基于LibIEC61850库的智能变电站SF6状态在线监测系统设计与实现
平高集团有限公司的研究人员张旭、刘逸凡、寇新民、陈富国，在2018年第1期《电气技术》杂志上撰文，针对目前智能变电站中设备智能化的要求，本文设计并实现了智能变电站SF6气体状态在线监测系统。该系统以基于Qt的高并发数据处理算法和IEC61850服务端功能设计为核心，通过对多传感器的采集，利用高并发数据处理算法解析存储，通过IEC61850服务端上传监测数据，对变电站一次设备内SF6气体状态信息实时在线监测。
目前该系统已成功应用南京某500kV智能变电站，验证了该系统的稳定可靠。
1引言
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，IEC61850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LibIEC61850库中对IEC61850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。
2 IEC61850服务端功能实现
2.1 LibIEC61850概述
LibIEC61850是一个开源的实现IEC61850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机上实现IEC61850客户端和服务端应用程序[4-5]。LibIEC61850的客户端和服务端API如图1和图2所示。
图1 服务端应用程序接口
图2 客户端应用程序接口
2.2 LibIEC61850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LibIEC61850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 dotne
t
make README third_party
其中，README文件对libiec61850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文件夹里有三个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
3系统详细设计方案
3.1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IEC61850通信规约上传数据，通信结构如图3所示。
图4 SF6状态数据通信示意图
3.1.1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；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；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；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。
3.1.2 RS485集线器选型设计
RS485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RS485信号输入，4路RS485信号输出，通讯距离大于1200米；隔离电压2.5kVrms/500VDC绝缘，RS485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。
3.1.3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。
3.2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IEC61850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]。
3.2.1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4所示。
图5 算法设计流程图
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。
3.2.2 IEC61850服务端功能设计
LibIEC61850库对IEC61850的服务端支持包括从静态IEC61850数据模型生成MMS设备模型和生成报告，此外，IEC61850服务端API还支持IEC61850控制模型；服务端API可用于创建IEC61850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。服务端功能设计如图5所示。
图6 IEC61850服务端功能设计
4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，数据监测如下所示。
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
5结束语
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LibIEC61850库实现了IEC61850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。