1引言

SF6氣體具有優(yōu)異的冷卻電弧特性，在高壓斷路器中有著廣泛應用；對SF6電氣設備實時在線監(jiān)測目前已成為保證SF6電氣設備的可靠運行的一種重要方法[1]。同時SF6電氣設備中的SF6氣體密度值和PPM微水含量也具有非常重要的應用價值[2]。

在對SF6電氣設備監(jiān)測的研究過程中，IEC61850標準作為一種有效的整合一次設備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的實現(xiàn)途徑[2][10]，得到了廣泛推廣。許多學者也對數(shù)字化變電站內(nèi)主要SF6電氣設備在線監(jiān)測技術進行了研究[3]。

本文基于LibIEC61850庫中對IEC61850服務端功能的實現(xiàn)，設計了智能變電站一次設備SF6氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用層次化設計，穩(wěn)定高效。目前該系統(tǒng)已在南京某500kV智能化變電站工程和酒泉某800kV智能化變電站工程投入運行。

2 IEC61850服務端功能實現(xiàn)

2.1 LibIEC61850概述

LibIEC61850是一個開源的實現(xiàn)IEC61850客戶端和服務端功能庫，該庫由C語言編寫，具有較好的可移植性，它可以在嵌入式系統(tǒng)和運行Linux和Windows系統(tǒng)的PC機上實現(xiàn)IEC61850客戶端和服務端應用程序[4-5]。LibIEC61850的客戶端和服務端API如圖1和圖2所示。

圖1 服務端應用程序接口

圖2 客戶端應用程序接口

2.2 LibIEC61850服務端功能測試

本文功能測試采用Ubuntu10.10系統(tǒng)，3.10.79內(nèi)核。在官網(wǎng)上下載LibIEC61850庫并解壓到主目錄，解壓后文件如下：

CHANGELOG config demos examples Makefile

src tools CMakeLists.txt COPYING dotnet

make README third_party

其中，README文件對libiec61850庫做了概述，并給出了在各個硬件平臺下的編譯和運行例子程序的方法；Makefile定義了編譯規(guī)則；make文件夾里有三個mk文件，用以編譯庫文件時指定參數(shù)；examples文件夾里包含客戶端及服務端開發(fā)例子程序，examples文件夾里每個文件夾代表一種模式的例子；tools文件夾里包含有開發(fā)包提供的一個工具，能夠?qū)⒃O備的icd文件轉(zhuǎn)換成C語言文件。

在主目錄下執(zhí)行 make 命令，命令將所有子目錄符合Makefile規(guī)定規(guī)則的C文件壓成一個靜態(tài)庫，靜態(tài)庫放在build文件夾里，該靜態(tài)庫提供了IEC 61850服務端開發(fā)API。

進入到examples文件夾下服務端示例，編譯運行服務端示例，示例會啟動socket的監(jiān)聽程序，等待客戶端連接[6]。

本文采用Omicron IEDScout測試服務端示例。配置測試軟件與服務端示例建立連接，測試軟件會讀取示例數(shù)據(jù)模型中各個變量的名稱和變量值，如圖3所示：

圖3 測試軟件與服務端建立連接

3系統(tǒng)詳細設計方案

3.1系統(tǒng)結構設計

系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測一次設備SF6狀態(tài)信息，例如壓力、密度、溫度、微水等狀態(tài)量。設計系統(tǒng)通過RS-485網(wǎng)絡采集SF6氣體傳感器信息，在裝置內(nèi)整理分析后，以IEC61850通信規(guī)約上傳數(shù)據(jù)，通信結構如圖3所示。

圖4 SF6狀態(tài)數(shù)據(jù)通信示意圖

3.1.1變送器選型設計

變送器選型WDS530變送器，WDS530變送器主要由傳感器、微循環(huán)系統(tǒng)、密封系統(tǒng)和變送部分組成。其中，露點傳感器有自動校準和自動加熱功能，這兩個功能可以確保WDS530快速測量和長期穩(wěn)定；微循環(huán)系統(tǒng)能使主氣室與采樣點的濕度快速達到平衡，且系統(tǒng)運行過程中不會造成高壓開關中微粒物產(chǎn)生揚塵的問題；密封系統(tǒng)通過O型圈進行密封，使得變送器擁有優(yōu)異的密封性和可方便拆卸性；變送部分采用手牽手供電和通信，可以節(jié)省大量的電纜成本。

3.1.2 RS485集線器選型設計

RS485集線器采用宇飛YF-524C 24口光電隔離分割器HUB。裝置通信速率300-115200bps，自動發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，無需外部的流量控制信號，波特率自適應，不受通信協(xié)議限制，24路RS485信號輸入，4路RS485信號輸出，通訊距離大于1200米；隔離電壓2.5kVrms/500VDC絕緣，RS485提供每線600W的防雷、浪涌、+/-15kVESD保護及防止共地干擾，該特性能有效解決外界雷擊浪涌和地電位差帶來的傳輸問題；輸出端獨立驅(qū)動，采用網(wǎng)絡總線結構，這有益于工程建設和系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.1.3智能監(jiān)測IED選型設計

智能監(jiān)測IED硬件平臺采用中科騰躍TPE4000工控機，符合IEC 61850-3和IEEE 1613認證標準，通過中國電科院電力四級認證，板上集成英特爾賽揚2980U處理器；嵌入式無風扇設計，帶有2個百兆/千兆自適應網(wǎng)口,8個隔離RS-485串口。系統(tǒng)采用ubuntu10.10， Linux 3.10.79 內(nèi)核，具有較好的人機交互能力。

3.2軟件系統(tǒng)設計

智能監(jiān)測IED主要實現(xiàn)如下功能：對變電站一次主設備SF6狀態(tài)信息進行監(jiān)測，通過以太網(wǎng)口與遠端監(jiān)測裝置通信，將系統(tǒng)狀態(tài)信息以IEC61850標準協(xié)議上傳至間隔層，實現(xiàn)與現(xiàn)有三層兩網(wǎng)智能變電站架構的融合[7][9]。

3.2.1高并發(fā)數(shù)據(jù)處理算法設計

算法設計基于Qt應用程序開發(fā)框架，功能實現(xiàn)采用QList列表類和QThread線程類。主程序讀取XML配置文件，根據(jù)所配置串口模式開啟串口通信線程，串口線程之間互不影響，支持不同modbus功能函數(shù)同時運行，每個串口modbus數(shù)據(jù)采集命令發(fā)送和數(shù)據(jù)接收作為子線程并行運行，系統(tǒng)資源耗費更少，數(shù)據(jù)處理方式更高效；根據(jù)modbus數(shù)據(jù)啟動modbus數(shù)據(jù)解析線程，用QList作為線程間通信方法，方便數(shù)據(jù)擴展，保證程序穩(wěn)定、高效運行。算法設計如圖4所示。

圖5 算法設計流程圖

該算法基于Qt應用程序開發(fā)框架，支持多數(shù)主流操作系統(tǒng)，具有良好的可移植性；算法采用多線程，將數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)解析分離，可以方便的在ARM架構上和x86架構機器上移植。

3.2.2 IEC61850服務端功能設計

LibIEC61850庫對IEC61850的服務端支持包括從靜態(tài)IEC61850數(shù)據(jù)模型生成MMS設備模型和生成報告，此外，IEC61850服務端API還支持IEC61850控制模型；服務端API可用于創(chuàng)建IEC61850兼容的MMS服務端應用；服務端不在運行時解析SCD（XML）文件。

SCD文件將在構建時通過一個C代碼工具進行解析，該工具用于生成IEC 61850數(shù)據(jù)模型定義和其他SCD文件設置的C代碼。服務端功能設計如圖5所示。

圖6 IEC61850服務端功能設計

4工程應用情況

目前該系統(tǒng)已在江蘇某±500kV智能化變電站工程和甘肅某±800kV智能化變電站工程掛網(wǎng)運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)監(jiān)測如下所示。

圖7 ##氣室A相.SF6監(jiān)測.P20曲線圖

圖8 ##氣室.三相監(jiān)測.P20曲線圖

圖9 ##氣室數(shù)據(jù)一覽

5結束語

本文從工程應用角度出發(fā)設計了一次設備SF6氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)，基于Qt庫設計了高并發(fā)數(shù)據(jù)處理算法，用于數(shù)據(jù)采集和存儲；基于LibIEC61850庫實現(xiàn)了IEC61850服務端功能。工程應用結果表明該系統(tǒng)能有效解決一次設備SF6氣體在線監(jiān)測問題，符合智能變電站的發(fā)展要求。