西安西電開關(guān)電氣有限公司的研究人員段繼洲、張永強等，在2014年《電氣技術(shù)》雜志增刊上撰文，迄今較完善的變電站自動化的通信標準是IEC61850，其首要目標是實現(xiàn)互操作性。按照IEC61850的劃分，GIS狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)屬于變電站中的過程層設(shè)備。將GIS的所有運行狀態(tài)在線監(jiān)測的監(jiān)測結(jié)果，由一個獨立工作的主IED分析、存儲和上傳站控層，能有效減少接口數(shù)量，使其它監(jiān)測設(shè)備高效工作，不必實時與站控層進行數(shù)據(jù)交互。主IED大幅度減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，減輕網(wǎng)絡(luò)流量，簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)可靠性。
目前，在實現(xiàn)基于IEC61850標準的智能化變電站時，面向過程層和元件的設(shè)計思想使得現(xiàn)有IED數(shù)量增多，各自組網(wǎng)，占用了大量的網(wǎng)絡(luò)資源，并在網(wǎng)絡(luò)接口能力、整體功能協(xié)同方面有局限性。
根據(jù)IEC61850標準的要求，如果要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余，那么過程層IED需配置2個以太網(wǎng)接口以接入站級總線。此外，為提高過程總線的實時性并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余，還需要配置多個以太網(wǎng)接口與過程級的設(shè)備組網(wǎng)通信。要滿足智能化變電站所要求的網(wǎng)絡(luò)接口能力，那么IED的主體硬件結(jié)構(gòu)要改變，軟件系統(tǒng)也要更新，成本將會大幅度提升，開發(fā)周期也會相應(yīng)加長。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
將所有監(jiān)測IED的監(jiān)測結(jié)果，由一個獨立工作的主IED分析、存儲和上傳站控層，能有效減少接口數(shù)量，使其它監(jiān)測IED高效工作，不必實時與站控層進行數(shù)據(jù)交互，各監(jiān)測IED不用改變主體硬件結(jié)構(gòu)。主IED大幅度減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，減輕網(wǎng)絡(luò)流量，簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，解決了以上的現(xiàn)狀問題，提高了系統(tǒng)可靠性。
2 功能
根據(jù)GIS在線監(jiān)測的特征量，在IEC61850標準模型基礎(chǔ)上進行信息建模和服務(wù)建模。IEC61850規(guī)范了數(shù)據(jù)模型、服務(wù)以及建模方法?？傮w系統(tǒng)圖如圖1所示，GIS在線監(jiān)測主IED具備的功能如下：
a、承擔所有監(jiān)測IED監(jiān)測結(jié)果的綜合分析，并存入數(shù)據(jù)庫和文件，通過站控層網(wǎng)絡(luò)報告綜合分析結(jié)果；
b、站控層通過網(wǎng)絡(luò)經(jīng)由主IED召喚各監(jiān)測IED的監(jiān)測數(shù)據(jù)；就地：可通過一體工控機液晶觸摸屏顯示在線監(jiān)測結(jié)果；遠方：通過站控層后臺顯示綜合分析結(jié)果，遠方經(jīng)由主IED召喚監(jiān)測數(shù)據(jù)。
c、預(yù)留RS-485、光纖等通信口。
3 硬件結(jié)構(gòu)
因為各監(jiān)測IED的監(jiān)測結(jié)果通過過程層網(wǎng)絡(luò)向主IED報告自評估結(jié)果。監(jiān)測功能組主IED承擔所有監(jiān)測IED監(jiān)測結(jié)果的綜合分析，并與過程層、站控層進行信息互動。所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大、存儲文件多、數(shù)據(jù)上傳實時性高。所以對硬件系統(tǒng)要求很高。為達到系統(tǒng)的性能要求，硬件系統(tǒng)需要有很高的數(shù)據(jù)處理能力、實時響應(yīng)能力和可靠性。硬件系統(tǒng)如圖2。
a 控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)采用嵌入式PC，有最大1660M頻率的雙核CPU，支持DDRⅢ內(nèi)存最大到2GB，支持多個串口通信接口和USB2.0通信接口，有2個10/100M以太網(wǎng)接口；硬件平臺支持WinCE6.0或WindowsXPE嵌入式操作系統(tǒng)，能夠支持CF卡啟動；具有增強的IDE總線接口和PC/104外部擴展接口。
b 電源模塊
電源模塊具有交直流兩用、高效率、高可靠性、低功耗、安全隔離等優(yōu)點，供電輸入為DC110、DC220、AC220。能可靠為系統(tǒng)供電，并具有短路保護、低紋波、噪聲特點。
c 存儲系統(tǒng)
數(shù)據(jù)存儲選用500G大容量硬盤, 控制系統(tǒng)通過IDE總線進行數(shù)據(jù)存儲。
d 通信接口
雙485接口與有RS485總線的監(jiān)測IED通信，實時讀取數(shù)據(jù)分析、存儲。光纖接口接入交換機，主IED接收所有監(jiān)測IED的監(jiān)測結(jié)果并分析通過光纖上傳到站控層。硬件支持以太網(wǎng)通信協(xié)議?？刂葡到y(tǒng)分為兩層：第一，與各監(jiān)測設(shè)備之間通過IEC61850通信協(xié)議或RS485總線進行數(shù)據(jù)交換；第二，與服務(wù)器之間通過TCP/IP協(xié)議互相傳送數(shù)據(jù)和文件。
4 軟件系統(tǒng)
軟件系統(tǒng)包括召喚各監(jiān)測IED監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理程序、完成數(shù)據(jù)鏈路層以上的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所規(guī)定的通訊功能程序，以及執(zhí)行相應(yīng)中斷的服務(wù)程序。
系統(tǒng)設(shè)計不但要實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集，分析整理數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)傳輸給站控層網(wǎng)絡(luò)，還要提供配置功能，針對端口顯示通信情況和還原詳細通信報文。軟件系統(tǒng)如圖3所示，用WindowsXPE嵌入式系統(tǒng)作多任務(wù)的調(diào)度，用戶開發(fā)應(yīng)用程序可以在普通PC機上進行，完成后將其移植到目標系統(tǒng)即可。其內(nèi)置了TCP/IP協(xié)議棧，不需要移植就可提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信平臺。
4.1 軟件系統(tǒng)框架
軟件系統(tǒng)框架采用面向?qū)ο蟮哪K化結(jié)構(gòu)，由主控模塊、規(guī)約模塊、數(shù)據(jù)控制模塊組成。
a、主控模塊
主控模塊在系統(tǒng)上電時作為一個獨立的進程自動運行，控制和調(diào)度其他模塊進程的運行。主控模塊讀入用戶的配置文件，根據(jù)設(shè)置對系統(tǒng)進行初始化，然后啟動通信進程。
b、通信模塊
通信規(guī)約模塊是主處理模塊，調(diào)用Net-CoreIDE-61850開發(fā)包提供的庫函數(shù)，以實現(xiàn)全部的IEC61850功能。
c、數(shù)據(jù)控制模塊
數(shù)據(jù)控制模塊是獨立的進程運行。同步信號處理模塊能同時進行多任務(wù)處理，接收各自獨立的多路數(shù)據(jù)，并對各路數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否發(fā)生畸變進行校驗，以防止提供錯誤數(shù)據(jù)。
4.2 GOOSE通信機制
IEC61850標準定義的GOOSE模型提供了變電站事件快速傳輸機制，可用于跳閘和故障錄波啟動等。GOOSE采用發(fā)布/訂閱模式，報文延時不得超過4ms。
4.3 協(xié)議實現(xiàn)
協(xié)議實現(xiàn)的本質(zhì)就是按照IEC61850規(guī)約的4個語義層次對其邏輯設(shè)備/邏輯接點、數(shù)據(jù)對象、數(shù)據(jù)屬性和數(shù)據(jù)集構(gòu)建模型。針對不同的數(shù)字接口，在報文發(fā)送時將數(shù)字輸入/輸出設(shè)備傳送來的信息從報文中拆解出來，然后通過控制系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)通信模塊進行數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡(luò)通信模塊軟件針對智能設(shè)備初始化報文及需要協(xié)議的相關(guān)包，對數(shù)據(jù)作IEC61850報文封裝。
4 結(jié)論
本論文通過對智能化GIS所用主IED軟硬件進行研究，提出了智能化GIS用監(jiān)測系統(tǒng)主IED的發(fā)展趨勢和研究方向。目前，智能化GIS監(jiān)測系統(tǒng)主IED的研究尚處于起步階段，對于GIS設(shè)備來說，各種運行參量的綜合分析需要通過各種經(jīng)驗算法，利用主IED軟硬件的綜合分析功能，最終綜合判斷出GIS設(shè)備各單元的運行狀況及故障趨勢以及發(fā)生故障的概率。對指導(dǎo)用戶進行設(shè)備的檢修及運行情況判斷提供一定的參考。
聯(lián)系客服
