鲁直洗电眾与糸炖♦题电器与能效管理技术（2019NO. 22)
基于IEC 61850规约的变电站直流电源
状态监测系统
刘彪\\曹磊\\马建辉2,王浩彬2
(1.国网新疆电力有限公司乌鲁木齐供电公司，新疆乌鲁木齐830011 ;
2.河北创科电子科技有限公司，河北邯郸056107)
摘要：直流电源系统状态的实时监测与诊断对于变电站的安全稳定运行具有重 要意义。开发了一种基于IEC 61850的变电站直流电源状态监测与诊断系统，系统由 主站单元、数据采集与处理设备（UAPE)、站端装置及状态监测诊断系统组成，实现了 蓄电池、充电装置等直流电源设备的实时监测、分析、诊断和预腎系统遵循IEC 61850状态监测逻辑许点进行建模，采用IEC 61850标准通信服务.具冇良好的互操作
刘彪（1986—)， 男，硕士，高级工程 师，主要从事继电 保护研究。
性和可扩展性。实际丁程应用效果证明了系统的实用性和有效性，为直流电源设备提 有力推动智能运检。供更加精准、高效的状态检修手段，减轻维护人员的丨K力，
关键词：直流电源系统；IEC 61850;状态监测；蓄电池
中图分类号：TM 732文献标志码：A文章编号：2095-8188(20丨9)22\"00834)6DOI： 10. 16628/j.cnki. 2095-8188. 2019. 22.014
Substation DC Power Condition Monitoring
System Based on IEC 61850
UU Biao'，CAO Lei', MA Jianhui1,
WANG Haobin
(1. Urumqi Power Supply Company,State Grid Xinjiang Electric Power Co. , Ltd. , Urumqi 830011 .China；
2. Hebei Chuangke Electronic Technology Co. , Ltd. , Handan 056107,China)
Abstract： The real-time monitoring and diagnosis of DC power system state is of great significance to the safe and stable operation of substation. In this paper,the suhslation DC power condition monitoring and diagnosis system based on IEC 61850 was developed. The system is composed of the master station unit, data acquisition and proc-essing equipment,station end device and condition monitoring and diagnosis system. The real-time monitoring, analysis, diagnosis and early warning of DC power equipment such as batteries and charging devices are realized. The system follows the IEC 61850 state monitoring logic node to model, and adopts IEC 61850 standard communication service, which has good interoperability and scalability. The practical application results prove the practicability and effectiveness of the system, which can provide more accurate and efficient condition-based maintenance means for DC power supply equipment, greatly reduce the pressure of maintenance personnel, and effectively promote intelligent operation and inspection.
Key words： DC power system； IEC 61850； condition monitoring； storage battery
〇引言
随着智能变电站建设的深人推广，实现变电 站内设备状态的在线监测和维护已成为智能变电
站建设的重点内容和关键技术之一 IV国内对 变电站一次、二次设备的状态监测已有了很多的 研究和应用成果,实现了变压器、开关及继电保护 等主要设备状态监测和辅助检修4〜。近年来，
曹磊（1987_),男，硕士，高级工程师，主要从事继电保护与直流研究 马建辉（1977—),男，T.程师，主要从亊电力直流电源系统及控制研究
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电器与能效管理技术（2019NO.22)
奪直洗电器与糸坑专题•直流电器系统•
直流电源系统故障引发变电站全停的扩大事故时 有发生，直流电源系统作为变电站“生命线”的重 要地位日益凸显[~。研究表明，通过计算机信 息处理技术、传感器技术、广域通信技术、状态评 估专家系统等实现直流电源运行状态的在线监 测、实时预警、分析诊断和评估预测，是实现变电 站直流电源设备状态监测、提升直流电源设备运 检管理精益化水平的重要技术手段，可有效提高 装置及状态监测诊断系统组成。直流电源设备运 行工况和信息数据能够通过一体化监控单元就地 展示并转换为标准模型数据，以标准IEC 61850 格式接入当地自动化系统的站控层交换机，并上 传至远方控制中心。系统规范了蓄电池、充电机、 绝缘监测、交流电源、通信、UPS等交直流电源设 备状态监测的数据接入、处理和控制，可以实现状 态信息的状态评价、信息展示、预警分析、故障诊 智能变电站运行安全水平~°]。
目前，国内对变电站直流电源系统的在线监 测等方面已有部分应用和尝试，但功能单一、数据 采集不全，且存在信息孤岛,反映直流电源系统重 要运行状态的参数，如蓄电池内阻、均充电流、容 量测试远程监视与控制等，无法实现实时在线监 测，无法对当前直流电源系统的健康状况进行准 确的判断:11“2]。
在借鉴智能变电站设备状态监测的基础上， 结合直流电源系统自身特点，提出基于1EC 6丨850 的变电站直流电源状态监测系统，并在如下方面 取得创新：
(1) 实现直流电源设备的实时监测和分诊断。
(2)
实现直流电源设备的在线状态检修，省人力维护成本。
(3) 系统采用IEC 61850通信规约，提高系统 开放性、互操作性。
1系统概况
考虑到直流电源设备与变电站主设备在运行
场合、设备成本等方面的差异性，与传统变电站主 设备状态监测系统相比，直流电源设备状态监测 系统应更加集中、监测功能高度集成、站端监控装 置统一布置、能与主站系统信息互动。综合上述 因素，本文以直流操作电源为核心，将交流电源、
直流操作电源、电力用交流不间断电源（U PS)或 电力用逆变电源（INV)、通信用直流变换电源等 组合为一体，全站交流、直流、UPS、通信等电源一 体化设计、一体化配置、一体化监控，通过统一的 智能网络平台，实现变电站电源的集中供电和统 一的监控管理，进而实现在线的状态检测。系统总体结构框架如图1所示。变电站直流 电源状态监测系统主要由主站单元、DAPE、站端 —84 —
断等功能。
变电站直流电源状态监测与评价系统
主站单元
在线
状态智能故障状态监测
査询
告警
定位
评价
其他统一的数据服务组件
系统生产管理 数据库
设备故障案例库状态评价数据库状态监测数据库
变电站
DAPE
变电站
DAPE
IEC 61850
IEC 61850 j
现场总线现场总线
在线监测装置在线监测装置
图1
系统总体设计框架
2系统构成
2.1主站单元
主站单元主要由数据统一服务组件、系统多
元数据库、系统相关技术组件、信息浏览终端等组 成，用于变电站直流电源设备的统一管理、状态监 测、性能评价及缺陷分析等工作。主站单元的应 用功能采用开放式结构，可以“嵌入”到输变电设 备状态监测系统中，实现应用级的无缝衔接。
统一的数据服务组件平台为变电站直流电源 设备在线监测系统及状态诊断、评价专家系统提 供了基础功能服务。数据服务组件包括智能报表 服务组件、地理信息服务组件、任务调度和工作流 服务组件、信息安全服务组件以及与生产管理系 统（PMS)数据库或其他系统数据交换接口组 件等。
系统数据库建立在设备故障案例库、状态评 价数据库和状态监测数据库等多元数据库的基础 上。系统数据库可以通过数据安全访问机制获取
析节
•fi流电器系统• 參直洗电眾与糸虼告■题 电器与能效管理技术(2019NO.22)
PM S的故障缺陷信息、设备台账信息、检修试验 信息、巡检巡查记录、设备家族性缺陷信息等，并 与DAPE现场采集的直流设备状态监测横向实时 数据和纵向历史信息结合，统一构成直流电源设 备的全方位立体信息。
主站系统技术组件包括表现层组件、业务技 术组件、数据访问组件、统一管理组件和基础平台 5部分，其中业务技术组件包含在线监测、状态查 询、智能告警、故障定位、状态评价等功能模块，可 实现直流电源系统设备数据的高级分析和处理。2.2 DAPE 单元
DAPE单元用来实现现场数据采集、处理及 上传等功能，通过变电站直流电源设备的数据上 传接口，采集直流电源系统各类设备的监控终端 数据，然后转化成统一的数据格式，并通过光纤网 络上传至直流电源状态监控维护主站单元，从而 实现直流电源设备监测数据的汇集、集中数据的 远传、数据的安全接人、转发主站控制命令及现场 就地智能化等功能。
通过数据上传接口汇聚现场交直流电源、通
信电源、UPS、INV或交直流一体化电源设备、时 钟同步装置发送的数据，实现分散数据的集中，在 汇集数据的同时实现数据缓存,，通过替代各类监 测装置，集中处理复杂多变的远程通信、信息安 全、就地智能化等方面的共性问题，实现了站用直 流电源系统设备状态监测数据的标准化接入、安 全接人和智能化接入。2.3站端装置
根据多年直流电源设备故障统计信息分析， 故障问题较多的出现在蓄电池、充电机等关键设 备，因此本文提出的状态监测系统主要集中在蓄 电池的状态监测和在线维护、充电机的性能监测、 开关状态的实时监测及信息的规范传输等方面。
直流电源状态监测系统站端装置组成如图2 所示，主要包括监测管理单元、蓄电池管理单元、 充电机管理单元、开关量监测单元、恒流放电控制 单元、规约转换单元及其他信息单元，实现直流电 源设备的各种信号采集、设备运行方式的切换、蓄 电池组的测量和维护评价。
监测管理单元主要用于监控、管理被控设备 的各种参数和工作状态；蓄电池管理单元主要完 成电压采集、内阻测量、温度、在线均衡等功能;充
图2
直流电源状态监测系统站端装置组成
电机管理单元主要监测充电机输出电压、电流，以 及在线监测充电机输出稳压、稳流精度和输出纹 波系数等特性参量;开关量监测单元主要监测直 流馈线开关的运行状态，并实现状态异常告警;恒 流放电模块主要实现对蓄电池的在线核对性放电 功能;规约转换单元是将各种不同规约的直流监 控设备转换成IEC 61850规约，实现数据的汇总 和上传。
2.3. 1蓄电池管理单元
蓄电池管理单元主要由电压采集模块、内阻 测试模块及电压均衡模块组成，其中电压采集模 块实现对蓄电池整组电压、单体电压、电流、温度 等数据的采集。通过电压采集单元与内阻测试单 元测试蓄电池的单体内阻。电压均衡模块实现对 蓄电池组各单体电池的充电电压控制，提高整组 的一致性。
(1)内阻测试模块。内阻是衡量蓄电池性能 的一个重要技术指标，通过测量内阻来确定蓄电 池的状态被证明是一种非常可靠的方法[13]，实现 蓄电池内阻的在线测试，对于准确预判蓄电池的 性能状态和节省周期性线下检修维护成本具有重 要意义。系统采用一种内阻智能在线测试技术， 该技术以瞬间直流放电法测量内阻为基础，结合 智能放电控制组件，实现内阻自动测量，无须人工 干预。蓄电池内阻测试曲线如图3所示。内阻测 试模块内置大功率IGBT恒流电路，通过软件控 制继电器与大功率IGBT模块导通与关断，实现 恒流放电，完成内阻循环测试。
测得蓄电池内阻后，系统通过调用数据库中 蓄电池内阻的横向和纵向历史数据，与得到的内 阻值进行比较，可对蓄电池的性能变化趋势给出 可靠的判断。
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电器与能效管理技术（2019N〇. 22)
#直洗电象与糸坑专题•直流电器系统•
电池浮充电压
____^放电前电压M1
放电前电压K
放电电流I
放电时间
图3蓄电池内阻测试曲线
(2)电压均衡模块。由于蓄电池单体的差异 性，在浮充状态下极易出现个别电池的欠充或过 充，从而影响整组的使用寿命。电压均衡模块根 据电压采集模块所采集的各单体电池电压信息， 按照间歇式低充高放、能量守衡的闭环控制原则， 对高电压蓄电池单体进行放电，并对低电压蓄电 池进行充电，达到整组蓄电池电压的均衡，保证蓄 电池组中每节电池都工作在最佳运行状态，消除 或减少蓄电池水分蒸发干涸及硫化现象，从而延 长电池正常使用寿命，并提高直流系统运行的安
全性。在线均衡充电示意图如图4所示。
过充电流
正常电流
欠充电流
加外部分流
额外补充电流
图4在线均衡充电示意图
2.3.2 充电机管理单元
充电机管理单元可以监测如下数据。(1)
遥测数据：三相输人电压、三相输人电 流、充电机输出电压、充电机输出电流、充放电电 流值、总负载电流、模块输出电流、稳压精度、稳流 精度、纹波系数。
(2)
遥信数据：充电机工作状态（均充充）、直流母线电压过高或过低、直流母线接地、 充电装置故障、直流绝缘监测装置故障，蓄电池熔 断器熔断、断路器脱扣、三相输人过压/欠压、缺 相、三相输出过流。
充电机管理单元通过二相调压器调压使充电 机的输人电压在额定电压的10%范围内变化，利 用直流输出负载装置调整输出电流在〇〜100% 内变化，使充电机直流输出电压在规定范围内变 化,并且在调整范围内测量电压、电流极限值和最 大值，测量直流电压中的脉动峰值，将采集到的数 —86
—
据实时上传,通过监控主机的上位机软件计算出 充电机的稳压精度、稳流精度和纹波系数。2.3.3 开关量监测单元
开关量监测单元用来监测直流馈线断路器开 关合/分位置、跳闸报警信号，并配合动态直流系
统模拟图实时显示直流电源系统运行状态、馈线 开关的运行状态。
2.3.4 恒流放电控制单元
恒流放电控制单元用来实现蓄电池组的远程 核对性放电功能，由双稳态开关、单稳态开关和智 能放电负载组成，其中双稳态开关、单稳态开关完 成直流电源系统运行方式的切换（双组蓄电池系 统）或蓄电池组虚脱机（单组蓄电池系统），在本 地监控装置的控制下，智能放电负载采用EPWM 脉宽调制方式，实现恒流放电，在放电过程中，实 时监视蓄电池组电压、单体电压、放电时间、放电 容量等放电终止保护参数值，任一放电终止条件 满足或出现异常情况，立即停止放电，断开放电开 关，按照严格的操作流程，恢复系统到原来运行状 态，并可远程实现对充电装置的调压及均浮充 转换。
在安全性设计方面，设有开关闭锁和放电保
护,放电保护带有网络通信故障、放电装置故障、 装置通信故障、过热故障、风扇停转等保护机制； 试验时，通过远程命令设置好停机保护条件，如最 低电池组电压、最低单体电压、最大放电容量、最
长放电时间等设置后才能进行核容放电，从而保
证远程核对性放电试验过程的安全性。通过恒流
放电控制单元的接人，实现了对蓄电池组的远程 核对性放电功能，对于解决核对性放电时间盲区、 监测蓄电池带载能力、减轻现场运维人员压力具 有重要意义。
2.3.5 规约转换单元
规约转换单元可以实现将各种不同规约的直
流监控设备转换成IEC 61850规约，在本系统中 规约转换单元将直流监控设备的Modbus规约转 换成IEC 61850规约。
规约转换单兀由IoSewer、DBViewer、IEC 61850 Server 组成。
(1 )I〇Server:建立与监控装置MMServer的连 接，通过Modbus协议获取所需要的点位信息。
(2) DBViewer:数据库浏览工具，能够查看实
、浮 •直流电器系统•
♦直洗电篡与糸虼专题电器与能效管理技术（2019NO.22)
时点位信息。
(3 )IEC 61850 Server: IEC 61850 服务端，将
IoServer■获取的点位信息映射成丨EC 61850对应 数据点位，实现数据的汇总和上传。
系统IEC 61850建模原则完全遵循IEC 61850状态监测逻辑节点，通过自动建模工具导 出适用于直流电源设备状态监测的1EC 61850标 准模型文件。IEC 61850模型文件中Header字段 表示历史版本信息，Communication表示GOOSE 配置等，丨KD表示定值等信息，DataSet表示数据类型及点位信息。下面给出配置文件的部分监测数据点位信息。
< LN (iesc = “模拟量” inst = “rInClass =
“MMXU” lnType =“MMXU—ZZ” >
< DOI desc =“1组蓄电池组压”•ix = “ 八，U，name = Wdl 'V >
< DOI desc =“1组蓄电池电流”IX = (Jname = “ Wd2”/ >< DOI desc =“1组蓄电池温度”ix = Uname = “ Wd3”/ >< DOI desc =“1组单体电压#丨”ix = 0name = “Wd4”/ >2.4状态监测诊断系统
直流电源状态监测诊断系统是基于Windows操 作系统开发的。采用分层分布、面向对象的设计理 念，系统后台程序采用面向对象的C ++编程语言， 前端HMI界面采用亇编程语言。系统具有IEC 61850服务端功能,采用向动建模来提供1EC 61850 模型，从而实现遥信、遥测及文件发布等功能。
系统可以给出满足直流电源设备现场运行所 需要的监视画面，如电气主接线图、设备运行实时 状态图、动态棒状图、实时及历史曲线图和相关统 计用数据表格等。通过对变电站直流电源设备进 行状态监测与诊断，系统可以给出综合、详细的监 测及分析报告，并以数据表格或趋势阁等形式来 表征设备的状态变化趋势。所有监测及测试数据 可通过数据库统一管理并长期储存，也可以打印 输出。系统具备历史监测数据查询、报警及故障 数据查询、数据拷贝等功能。
3工程应用
为验证该系统的有效性和实用性，选取某
220 kV变电站进行试点应用，对该变电站的充电 机、蓄电池等直流电源设备安装站端监控模块，并 在直流屏放置状态监测主机，实现对站端装置的 统一控制及数据的汇总分析，并可通过以太网线 上传至远方控制中心。
监控系统主界面如图5所示，能够清晰地展 示蓄电池、充电装置等各种直流电源设备的在线 监测、控制、告警等信息，实现站用直流电源的可 视化操作和智能控制。
图5监控系统主界面
系统能够实时监测并记录每节蓄电池的电压 和内阻，并具有历史数据的趋势分析功能。某时 间段部分蓄电池数据如表1所示，通过实时数据 库和一段时间内蓄电池单体电压、单体内阻的采 集及压差、内阻增量的计算，经系统内部智能分析 处理，给出蓄电池实时健康状态（S0H),实现对 蓄电池状态的综合诊断。
系统具备蓄电池组在线电压均衡功能。图 6所示为蓄电池组在线均衡前数据，可以看出蓄 电池组最低电压为2.201 V，最高电压为 2.317 V,单体电池最大压差达到116 mV;图7 所示为蓄电池组在线均衡后数据，通过实施在
线均衡技术，单体电池最大压差降至9 mV，有效 提高蓄电池组单体电压的一致性，避免电池过 充或欠充事故。
系统具备蓄电池组进行远程核对性放电试验 功能，通过远程操控放电开关，实时完成蓄电池组 的核容试验，同时可以方便地对蓄电池充放电试 验历史数据进行分析和查询,无需人T.测量，降低 对运维人员的技能要求，提高工作效率和工作安 全性。蓄电池组远程核对性放电曲线如图8 所示。
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电器与能效管理技术（2019NO.22)
參直洗电裒与糸虼专题
•直流电器系统•
表1
编号
1#
2轉某时段部分蓄电池数据
压差
/V
0. 1670. 1840.0880.2590.2420.211
实时 电压/V
2.2372.2442.2352.2862.2362.296
历史最低 电压/V
2.2312.2482.2332.2422.2352.241
历史最高 电压/V
2.3982.4322.3212.5012.4772.452
实测内阻 /mil
1.0110.9820.8741. 1160.9820.941
历史初始 内阻值/mil
0.8150.8280.7990.8020.8430.821
内阻增量/%
24.04918.5999. 38739.15216.48914.616
SOH/%
526381226771
3#4#5#6#
器
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…^ …贤！
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忽
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多种功能，为远程实时监测直流运行数据、分析设 备运行状态、及时制定运维检修策略提供有力的 技术支撑,具备良好的工程应用价值。
从长期推广应用效益考虑，系统的开发能够及 时掌握直流电源系统实时健康状况，减轻现场运维 人员的业务压力，有效防范电网安全隐患的发生, 符合智能运检的发展思路。该系统可以在降低监 测设备成本、提高设备在线测试及诊断准确率等方 面继续优化，做到性价比最优，提高用户体验。
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