CN110277832A - 一种智能变电站分组集中式测控系统及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能变电站分组集中式测控系统及其构建方法。根据一次电气间隔的类型将测控装置按照线路分组、3/2接线分组、母线分组和主变分组进行分组集成，每个电气间隔在分组集中式测控装置中抽象成一个逻辑单元；每个分组配置两个互为主备的测控装置；测控装置实现对过程层以及站控层通讯及测控。本发明通过对智能变电站内电气间隔的测控功能进行分类，按照相似相关的间隔分组式集中原则，在此基础上进行双重化配置，从而在基本不增加设备的情况下，实现测控功能的冗余备用，进一步提高智能变电站监控系统的集成度和可靠性。

Description

一种智能变电站分组集中式测控系统及其构建方法

技术领域

本发明属于电力自动化技术中的测控技术领域，尤其涉及了一种智能变电站分组集中式测控系统及其构建方法。

背景技术

测控装置是变电站自动化系统间隔层的核心设备，实现一次、二次设备信息采集和信息传输，接收控制命令，实现对受控对象的控制。目前变电站内测控装置为按电气间隔单套配置，当间隔测控装置出现故障或异常时，站内监控系统及调度主站将失去对相应电气间隔的测控功能。如何高效的解决测控装置的备用问题已成为智能变电站内监控系统的当务之急。目前主要的解决方案包括间隔测控双重化和集中式冷备用测控。间隔测控双重化虽可解决备用问题，但设备数量、成本都将翻倍；集中式冷备用测控式按照电压等级配置，为按间隔配置测控装置做备用，采用了虚拟测控装置的模型辨识技术，完全模拟故障或异常测控的行为和功能，平时为冷备用状态，在间隔测控故障时投入对应虚拟间隔运行，替代故障的间隔测控。该方案能够一定程度上提高系统可靠性，但集中式测控未按应用类型分类，不同的数据要求交织，难以实现不同厂家设备的备用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种智能变电站分组集中式测控系统及其构建方法，通过对智能变电站内电气间隔的测控功能进行分类，按照相似相关的间隔分组式集中原则，在此基础上进行双重化配置，从而在基本不增加设备的情况下，实现测控功能的冗余备用，进一步提高智能变电站监控系统的集成度和可靠性。

本发明所采用的技术方案如下：

第一方面，一种智能变电站分组集中式测控系统及其构建方法，包括：

对智能变电站中一次设备的测量控制功能进行按电气间隔分组集成，电气间隔的分组包括线路分组、3/2接线分组、母线分组和主变分组，每个电气间隔在分组集中式测控装置中抽象成一个逻辑单元；

每个分组配置两个互为主备的测控装置；

测控装置实现对过程层以及站控层通讯及测控。

结合第一方面，进一步的，测控装置与过程层通讯包括SV报文通讯和GOOSE报文通讯；

测控装置通过其内建的SV报文接收分发模块对每个分组内的各逻辑单元与过程层之间的SV报文进行统一接收和处理。

测控装置通过其内建的GOOSE报文收发对每个分组内的各逻辑单元与过程层之间的GOOSE报文进行统一收发和收发。

结合第一方面，进一步的，测控装置和站控层的通讯通过在测控装置的操作系统中部署虚拟化Docker容器，为各逻辑单元设置独立的通讯模块，通过Docker容器为各逻辑单元提供独立的运行资源。

结合第一方面，进一步的，两个互为主备的测控装置之间采用完全相同的通信参数，按照主备方式运行；测控装置设计主运、备用、故障和检修四种工作状态；主运状态表示当前为实际运行，所有功能和通信状态均正常；备用表示当前为热备用状态，正常采集数据并进行计算处理，但关闭站控层通信功能。故障状态表示当前装置发生故障，退出运行，当装置自检发现异常时置故障状态。检修状态表示当前装置为检修测试状态，功能与通信正常，上送的数据信息带检修品质。

结合第一方面，进一步的，两个互为主备的测控装置通过站控层和过程层GOOSE报文互相发送自身状态信息和心跳信息实现相互监控。

第二方面，一种智能变电站分组集中式测控系统，包括两个互为主备的测控装置；每个测控装置包括过程层模件和站控层模件；其中过程层模件用于实现每个电气间隔分组中多个逻辑单元与过程层之间的报文的集中收发；站控层模件用于实现每个电气间隔分组中多个逻辑单元与站控层之间报文的集中收发。

结合第二方面，进一步的，所述过程层模件包括SV报文接收分发模块和GOOSE报文收发模块，分别用于处理各逻辑单元与过程层接收和发送的SV和GOOSE报文。

结合第二方面，进一步的，所述站控层模件内建虚拟化Docker容器，为各逻辑单元设置独立的通讯模块，通过Docker容器为各逻辑单元提供独立的运行资源。

结合第二方面，进一步的，SV报文接收分发模块在收发SV报文的时候通过通信配置文件中配置的组播MAC地址和APPID(用于标识SV控制块的编号，全变电站唯一)对报文进行过滤，在链路层丢弃无效报文。

有益效果：可应用于智能变电站作为同类相关电气间隔的测控装置，提高了智能变电站设备的集成度，充分发挥智能变电站信息数字化采集、网络化共享的优点。在此基础上进行双重化配置，不增加大量设备的情况下实现测控功能的备用，提高智能变电站监控系统的可靠性，并且由于对智能变电站所有间隔测控功能进行分类充足，提出相似相关间隔分组集中原则可以实现不同数据要求交织，实现不同厂家设备的备用。

附图说明

图1为本发明的系统架构图；

图2为本发明的硬件组成结构示意图；

图3为本发明的过程层数据处理流程图；

图4为本发明的人软件层次结构图；

图5为本发明中逻辑单元功能模块示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

本发明提供一种智能变电站分组集中式测控系统构建方法，包括以下步骤：

对智能变电站中一次设备的测量控制功能进行按电气间隔分组集成，分组包括电气间隔的分组包括线路分组、3/2接线分组、母线分组和主变分组。每个电气间隔在分组集中式测控装置中抽象成一个逻辑单元；

每个分组配置两个互为主备的测控装置；

两个互为主备的测控装置通过站控层和过程层报文互相发送自身状态信息和心跳信息实现相互监控。

测控装置实现对过程层以及站控层通讯及测控。

测控装置与过程层通讯包括SV(Sampled Value，采样值)报文通讯和GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event，面相通用对象变电站事件)报文通讯；

测控装置通过其内建的SV报文接收分发模块对每个分组内的各逻辑单元与过程层之间的SV报文进行统一处理和收发。

测控装置通过其内建的GOOSE报文收发对每个分组内的各逻辑单元与过程层之间的GOOSE报文进行统一处理和收发。

测控装置和站控层的通讯通过在测控装置的站控层模件上安装Linux操作系统，并在该系统中部署虚拟化Docker容器(是一个开源的应用容器引擎，让开发者可以打包他们的应用以及依赖包到一个可移植的镜像中，然后发布到任何流行的Linux或Windows机器上，也可以实现虚拟化)，为各逻辑单元设置独立的通讯模块，通过Docker容器为各逻辑单元提供独立的运行资源。

测控装置采用网络通信方式采集电压、电流和开关量。

图1是本发明一种智能变电站分组集中式测控系统的系统架构图。分组式测控装置采用双套配置，分别表示为A套和B套。双套装置采用并行冗余方式运行，双套测控同时采集智能终端与合并单元数据，并同时具备与站控层监控后台和数据网关机通信能力，互为冗余备用。双套装置使用相同的数据模型和网络通信参数，分别处于主运和备用运行状态，主运状态装置与站控层设备正常通信，备用状态装置关闭与站控层通信功能，监控系统及数据网关机选择主运设备的数据，遥控下行也选择主运设备作为遥控执行端。装置的运行状态在可人工设置，也可在运行过程中自动切换。当主运状态的装置发生故障时，装置中的管理模块自动将自身状态变更为故障状态，同时将状态信息同时通过站控层和过程层GOOSE信息发送给处于热备状态的装置，热备装置管理模块监测到主运装置状态变化为故障态，并确认自身未发生异常，则将自身状态切换为主运状态。通过站控层和过程层网络的GOOSE报文同时发送状态信息是为了避免出现由于网络异常引起的状态切换错误。同时由于主运与备用装置采用的是完全相同的IP地址、信息模型等通信配置，因此为了避免出现双主运的状态对系统运行产生影响，对装置还设置了预设优先级，出现双主运状态时，优先级低的装置自动降为备用状态运行。

图2为本发明中测控装置的硬件结构图。

硬件主要包括过程层模件、站控层模件、电源模件、开入开出集成模件。

所述过程层模件采用组网方式集中接收分组内多个电气间隔的SV报文和GOOSE报文。对于线路分组测控，最大接收8个SV控制块报文。对于3/2串分组测控，最大接收7个SV控制块报文。对于母线分组测控，最大接收6个SV控制块报文。主变分组测控接收主变三侧3个合并单元SV报文。根据IEC81850-9-2标准，装置每秒接收的SV数据量64Mbit，百兆网口可以满足应用要求。GOOSE报文正常运行无变位时流量较小，突发事件时流量较大，由于有多个间隔的集成，接收的GOCB较多。因此SV和GOOSE采用独立的网口接收。过程层模件共设计8个百兆光纤通讯口，4个用于接收SV报文，4个用于接收GOOSE报文，实现负荷均分。

核心硬件主要包括过程层模件和站控层模件。所述过程层模件采用Freescale公司的QorIQ系列处理器P1011，双核处理器，最高主频可达800MHz。采用Xilinx的Spartan6系列LX45大容量FPGA进行SV报文和GOOSE报文的接收和过滤，P1011处理器解析过程层通信配置文件，并将其中组播地址、APPID等参数写入FPGA的寄存器，FPGA根据配置信息对接收的SV和GOOSE报文进行过滤，在链路层丢弃非配置的无效报文，同时对报文流量进行统计，当同一类型报文流量超过阈值时启动风暴抑制，在链路层就丢弃无效报文，确保装置不受到网络风暴的冲击。CPU与FPGA间采用基于1.0a规范的PCIe总线进行数据交换，速率可达1.25Gbps，以满足FPGA与CPU间大量SV数据交互的需求。所述站控层模件的多核处理器采用的是德州仪器公司的AM5726，AM5726为双ARM Cortex-A15核加双C66x DSP核的四核高性能处理器，ARM Cortex-A15处理器主频最高可达到2.5GHz，C66x系列DSP主频最高可以到1.25GHz。多核处理器AM5726主要负责各种测控功能、对外通信、装置的配置管理以及人机接口等。其中2个DSP核实现数据的采集计算、测控的逻辑处理、数据的分析等功能，每个DSP核分别完成4个间隔数据的处理。2个ARM核一个作为管理核，另一个作为通信核，管理核不运行操作系统，采用前后台程序设计架构确保管理、数据采集和控制的实时性；通信核运行linux操作系统，完成IEC61850等各种通信进程的调度。模件包含2片FPGA，通过一片FPGA设计独立MAC以太网实现与站控层监控系统通信，另一片FPGA实现装置对时同步解码、模件间不同处理器的中断同步以及Serdes高速串行总线实现与过程层模件间的高速实时数据交换。

图3为本发明装置过程层数据处理流程。过程层设计SV报文接收分发模块，采用进行统一处理后再分发至各逻辑单元的策略，同时设计过程层GOOSE报文集中收发器，集中处理各逻辑单元接收和发送的GOOSE报文。过程层SV报文接收分发模块先由FPGA根据通信配置文件中配置的组播MAC地址和APPID对报文进行过滤，在链路层就丢弃非配置的无效报文，从而降低CPU负担，同时也能够防止异常的网络风暴对装置造成冲击。过程层SV报文接收分发模块需要对属于同一电气间隔的采样数据进行同步处理，首先在构建分组集中式测控装置模型时，为每个逻辑单元建立独立的过程层SV接收Inputs，进行虚端子连接时用于区分接收不同电气间隔的信息。同时在报文解析时对SVID(SV报文的唯一标识)进行判断，对属于同一Inputs，且SVID中调度编号信息段相同的SV报文进行同步。依据过程层SV报文的采样序号进行不同SV采样通道数据同步，通过设置数据循环缓冲区进行数据采样序号的对齐，序号对齐后的采样数据再依据电气间隔分别组帧分发给站控层模件的各个逻辑单元。同时过程层SV报文接收分发模块还统一对采样值的数据中断、丢点、失步、品质无效等异常情况进行处理。

图4-图5是本发明软件层次结构图和逻辑单元功能模块图，对软件进行分层次和面向对象设计，过程层数据接收处理采用集中处理，应用数据的处理设计多种类型间隔功能模块类，包括遥测计算、遥信记录、遥控逻辑判断、同期合闸、防误闭锁等主要测控功能类，在不同的分组中根据实际需要进行实例化。根据相似性集中原则，线路分组测控对同一母线上的多个功能相同的线路间隔进行集中，最多可集成8条线路。每个线路间隔均为线路间隔各种功能类的实例化后的对象，彼此独立。数据共享方面对于同期功能，所有线路间隔共享母线电压；对于五防功能，所有间隔共享母线及母联间隔相关开关及刀闸位置信息。由于每条线路相同位置的刀闸防误逻辑相同，因此只需对每种类型的刀闸配置一次五防逻辑，然后将逻辑中的对象与各间隔中的实际对象做映射。3/2串分组测控包含完整串中2个边开关间隔、1个中开关间隔以及2个线路间隔，共5个间隔。设计了一个3/2完整串的边开关、中开关以及线路间隔功能类，根据配置信息实例化各间隔。测控内共享了完整串内开关量与模拟量的信息，刀闸遥控的联闭锁信息基本不再依赖间隔间测控装置的站控层联闭锁GOOSE报文传输，避免了因为网络原因引起防误逻辑信息无效、报文丢失等异常现象，提高了防误的可靠性。在SV采样值接收上，从串角度出发按单相母线电压通道、三相线路电压通道及三相边、中开关电流通道，共17个通道设计，接收后直接根据通道映射传递给相应间隔功能模块，完成所有频率、电压、电流、和电流及功率等电气量的计算。与母线相关的间隔主要包括母线间隔，母联间隔及分段间隔，上述间隔的状态构成了不同的母线运行方式，因此母线分组测控可集成上述间隔功能。母线分组测控以双母双分段结构为基础，集成四段母线测控、母联与分段间隔测控功能。同时也可适用于单母线、双母线、双母分段等结构。集成后的母线分组测控可完整采集母线相关的所有信息，对于母线状态的判断和倒母操作带来了便利。主变分组测控相对来说较为简单，主要集成主变高压、中压和低压三侧加主变本体的测控功能。

通信及人机接口软件基于Linux操作系统部署虚拟化Docker容器，不同逻辑单元的通信软件模块设计为不同的APP，通过Docker为各逻辑单元APP提供独立的运行资源，可根据实际工程需要进行安装部署，从而实现基于统一装置平台和基础软件进行不同类型分组集中式测控的动态构建。

为验证本发明分组式集中测控装置的性能是否满足智能变电站监控系统的需求，委托检测机构装置进行了完整的型式试验，功能、精度和电磁兼容等各项测试结果均满足现行国家标准和行业标准。表1至表3给出了装置最为重要的模拟量测量精度、频率偏移和谐波影响下的测量精度测试数据，由测试数据可以看出，电压电流测量精度远优于标准要求的0.2％，功率测量精度也远优于标准要求的0.5％。

表1分组集中式测控装置基本测量误差

表2分组集中式测控装置频率偏移测量误差

频率偏移/Hz	45	48	50	52	55
						电压误差/％	0.022	0.021	0.019	-0.022	0.024

表3分组集中式测控装置谐波影响测量误差

施加20％谐波	二次	三次	五次	七次	十三次
						电压误差/％	0.038	-0.036	0.042	0.046	-0.038
电流误差/％	-0.057	0.062	-0.055	-0.059	0.051

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能变电站分组集中式测控系统构建方法，其特征在于，包括：

对智能变电站中一次设备的测量控制功能进行按电气间隔分组集成，每个电气间隔在分组集中式测控装置中抽象成一个逻辑单元；

每个分组配置两个互为主备的测控装置；

测控装置实现对过程层以及站控层通讯及测控。

2.根据权利要求1所述的一种智能变电站分组集中式测控系统构建方法，其特征在于：

测控装置与过程层通讯包括SV报文通讯和GOOSE报文通讯；

测控装置通过其内建的SV报文接收分发模块对每个分组内的各逻辑单元与过程层之间的SV报文进行统一接收和处理；

测控装置通过其内建的GOOSE报文收发模块对每个分组内的各逻辑单元与过程层之间的GOOSE报文进行统一收发和处理。

3.根据权利要求1所述的一种智能变电站分组集中式测控系统构建方法，其特征在于：

测控装置和站控层的通讯通过在测控装置的操作系统中部署虚拟化Docker容器，为各逻辑单元设置独立的通讯模块，通过Docker容器为各逻辑单元提供独立的运行资源。

4.根据权利要求1所述的一种智能变电站分组集中式测控系统构建方法，其特征在于：电气间隔的分组包括线路分组、3/2接线分组、母线分组和主变分组。

5.根据权利要求1所述的一种智能变电站分组集中式测控系统构建方法，其特征在于：两个互为主备的测控装置之间采用完全相同的通信参数，按照主备方式运行；测控装置设计主运、备用、故障和检修四种工作状态。

6.根据权利要求1所述的一种智能变电站分组集中式测控系统构建方法，其特征在于：两个互为主备的测控装置通过站控层和过程层GOOSE报文互相发送自身状态信息和心跳信息实现相互监控。

7.基于权利要求1-6所述的构建方法构建的智能变电站分组集中式测控系统，其特征在于，包括两个互为主备的测控装置；每个测控装置包括过程层模件和站控层模件；其中过程层模件用于实现每个电气间隔分组中多个逻辑单元与过程层之间的报文的集中收发；站控层模件用于实现每个电气间隔分组中多个逻辑单元与站控层之间报文的集中收发。

8.根据权利要求7所述的一种智能变电站分组集中式测控系统，其特征在于，所述过程层模件包括SV报文接收分发模块和GOOSE报文收发模块，分别用于处理各逻辑单元与过程层接收和发送的SV和GOOSE报文。

9.根据权利要求7所述的一种智能变电站分组集中式测控系统，其特征在于，所述站控层模件内建虚拟化Docker容器，为各逻辑单元设置独立的通讯模块，通过Docker容器为各逻辑单元提供独立的运行资源。

10.根据权利要求7所述的一种智能变电站分组集中式测控系统，其特征在于，SV报文接收分发模块在收发SV报文的时候通过通信配置文件中配置的组播MAC地址和APPID对报文进行过滤，在链路层丢弃无效报文。