到整个电力系统能否安全、稳定经济的运行。因此开展变电站电力设备监测对于保证电网安全运行具有重要意义。变电站设备状态的建模是实现监测的基础工作,研究变电站的建模方法，对变电站设备采用有效及时的监测方法，以便对电力设备做出及时的维护，提高变电站评估结果的可靠性的同时降低变电站维护成本。因此本文将UML建模方法应用到变电站设备的建模,在原有建模方法的基础上,利用Rat
2、ional Rose软件对其进行实现,在实验阶段，还将采用C#编程语言对具体变电站设备变压器进行状态监测实现，通过实验说明了此种方法的有效性，并且具有一定的应用前景。关键词：变电站；建模；状态监测MODELING AND REALIZATION OF SUBSTATION EQUIPMENT CONDITION MONITORINGAbstractAs essential important link in electric power system of transformer substation, it bore the redistribution of the electrical
3、energy and heavy tasks, safety and economic operation of power network plays a crucial role, it can be up and running can directly affect the entire power system safety and stability of economic operation. Therefore for ensuring safety operation of electrical equipment in substation monitoring is of
4、 great significance. Substation equipment model is the basis for realization of monitoring of the status of work, research on modeling method of substation, valid for the device used in substations monitoring method in a timely manner in order to make timely maintenance of electric power equipment,
5、improving the assessment of reliability while reducing of substation maintenance costs. Therefore this UML modeling method modeling applied to substation devices, on the basis of the original modeling method using Rational Rose software to implement it, in the experimental stage, it also will use th
6、e c programming language to state monitoring of the specific equipment of substation transformer, by experiment illustrates the effectiveness of such methods, and have a certain application. Keywords: Substation; Modeling; Status Monitoring摘 要 IAbstract II第1章 绪论 11.1 选题背景及意义 11.2 变电站电力设备状态监测主要内容及国内外
7、研究现状 21.2.1 电力设备状态监测与诊断的概念 21.2.2 电力设备在线监测技术的研究现状及趋势 21.3 论文的主要研究工作 4第2章 IEC61850标准的基本理论与变电站设备 5状态监测的结合 52.1 IEC61850的背景和现实必要性 52.2 IEC61850的内容 62.3 基于IEC61850的建模 7第3章 利用Rational Rose的变电站的建模 93.1 变电站抽象为逻辑节点 93.2 本次建模所抽象的逻辑节点 93.3 Rose与可视化建模 113.3.1 Rose简介 113.3.2 类图的创建 123.4 利用Rational Rose对变电站进行建模
8、13第4章 基于IEC61850的变电站监测的设计实现 154.1 在线监测系统的任务和总体构成 154.2 变电站主电气设备状态监测方法 154.2.1 变压器状态监测 164.2.2 断路器状态监测 164.2.3 避雷器状态监测 174.2.4 GIS状态监测 184.2.5 GIS局部放电监测 184.3 基于IEC61850变压器状态监测 184.3.1 监测方法和主要步骤 184.3.2 变压器状态监测的编程实现 19结论 22参考文献 23致谢 25第1章 绪论本章主要介绍论文选题目的及意义，简述变电站设备在线监测的主要方法，存在的问题及发展方向,国内外发展状况。最后简述本文主要
9、工作。1.1 选题背景及意义随着社会的发展,各行各业生产规模的扩大和自动化程度的提高，其对电力需求也越来越大，促使电网规模不断扩大。相应的对电网供电的安全性、可靠性要求也大大提高了。然而传统的定期检修在一定程度上存在盲目开展、工作强度大、误操作高等缺点，难以满足电力系统的要求，因此以状态检修代替定期检修已成为电力系统设备检修的必然趋势。状态监测在状态检修制度中的重要性是预知性检修，是以设备的状态参数为基础，以预测设备状态发展趋势为依据的检修方式。它包含三方面的内容：设备状态监测、设备状态诊断、维修决策。状态监测是状态维修的基础，状态诊断以状态监测为依据。其核心在于获取设备的状态信息，然后对信息
10、加以综合分析决策。而状态信息来源于监测系统。因此，对设备进行在线监测是实现状态检修的基础和基本条件，是实现状态检修的重要一环1。而对监测结果的有效管理和科学应用，则是状态检修得以实现的保证。实时在线监测及诊断技术是电力设备状态评价的基础，通过在线监测手段，及时准确的掌握运行设备的绝缘状况，根据设备在线监测数据的变化趋势，结合巡视、离线检查等评价设备绝缘状态，准确制定检修策略。而变电站作为电力系统不可缺少的重要环节，它担负着电能转换和重新分配的繁重任务，对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用，它能否正常运行直接影响到整个电力系统能否安全、稳定经济运行。因此开展变电站电力设备监测对于保证电网安全
11、运行具有重要意义。然而，我国的状态监测技术在很多方面仍处于发展之中，当前的研究工作主要集中在监测系统的灵敏性、可靠性、和自动化方面，同时希望系统成本不致太高。长期以来，我国对变压器的检修策略主要采用以时间为标准的定期维修。虽然定期维修一般可在维修时发现设备存在的缺陷，对保证设备安全运行发挥了重大作用，但是定期维修存在“维修过剩”和“维修不足”的缺陷，不仅造成部分电力设备的盲目检修，导致人力和物力的大量浪费，而且增加了产生新隐患的几率，降低了供电可靠性。状态评估是对电力设备的运行状态及其他信息进行记录、分类和评估，为设备维修提供决策，它是电力变压器状态检修的基础工作。故障诊断是指根据故障特征，对
12、已发生的故障进行定位和对故障发展程度进行判断，故障诊断是状态评估的特例。在当前电力企业走向市场的形势下，根据当前的电力设备当前状态来预测检修的时间是电力企业自身发展的必然趋势。2,3目前的变电站自动化技术只包括了基本的运行监控、测量、故障保护功能，少了电力设备状态监测环节，因此不能对电力设备的安全状况做出评估和判断，不能实现真正意义上的无人值守。从这个概念上说变电站自动化的内容也应包括高压电气设备体的监视信息，即包括电气即包括电气设备的状态监测。4除了为调度中心提供变电站的信息外，还要为运行方式科和检修中心提供检修决策所需要的电气设备状态信息，做到真正的无人值守变电站自动化。1.2 变电站电力
13、设备状态监测主要内容及国内外研究现状1.2.1 电力设备状态监测与诊断的概念在线状态监测及故障诊断分析系统，主要是指利用现代传感器技术、综合构成的辅助运行系统。随着这些技术的迅猛发展实时在线状态监测成为可能。状态监测与故障诊断是一个有机的整体。状态监测是故障诊断的基础、先决条件及必要手段，而故障诊断则是综合利用监测数据和信息的决策部分1,2,4。状态监测分析及故障诊断系统的基本结构如图1-1所示。图1-1在线监测系统框图1.2.2 电力设备在线监测技术的研究现状及趋势我国在线监测技术起始于20世纪80年代，经过数十年的研究和实践，在线监测技术已呈快速发展趋势，部分成熟产品正逐渐向电网设备推广和
14、应用，并涵盖了主要的电气设备。以氧化锌避雷器总泄漏监测仪为例，它在使用中不但本身故障少，而且发现了不少主设备缺陷，为设备的安全运行发挥了积极作用。虽然变压器在线监测系统还存在着影响主设备运行的误报漏报现象，但一些日益走向成熟的监测设备和产品(如油中溶解气体监测仪，对电容量和介损的连续监测) 对发现和跟踪故障起到了积极的作用。电力系统中的供电设备种类繁多，数量庞大，目前实施在线监测的主要有变压器、开关类设备（如断路器等）、避雷器、电容型设备、GIS 等多项在线监测技术5。近年来，开展这方面技术研究的高等院校、科研院所结合新理论、新技术、 新监测手段的发展，取得了长足的进步变压器作为变电站的关键设
15、备，对变压器及其组件的在线监测研究及应用具有重大的意义。国外主要从以下几个方面进行监测，油中气体在线监测、绝缘在线监测、局部放电、热点监测、绕组变形和移位分析以及变压器有载调压分接开关的监测。一些公司和研究机构相继开发出了自己的在线监测系统。如日本关西电力和三菱电机公司采用色谱分离技术，于1981年研制出“变压器油中气体自动分析装置”并投入现场试用，可以在线监测油中永久性气体和烃类气体等11 种组分的含量变化。美国的一些公司也开发了相应的系统，包括色谱、油温、油中水分、套管特性、局放、油中水分和有载分接开关状况等多个监测项目，欧洲的公司也推出了类似的系统，而且开发了新型的传感器。总体而言，由于
16、新材料、新技术的应用，变压器在线监测系统的发展是比较迅速的。国内有诸多单位近年来也开始研制变压器等的在线监测装置，经过不断的探索与实践，已逐步走向应用化阶段。而且已有相应在线监测装置投入了商业化运行。6介绍了包括变压器在线监测装置在内的多种电力设备在线装置在电网中的运行情况。其中国网公司共装有大约30个型号的综合在线监测装置，来自约20个制造厂家，全部为国内公司所产。高压断路器是电力系统中最重要的控制和保护设备之一。对高压断路器实施在线监测，及时了解其运行情况，对降低设备故障率，提高电力系统的安全性和可靠性具有重要的现实意义。目前，国内许多单位和研究机构都在开展这一方面的工作，其中有清华大学、
17、西安交通大学、上海交通大学、山东大学、武汉理工大学、江苏科技大学等高等院校，还有国家电网公司武汉高压技术研究院、南京自动化研究院等科研院所。其项目包括: 绝缘特性、机械特性、触头磨损监测等，并已有开发完成的装置挂网运行。分别介绍了基于微处理器、DSP等现场信息处理。结合上位机专家处理软件所组成的断路器在线监测系统7。由上可见，状态监测在电力系统中已得到了广泛的重视与应用，并在不断的发展中。将来电力系统状态监测技术发展的趋势将体现在以下几个方面6,7：(1)越来越多的电力设备将被纳入状态监测的范畴；(2)随着传感器技术和计算机技术的发展，可以监测的状态量将越来越多，处理的数据量越来越大，多功能、
18、多状态的在线监测系统将得以发展；(3)由于可获得的数据量的增大，常规的数据处理方法会遇到更大的困难，智能状态监测系统将得到进一步研究和应用尤其是神经网络技术、知识系统、模糊逻辑等会得到更广泛的应用；(4)研究中将运用一些新的数学工具，如小波变换等；状态监测系统与其它系统的联网和和集成问题将得到进一步研究。状态监测系统与继电保护将有机地结合起来，尤其是在分布式的监控系统中，如分布式的变电所综合自动化系统；(5)根据检测到的数据作出相应的判断，以及对新的更有效的检测项目和检测方面的基础研究将得到进一步加强。1.3 论文的主要研究工作变电站设备状态监测是被广泛研究和关注的问题,其目的是为了更好的对变
19、电站设备进行维护,确保整个电力系统工作高效有序的进行，国内外众多学者对此进行了大量的研究也取得了不少理论研究成果并应用与实际，本文在总结前人工作的基础上采用IEC61850的建模方法对变电站设备进行建模的同时用C#语言实现了一定的监测功能 。全文的章节安排如下:第1章绪论,介绍了本课题背景及研究重点,论述了变电站电力设备状态监测的研究现状及发展前景。第2章对IEC61850标准进行了研究。分析了标准的结构体系，揭示了标准的内涵特征。以及在电力系统监测的应用。第3章详细论述基于IEC61850的UML建模实现，论述UML建模的步骤和方法。利用Rational Rose开发环境对变电站进行整体建模
20、。第4章设计并实现基于IEC61850状态监测系统。将各指标权重隐含在模型中，避免人为确定各指标权重的主观性。实验说明该设计具有良好的实用性。最后对本文论文总结。第2章 IEC61850标准的基本理论与变电站设备状态监测的结合当前电力系统中，对变电站自动化的要求越来越高，为方便变电站中各种IED的管理以及设备间的互联，就需要一种通用的通信方式来实现。IEC61850提出了一种公共的通信标准，通过对设备的一系列规范化，使其形成一个规范的输出，实现系统的无缝连接。2.1 IEC61850的背景和现实必要性由于大规模集成电力技术强劲的发展，导致了先进的、快速的、功能强的微型处理器出现，使得变电站自动
21、化系统实现成为可能。自然，提出了在智能电子设备直接高效通信的要求，特别是标准协议的要求。工业实践表明，已出现制定标准协议的强烈需求及其机遇，以支持不同制造厂生产的只能电子设备具有互操作性。变电站自动化标准化的目的是制定一个满足功能和性能要求的通信标准，并能够支持将来技术的发展。互操作性是电力公司、设备制作厂和标准化组织的共同目标。事实上，近年来许多国家和国际研究单位开展积极活动去达到这个目的。本标准的目的既不是对在变电站运行的功能进行标准化，或对功能以任何方式进行限制，也不对变电站自动化系统内的功能分配进行标准化。对应用功能进行标示和描述是为了定义它们的通信要求。本标准具有一系列的优点：分层的
22、智能电子设备和变电站自动化系统；根据电力系统生产过程的特点，制定满足实时信息和其他信息传输要求的服务模型；采用抽象通信服务接口、特定通信服务映射以适应网络技术迅猛发展的要求；采用对象建模技术，面对设备及按摩自我描述以适应应用功能的需要和发展，满足应用开放互操作要求。利用IEC61850建立模型，帮助理解、描述、或藉助于探索特定实体或现象的简单表示，预测实际世界发生的事情。本表转为变电站设备（例如保护设备、断路器、变压器、变电站的主站等）之间通信和交互的概述。8,9在智能电子设备中（IED）实现许多功能；允许几种功能在一个IED中实现。或一个功能在一个IED中实现，其他功能在另外的IED中实现。
23、IED采用本标准的信息交换机制和其他IED的功能通信。因此功能也可分布在多个IED中实现。IED的通信结构构成如图2-1所示。 图2-1变电站自动化拓扑例子图2-1IED通信结构构成2.2 IEC61850的内容IEC61850标准系列由十个部分构成8,9,10。第1部分：介绍与概述。对IEC61850标准系列的结构与框架内容、标准制定的方法以及基本原则进行了介绍。第2部分：术语。介绍标准所用到的SAS术语、定义词汇以及标准其它部分所引用到的标准。第3部分：总体要求。介绍SAS对通信网络的总体要求，强调了对通信网络质量的要求。同时还述及环境条件和辅助服务的指导方针，并根据其它的标准与规范，对相
24、关的特定要求提出了建议。第4部分(IEC61850-4)：系统与项目管理。对工程过程的内容及其相关支持工具进行了规定。包括SAS及其环境的结构、IED的结构、工程任务及相互关系以及与项目管理有关的文档等内容。第5部分(IEC61850-5)：功能的通信要求与装置模型。对SAS自动化功能做出了基本通信要求。对所有已知的功能和它们的通信要求均加以辨别。在IEC61850-5中对功能的描述不是用于功能的标准化，而是为了区分变电站与技术服务、变电站内IED之间的通信要求，其基本目的是在设备的相互作用中实现互操作性。第6部分（IEC61850-6）IED配置和参数。包括:基本要求、逻辑节点的分析、逻辑通
25、信链路、通信信息片的概念、逻辑节点和相关的通信信息片、性能、功能等方面的要求。以及它们之间关系的文件格式，即变电站智能电子设备IED的配置描述语言SCL。第7部分(IEC61850-7)：变电站与馈线设备的基本通信结构。该部分作为整个标准的核心内容，分为四个子项：7-1介绍该部分使用到的建模方法、通信原理以及信息模型；7-2部分定义用于IED之间实现实时协作功能并且独立于底层通信系统的抽象通信服务接口ACSI；7-3定义与变电站应用相关的公共属性类型和公共数据类；7-4定义与变电站相关的设备及功能的信息模型，即用于IED之间通信的可兼容逻辑节点和数据。第8部分(IEC61850-8)：特殊通信
26、服务映射SCSM。定义了抽象通信服务接口(ACSI)的对象、服务与制造报文规范(MMS)之间的映射关系。说明了在局域网上交换数据的方法。第9部分(IEC61850-9)：特殊通信服务映射SCSM。定义过程层与间隔层之间的映射，包含两个子项：9-1规范了间隔层与过程层之间通信的特殊通信服务映射，包括用于采样值传输的抽象服务的映射。适用于电子式电流/电压互感器(ECT/EVT)的合并单元与继电保护等间隔设备之间的通信；9-2定义采样值类模型到ISO/IEC8802-3的映射，在混合通信栈的基础上使用对ISO/IEC 8802-3连接的直接访问来实现采样值的传输。第10部分(IEC61850-10)
27、：一致性测试。定义了变电站自动化系统设备一致性测试的方法。包含一致性测试规则、质量保证测试，以及一致性测试所需要的文件、测试手段、测试设备要求和有效性证明等。本论文主要研究的重点集中在第七部分，关于变电站设备的建模，即抽象为逻辑设备建模。逻辑设备主要由逻辑节点和附加服务组成。逻辑设备中逻辑节点组是基于这些逻辑节点的公共特征，例如所有这些逻辑节点的模式共同的一起介入、退出或处于测试模式。逻辑设备提供了关于物理设备的（铭牌、设备运行状况）信息或者关于由逻辑设备控制的外部设备（外部设备铭牌、设备运行状况）信息。2.3 基于IEC61850的建模IEC61850标准采用面向对象的建模技术，使系统模型具
28、有继承性、可复用性等特点。定义了基于客户机/服务器(Client/Server)的结构数据模型。每个IED 包含客户端和服务器功能，向其它IED 请求或确认服务时，充当客户机的角色；当为其它IED 提供功能服务时，充当服务器的角色。每个服务器又包含一个或多个逻辑设备。逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象。数据对象则是由数据属性构成的公用数据类的命名实例。为表示繁多复杂的数据对象， 规约定义了抽象数据属性，每个公共数据由数据属性或数据属性的序列组成。信息模型的属性包含逻辑设备(Logical Device，LD )、逻辑节点(Logical Node，LD)、数据对象(Data Objec
29、t，DO)和数据属性(Data Attribute，DA)4个层次11,12：（1）逻辑设备。由逻辑节点和附加的功能服务聚合而成，包含1组特定应用功能。（2）逻辑节点。交换数据的最小功能单元，可以与其它逻辑节点进行信息交互，并完成有关功能。逻辑节点由数据对象、数据属性、数据属性列表以及对应的功能服务组成。（3）数据对象。包含逻辑节点的所有信息，从不同的CDC及CPDC继承而来，是CPDC 的命名实例(Named Instance)。（4）数据属性。数据对象的内涵，是模型中信息的最终承载者。信息模型不仅仅是数据的集合，而且是数据与功能服务的有机统一体，是一个面向对象的模型，模型中的数据和功能服务
30、相互对应，数据的交换通过访问对应的功能服务逻辑节点来实现。数据与功能服务的紧密结合使模型具备了良好的稳定性、可重构性和易维护性。建模步骤IEC61850标准对变电站自动化系统建模，采用面向对象的建模方法，标准从应用的角度（系统层面）和设备的角度分别做了阐述。包括采用分层、分类思想建立的基本信息模型和对基本信息模型进行操作的其它附加服务模型。其中基本信息型包括：Server（服务器）、Logical Device（逻辑设备）、Logical Node（逻辑节点）、Data（数据）和Data Attribute（数据属性）。附加服务模型包括： Data Set（数据集）、Substitution（
31、替代）、定值组控制块、报告控制块、日志控制块、通用变电站事件控制块、采样值传输控制块、控制、时间和时间同步、文件传输。利用这些模型就可以建立起整个变电站系统模型。基于IEC61850的建模包括3个步骤：(1)抽象逻辑节点和相应的数据属性。全面分析IED的功能情况，对其功能进行分解，抽象出若干个能够完成其功能的逻辑节点(Logical Node，LN)，定义涉及到的数据、操作以及相应的语义模型类。(2)抽象逻辑设备。对照语义模型类，将IED的自动化功能和相关信息抽象、分解，并通过对语义模型类的继承、重载或直接引用，生成特定的应用实例。逻辑设备有逻辑节点及附加服务，例如GOOSE、采样值交换、设置
32、等构成。(3)确定通信服务。将这些实例按照“类”的形式，构成具有一致性和确定性的信息交换服务模型(服务器)。IEC61850采用服务器/客户端和发布/订阅式两种通信模式。服务器/客户端模型用于发出读取数据和设置控制参数等；发布/订阅方式采用点到点对等通信模式，以事件触发传输数据，如断路器位置变化事件作为启动事件。这种通信方式适合快速可靠地在保护IED之间传递数据和从一个IED到远端多个IED之间循环传输采样测量值。因此说IEC61850标准的数据建模是对变电站自动化功能以及系统中IED与通信相关的功能进行抽象，按照IEC61850标准中的数据模型，组织构造出能够进行数据交换的数据构造模型，并且定义这些数据类型的抽象通信服务接口，进而完成变电站自动化系统的各种功能。第3章 利用Rational Rose的变电站的建模本章利用Rational Rose建模工具，基于IEC61850标准，把变电站抽象为逻辑节点，利用面向对象的建模方法，对变电站建立类图。3.1 变电站抽象为逻辑节点变电站
