基于IEC61850的变压器振动监测信息建模与实现

D O I :10.7500/AE P S 201212052基于I E C61850的变压器振动监测信息建模与实现徐晨博1,王丰华1,黄 华2,金之俭1(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海市200240;2.上海市电力公司电力科学研究院,上海市200437)摘要:基于I E C61850的电力变压器振动在线监测系统的设计与开发,是输变电设备在线监测系统的重要组成部分㊂文中在分析电力变压器振动在线监测系统数据采集与传输实际需求的基础上,依据I E C61850第2版,基于系统功能分配,采用包括T V B R 和S V B R 在内的传感器㊁状态监测㊁电气设备逻辑节点,建立了电力变压器振动在线监测系统智能电子设备(I E D )信息模型㊂将缓存报告控制块㊁文件传输模型作为实时通信协议,用于告警信息㊁测量信息和振动波形的传输,实现了电力变压器振动在线监测系统I E D 的实时通信㊂基于该设计的电力变压器振动在线监测系统已在现场得到了应用㊂关键词:电力变压器;振动;在线监测;I E C61850;建模收稿日期:2012-12-07;修回日期:2013-05-30㊂国家自然科学基金资助项目(51207090)㊂0 引言电力变压器(简称变压器)是电力系统中的重要设备,其运行的可靠性对电力系统安全稳定运行意义重大㊂统计分析表明,变压器大多数故障源于出口短路故障[1],变压器绕组在强大的冲击电流下容易发生松动或变形,而变压器的长期运行也会导致铁芯受潮和绝缘损坏的发生,虽然大部分情况下这些缺陷并不立即表现为故障,但却埋下了事故隐患㊂因此,对变压器运行状态进行有效的在线监测变得极其重要㊂振动分析法通过固定于变压器箱壁上的振动加速度传感器采集振动信号,通过系统内置数据处理手段进行分析,检测绕组和铁芯的机械动力学变化,判断变压器工作状况,灵敏度较高[2],且整个测试系统与电力系统无电气连接,可实现安全㊁有效的在线监测㊂变压器振动在线监测技术的发展仅有十余年,其中大部分研究集中于变压器振动机理与振动信号的数据处理[3-4],而现有的振动在线监测系统均采用自定义的数据模型,无法互相兼容㊂随着数字化变电站技术的迅猛发展,I E C61850构建了一种公共的通信标准,并提出设备互操作性的要求[5],使得不同在线监测设备间数据模型的统一变得尤为关键㊂目前,基于I E C61850的在线监测智能电子设备(I E D )研制处于起步阶段[6-8],而针对变压器绕组运行状态的变压器振动在线监测系统的相关研究也有待开展㊂因此,结合I E C61850,深入研究该类在线监测设备的I E D 信息建模问题并应用于工程实践具有实际意义㊂本文结合所研制的变压器振动在线监测系统的开发与应用,在分析变压器振动在线监测系统数据需求的基础上,依据最新发布的I E C61850第2版,设计变压器振动在线监测系统I E D (简称在线监测系统I E D )的信息模型,完成功能分配和模型实现,以期实现变压器振动在线监测系统数据传输的标准化,为实现变压器振动在线监测系统的智能化㊁信息化奠定基础㊂所研制的支持I E C61850通信协议的变压器振动在线监测系统目前已在某电力公司500k V 变电站投入实际应用㊂1 变压器振动在线监测系统概述运行中的变压器振动主要为铁芯振动和绕组振动㊂变压器铁芯振动由硅钢片的磁滞伸缩引起[2],若忽略变压器的磁滞曲线,可认为铁芯振动100H z分量的幅值与励磁电压的平方成正比,用于判别铁芯运行状态㊂变压器绕组振动由负载电流产生的电磁力引起,该电磁力与绕组电流平方成正比,其频率为100H z ,能判别绕组变形和松动故障㊂运行中的变压器振动是铁芯振动与绕组振动的叠加,除了100H z 的基频信号之外,还包括了由非线性引起的大量高次谐波㊂因此,变压器振动在线监测系统的主要监测数据量包括:变压器本体箱壁振动信号㊁三相电压和三相电流信号㊂这些原始信号通过系统的数据处理,将产生变压器工作状态的告警信号,并通过报告的方式进行上传㊂06 第38卷 第4期2014年2月25日V o l .38 N o .4F e b .25,2014变压器振动在线监测系统由数据采集单元与分析处理单元构成,其结构框图如图1所示㊂数据采集单元通过振动加速度传感器㊁电流互感器和电压互感器分别采集变压器本体箱壁的振动信号㊁电流信号和电压信号并进行预处理㊂分析处理单元对数据采集单元采集的数据进行存储㊁显示和实时分析,并与远方状态评价中心进行通信㊂图1变压器振动在线监测系统结构框图F i g.1B l o c kd i a g r a mo f o n-l i n e v i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mo f p o w e r t r a n s f o r m e r2在线监测系统I E D模型实现2.1逻辑节点建模针对变压器振动在线监测系统实际数据需求,根据最新版的I E C61850,将其功能进行分解,得到在线监测系统I E D逻辑节点模型如图2所示㊂图2在线监测系统I E D逻辑节点模型F i g.2L o g i c a l n o d em o d e l o f o n-l i n em o n i t o r i n gs y s t e mI E D在线监测系统I E D的重要功能是通过采集和分析振动㊁电压和电流数据,实时监测变压器的运行,从而实现状态预警㊂其中,振动数据的采集与处理是系统有效运行的关键㊂I E C61850第2版中新定义了振动传感器逻辑节点T V B R和振动监测逻辑节点S V B R㊂监测系统使用T V B R表征数据采集单元,对振动数据进行采集和预处理㊂使用S V B R表征分析处理单元,对T V B R采集的振动数据进行实时处理与监测,当实测振动100H z分量幅值与预测值偏差超过设定阈值时由S V B R产生告警信号并上传㊂通过对T V B R和S V B R的合理建模,避免了对通用过程输入/输出逻辑节点G G I O 的扩展应用,从而直观地构建了在线监测系统I E D 的核心数据交换机制㊂此外,为监测变压器遭受短路冲击后的运行状态,需要对短路冲击发生时的振动波形文件进行上传,因此系统采用变压器逻辑节点Y P T R和变压器监测逻辑节点S P T R监测变压器运行状态,当发生短路冲击时触发扰动记录逻辑节点R D R E和模拟扰动记录逻辑节点R A D R进行振动信号录波,存储为电力系统瞬时数据交换标准格式(C OMT R A D E)文件[9]㊂对于电压㊁电流信号的采集,采用电压互感器逻辑节点T V T R和电流互感器逻辑节点T C T R,其一般被建模于合并单元I E D中,但受变电站条件所限,本监测系统采用独立的电压互感器与电流互感器获取电压㊁电流信号,因此需在在线监测系统I E D中设置T C T R和T V T R㊂电压㊁电流信号等量测量的获取与上传通过测量逻辑节点MM X U实现㊂最后,每个物理设备还需定义逻辑节点L P H D 和L L N0[10-13]㊂各节点说明见表1㊂表中:T V T R, T C T R,Y P T R和T V B R将反映变压器状态的各类信号转化为电信号进行监测,部署在过程层; S P T R,S V B R,R A D R,R D R E和MM X U部署于间隔层,负责变压器状态数据的接收㊁处理与传输㊂表1在线监测系统I E D逻辑节点T a b l e1L o g i c a l n o d e s o f o n-l i n em o n i t o r i n g s y s t e mI E D 逻辑功能名称说明逻辑节点0L L N0访问逻辑装置的公用信息物理装置信息L H P D为物理装置的公用信息建模振动传感器T V B R表征振动强度值电流互感器T C T R表征互感器,采集电流信号电压互感器T V T R表征互感器,采集电压信号变压器Y P T R变压器建模振动监测S V B R建模各类振动监测设备变压器监测S P T R监测变压器状态和短路冲击测量MM X U计算三相系统的电流㊁电压等扰动记录R D R E通用扰动记录扰动记录模拟通道R A D R记录振动波形信号模拟量上述逻辑节点已可满足在线监测系统I E D目前的功能需要,若在后期应用中,采用了通过网络互连的智能电压互感器和电流互感器,则不需再定义T V T R和T C T R㊂此外,监测系统可方便地新增节点以实现功能扩展㊂2.2数据类建模在在线监测系统I E D中,由T V B R和S V B R16㊃研制与开发㊃徐晨博,等基于I E C61850的变压器振动监测信息建模与实现完成对变压器本体箱壁的振动信号的采集和监测㊂系统运行中,振动传感器根据监测系统设定的采样率采集变压器箱壁上A ,B ,C 相绕组振动信号,根据这一功能需求,省略T V B R 中的可选数据对象S m pI n t ,并对选用的振动测量数据对象V b r S v 按照相别进行编号扩展,得到V b r S v A ,V b r S v B 和V b r S v C 这3个数据对象,如表2所示㊂其中包含必选数据对象M o d ,B e h ,H e a l t h 和N a m P l t ㊂各数据对象的C D C 属性代表其所属的公用数据类,如I N C 表示可控整数状态,I N S 表示整数状态,L P L 表示逻辑节点铭牌,S A V 表示采样值㊂M /O /C 表示必选项/可选项/条件选择项㊂表2 T V B R 逻辑节点数据对象T a b l e 2 D a t a o b j e c t s o fT V B Rl o gi c a l n o d e s 数据类别对象名C D C描述M /O /C 公共信息M o dI N C 模式M B e hI N S 行为M H e a l t h I N S 健康状态M N a m P l tL P L 铭牌M V b r S v A S A V A 相振动C 被测量V b r S v BS A V B 相振动C V b r S v C S A VC 相振动C间隔层S V B R 对I E D 采集的振动信号的100H z 分量进行计算和预测并自动产生振动告警,因此S V B R 数据建模时,仅需保留振动量测量V b r 和振动告警A l m 数据对象㊂此外,对V b r 和A l m 数据对象还需按照A ,B ,C 相数据进行编号扩展㊂实际中,使用A l m ,A l m A ,A l m B 和A l m C 表征变压器振动告警,而V b r A ,V b r B 和V b r C 表征三相振动信号幅值,如表3所示㊂表中:MV 表示测量值;S P S 表示单点状态信息㊂表3 S V B R 逻辑节点数据对象T a b l e 3 D a t a o b j e c t s o f S V B Rl o gi c a l n o d e s 数据类别对象名C D C 描述M /O 公共信息M o d I N C模式M B e hI N S 行为M H e a l t hI N S 健康状态M N a m P l tL P L铭牌M V b r A MV A 相振动水平O 被测量V b r BMV B 相振动水平O V b r C MV C 相振动水平O 状态A l m AS P S A 相振动告警M A l m BS P S B 相振动告警M A l m C S P S C 相振动告警M A l m S P S 振动总告警M同理,根据系统I E D 实际功能需要,可实现其余逻辑节点中数据对象及其数据属性的选取和建模㊂此外,由于T V B R ,T C T R 和T V T R 部署于过程层,在系统运行中需要与间隔层进行层间通信㊂T V B R 中V b r S v A ,V b r S v B 和V b r S v C 这3个数据对象及T C T R 和T V T R 中电压㊁电流数据对象均为S A V 类型,系统使用基于发布/订阅机制的采样值传输模型对振动幅值㊁电压和电流数据等采样值进行报文传输,由间隔层逻辑节点接收并分析㊂2.3 逻辑设备建模考虑到在线监测系统I E D 的功能分解和逻辑节点建模,根据功能来对逻辑设备进行划分和建模比较合理,且具有清晰的模型逻辑结构,因此将其按监测功能分解为逻辑设备L D 1和L D 2,见图3㊂图3 在线监测系统I E D 逻辑设备F i g .3 L o g i c a l d e v i c e o f o n -l i n em o n i t o r i n g s ys t e mI E D 3 在线监测系统I E D 实时信息通信3.1 告警和监测数据通信的缓存报告机制报告分为缓存报告和非缓存报告㊂其中缓存报告可在通信中断时继续缓存事件数据,具有保证事件顺序等优势,可实现数据可靠传输,一般适用于I E D 中的告警信息㊂非缓存报告具有快速传输数据的优点,一般适用于I E D 中的量测信息㊂因此,I E D 中振动告警信号使用缓存报告机制进行上传㊂同时,考虑到三相电压㊁电流信号与变压器振动的密切联系,且当变压器振动出现异常时,需要及时结合电压㊁电流数据进行综合判断,电压㊁电流量测量的上传也需要极高的可靠性,因此也采用缓存报告机制㊂通过缓存报告机制上传的是数据集D a t a S e t 中所包含的各个数据对象[14]㊂本文所述在线监测系统I E D 中,建立数据集M e a s u r e m e n t 和A l a r m ,通过不同的报告机制实现监测系统数据交换㊂其中数据集A l a r m 为变压器振动告警数据集,负责实时监测变压器振动,并上传振动的100H z 分量幅值告警,完成系统核心数据交换㊂数据集M e a s u r e m e n t 为变压器运行电压㊁电流测量监视数据集㊂逻辑节点MM X U 中相电流数据对象MM X U.A 和相电压数据对象MMX U.P h V 包含于该数据集中,上传电压㊁电流测量值,实现对变压器振动的实时监测㊂26 2014,38(4)在线监测系统I E D采用客户/服务器通信模式,分别将数据集M e a s u r e m e n t和A l a r m用于在线监测数据交换㊂报告A l m R e p o r t将与变压器本体有关的振动告警数据集A l a r m进行上传,报告M e a R e p o r t将变压器电压㊁电流监视数据集M e a s u r e m e n t进行上传㊂报告A l m R e p o r t和M e a R e p o r t的触发选项T r g O P S设置为d c h g,q c h g 和d u p d,通过S e t B R C B V a l u e s服务将2个缓存报告控制块(L D1/L L N0.A l m R e p o r t和L D2/L L N0. M e a R e p o r t)中的报告使能R p t E n a均设定为 T R U E 后,抽象通信服务接口(A C S I)服务器中的事件监视器即开始监视2个数据集中所引用的数据对象是否发生了数据变化㊁品质变化或数据更新,一旦发生内部事件,即向A C S I客户机发送报告㊂除主动上传数据外,2个报告控制块中均设置完整性周期I n t g P d为5000,即以5000m s为周期循环发送数据集中所有数据,实现变压器状态数据定时上报㊂结合在线监测系统I E D实际功能需求,构建的实时数据通信方法如图所示㊂图4在线监测系统I E D实时数据通信方法F i g.4R e a l-t i m e d a t a c o m m u n i c a t i o nm e t h o do f o n-l i n em o n i t o r i n g s y s t e mI E D3.2振动波形文件传输机制突发短路时,巨大的短路电动力会引起变压器绕组出现松动或变形,且绕组变形具有累积效应,因此,变压器遭受突发短路后的状态评估尤为重要㊂而突发短路时变压器的振动波形蕴含大量设备状态信息,对其波形特征进行分析是监测和评估变压器绕组状态的关键,因此,在线监测系统I E D将突发短路时变压器箱壁振动加速度信号存储为C OMT R A D E文件保存在存储器中等待文件传输的启动㊂实际运行中,在线监测系统I E D实时监测变压器运行电流,当其大于一定值时系统认定可能发生短路冲击,从而触发振动波形文件的存储㊂因此,可将变压器运行电流超过设定阈值作为扰动信号,根据电力系统故障录波功能的建模方案,通过1个扰动记录逻辑节点R D R E和3个扰动记录模拟通道逻辑节点R A D R实现振动信号录波㊂除数据通道外,C OMT R A D E文件中数据均由T V B R提供,其采样率为每秒2560个采样点,每次波形存储时长为10s㊂R D R E采用外部触发模式,监测S P T R数据对象S h o r t C i r c u i t A l m,当其值为 T U R E 表明发生突发短路,监测系统开始录波,同时R D R E数据对象R c d S t r(扰动记录启动)实例值被更新㊂当录波结束后,R D R E数据对象R c d M a d e(扰动记录结束)实例值被更新,在线监测系统I E D即发送数据准备就绪状态节点信息,等待客户端接口轮巡读取数据后启动文件传输,软件流程见附录A图A1㊂4结语变压器的运行状态事关电力系统的安全稳定运行,是电力企业极为关注的一个问题㊂本文根据实际需要将I E C61850引入变压器振动在线监测系统,通过对新版标准中新定义逻辑节点的灵活利用㊁对数据类及逻辑设备的合理建模,以及对在线监测系统监测数据和波形数据实时通信等关键问题的研究,建立了基于I E C61850的变压器振动在线监测系统信息模型并构建了I E D间实时通信机制㊂基于本信息模型研制的变压器振动在线监测系统已成功应用于某500k V变电站,如附录B所示㊂实践证明,该模型可满足设备互操作性和数字化变电站通信的要求,监测系统运行稳定,为变压器振动在线监测系统的大规模应用奠定了基础㊂附录见本刊网络版(h t t p://a e p s.s g e p r i.s g c c.c o m.c n/a e p s/c h/i nde x.a s p x)㊂参考文献[1]金文龙,陈建华,李光范,等.全国110k V及以上等级电力变压器短路损坏事故统计分析[J].电网技术,1999,23(6):70-74. 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7-4b a s ic c o mm u n i c a t i o n s t r u c t u r e c o m p a t i b l el o g i c a ln od ec l a s se sa n d d a t ao b je c tc l a s s e s [S ].2010.[12]王德文,邸剑,张长明.变电站状态监测I E D 的I E C61850信息建模与实现[J ].电力系统自动化,2012,36(3):81-83.WA N G D e w e n ,D IJ i a n ,Z H A N G C h a n g m i n g.I n f o r m a t i o n m o d e l i n g a n di m p l e m e n t a t i o nf o rs t a t u s m o n i t o r i n g IE D i n s u b s t a t i o nb a s e d o nI E C 61850[J ].A u t o m a t i o n o f E l e c t r i cP o w e r S ys t e m s ,2012,36(3):81-83.[13]韩国政,徐丙垠.小电流接地故障选线和定位装置的I E C61850信息建模[J ].电力系统自动化,2011,35(5):57-59.HA N G u o z h e n g ,X U B i n g y i n .I n f o r m a t i o n m o d e l i n g fo r l i n e s e l e c t i o nd e v i c e a n d s e c t i o n l o c a t i n g s i n g l e -p h a s e e a r t h i n g fa u l t i nn o n -e f f e c t i v e e a r t h e d p o w e r s ys t e mb a s e do n I E C61850[J ].A u t o m a t i o no fE l e c t r i cP o w e r S y s t e m s ,2011,35(5):57-59.[14]I E C .C o mm u n i c a t i o n n e t w o r k s a n d s ys t e m si n s u b s t a t i o n :P a r t 7-2 b a s i cc o mm u n i c a t i o n s t r u c t u r ef o rs u b s t a t i o n a n df e e d e r e q u i p m e n t a b s t r a c t c o mm u n i c a t i o n s e r v i c ei n t e r f a c e (A C S I )[S ].2003.徐晨博(1989 ),男,通信作者,硕士研究生,主要研究方向:电力设备在线监测与故障诊断㊂E -m a i l :z jl s x c b@163.c o m王丰华(1973 ),女,博士,副研究员,主要研究方向:电力设备在线监测与故障诊断㊁电力变压器直流偏磁㊁电能质量㊂黄 华(1970 ),男,硕士,高级工程师,主要研究方向:电力设备在线监测㊁电力试验㊂(编辑 万志超)I n f o r m a t i o n M o d e l i n g a n d I m p l e m e n t a t i o no fV i b r a t i o nO n -l i n eM o n i t o r i n g of P o w e rT r a n s f o r m e rB a s e do n I E C61850X UC h e n b o 1WA N GF e n g h u a 1 HU A N G H u a 2 J I N Z h i ji a n 1 1 S c h o o l o fE l e c t r o n i c I n f o r m a t i o na n dE l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g S h a n g h a i J i a oT o n g U n i v e r s i t y S h a n g h a i 200240 C h i n a 2 E l e c t r i cP o w e rR e s e a r c h I n s t i t u t e S h a n g h a iM u n i c i p a l E l e c t r i cP o w e rC o m p a n y S h a n gh a i 200437 C h i n a A b s t r a c t T h ev i b r a t i o no n -l i n e m o n i t o r i n g s y s t e m o f p o w e rt r a n s f o r m e ri sa ni m p o r t a n t p a r to f p o w e re q u i p m e n to n -l i n e m o n i t o r i n g t e c h n o l o g y w h o s em o d e l s h o u l dm e e t t h er e q u i r e m e n t so f I E C61850 B a s e do na na n a l y s i so f t h es ys t e m sd a t a p r o c e s s i n g a n d f u n c t i o nd i s t r i b u t i o n a n db y u s i n g l o g i c a l n o d e s f o r p o w e r s y s t e me q u i p m e n t s t a t u sm o n i t o r i n g a n ds e n s o r s i n c l u d i n g T V B Ra n dS V B Ri na c c o r d a n c ew i t h t h en e w e s t I E C61850e d i t i o n2 0 t h e i n f o r m a t i o n m o d e l f o r v i b r a t i o no n -l i n e m o n i t o r i n g s y s t e mi n t e l l i g e n t e l e c t r o n i c d e v i c e s I E D s i s d e v e l o p e d T h e r e a l -t i m e c o mm u n i c a t i o nm e c h a n i s mi s r e a l i z e du s i n g t h eb u f f e r e d r e p o r t c o n t r o l b l o c k a n d f i l e t r a n s f e r m o d e lr e s p e c t i v e l y f o ri n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o n w i t h a l a r m d a t a m e a s u r e m e n td a t aa n dv i b r a t i o nd a t aw a v e f o r mf i l e s A no n -l i n e m o n i t o r i n g s y s t e m b a s e do nt h ea b o v e m o d e l i n g ha sb e e n s uc c e s s f u l l y a p p l i e do n t h e s po t T h i sw o r k i s s u p p o r t e db y Na t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a N o 51207090 K e y wo r d s p o w e r t r a n s f o r m e r v i b r a t i o n o n -l i n em o n i t o r i n g I E C61850 m o d e l i n g46 2014,38(4)。