段繼洲 張永強(qiáng) 葉 瑞 查笑春 王邦健

（西安西電開關(guān)電氣有限公司，西安 710077）

目前，在實(shí)現(xiàn)基于IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的智能化變電站時(shí)，面向過程層和元件的設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)的要求，如果要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余，那么過程層IED 需配置2 個(gè)以太網(wǎng)接口以接入站級(jí)總線。此外，為提高過程總線的實(shí)時(shí)性并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余，還需要配置多個(gè)以太網(wǎng)接口與過程級(jí)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(huì)大幅度提升，開發(fā)周期也會(huì)相應(yīng)加長(zhǎng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

將所有監(jiān)測(cè)IED 的監(jiān)測(cè)結(jié)果，由一個(gè)獨(dú)立工作的主IED分析、存儲(chǔ)和上傳站控層，能有效減少接口數(shù)量，使其它監(jiān)測(cè)IED 高效工作，不必實(shí)時(shí)與站控層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，各監(jiān)測(cè)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(diǎn)，減輕網(wǎng)絡(luò)流量，簡(jiǎn)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(cè)的特征量，在IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)模型基礎(chǔ)上進(jìn)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。總體系統(tǒng)圖如圖1所示，GIS 在線監(jiān)測(cè)主IED 具備的功能如下：

1）承擔(dān)所有監(jiān)測(cè)IED 監(jiān)測(cè)結(jié)果的綜合分析，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)和文件，通過站控層網(wǎng)絡(luò)報(bào)告綜合分析結(jié)果。

2）站控層通過網(wǎng)絡(luò)經(jīng)由主IED 召喚各監(jiān)測(cè)IED 的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；就地：可通過一體工控機(jī)液晶觸摸屏顯示在線監(jiān)測(cè)結(jié)果；遠(yuǎn)方：通過站控層后臺(tái)顯示綜合分析結(jié)果，遠(yuǎn)方經(jīng)由主IED 召喚監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3）預(yù)留RS-485、光纖等通信口。

圖1 主IED 系統(tǒng)圖

3 硬件結(jié)構(gòu)

因?yàn)楦鞅O(jiān)測(cè)IED 的監(jiān)測(cè)結(jié)果通過過程層網(wǎng)絡(luò)向主IED 報(bào)告自評(píng)估結(jié)果。監(jiān)測(cè)功能組主IED 承擔(dān)所有監(jiān)測(cè)IED 監(jiān)測(cè)結(jié)果的綜合分析，并與過程層、站控層進(jìn)行信息互動(dòng)。所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大、存儲(chǔ)文件多、數(shù)據(jù)上傳實(shí)時(shí)性高。所以對(duì)硬件系統(tǒng)要求很高。為達(dá)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(shí)時(shí)響應(yīng)能力和可靠性。硬件系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 主IED 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 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(gè)串口通信接口和 USB2.0 通信接口，有 2 個(gè)10/100M 以太網(wǎng)接口；硬件平臺(tái)支持WinCE6.0 或WindowsXPE 嵌入式操作系統(tǒng)，能夠支持CF 卡啟動(dòng)；具有增強(qiáng)的IDE 總線接口和PC/104 外部擴(kuò)展接口。

3.2 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(diǎn)，供電輸入為DC110、DC220、AC220。能可靠為系統(tǒng)供電，并具有短路保護(hù)、低紋波、噪聲特點(diǎn)。

3.3 存儲(chǔ)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)選用500G 大容量硬盤,控制系統(tǒng)通過IDE 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3.4 通信接口

雙485 接口與有RS485 總線的監(jiān)測(cè)IED 通信，實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)。光纖接口接入交換機(jī)，主IED 接收所有監(jiān)測(cè)IED 的監(jiān)測(cè)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(cè)設(shè)備之間通過IEC61850通信協(xié)議或RS485 總線進(jìn)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(cè)IED 監(jiān)測(cè)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(jì)不但要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)端口顯示通信情況和還原詳細(xì)通信報(bào)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(jī)上進(jìn)行，完成后將其移植到目標(biāo)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(tái)。

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。

1）主控模塊

主控模塊在系統(tǒng)上電時(shí)作為一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程自動(dòng)運(yùn)行，控制和調(diào)度其他模塊進(jìn)程的運(yùn)行。主控模 塊讀入用戶的配置文件，根據(jù)設(shè)置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后啟動(dòng)通信進(jìn)程。

圖3 軟件系統(tǒng)圖

2）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(kù)函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)全部的IEC61850 功能。

3）數(shù)據(jù)控制模塊

數(shù)據(jù)控制模塊是獨(dú)立的進(jìn)程運(yùn)行。同步信號(hào)處理模塊能同時(shí)進(jìn)行多任務(wù)處理，接收各自獨(dú)立的多路數(shù)據(jù)，并對(duì)各路數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否發(fā)生畸變進(jìn)行校驗(yàn)，以防止提供錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

4.2 GOOSE 通信機(jī)制

IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)定義的GOOSE 模型提供了變電站事件快速傳輸機(jī)制，可用于跳閘和故障錄波啟動(dòng)等。GOOSE 采用發(fā)布/訂閱模式，報(bào)文延時(shí)不得超過4ms。

4.3 協(xié)議實(shí)現(xiàn)

協(xié)議實(shí)現(xiàn)的本質(zhì)就是按照IEC61850 規(guī)約的4 個(gè)語義層次對(duì)其邏輯設(shè)備/邏輯接點(diǎn)、數(shù)據(jù)對(duì)象、數(shù)據(jù)屬性和數(shù)據(jù)集構(gòu)建模型。針對(duì)不同的數(shù)字接口，在報(bào)文發(fā)送時(shí)將數(shù)字輸入/輸出設(shè)備傳送來的信息從報(bào)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡(luò)通信模塊軟件針對(duì)智能設(shè)備初始化報(bào)文及需要協(xié)議的相關(guān)包，對(duì)數(shù)據(jù)作IEC61850 報(bào)文封裝。

5 結(jié)論

本論文通過對(duì)智能化GIS 所用主IED 軟硬件進(jìn)行研究，提出了智能化GIS 用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主IED 的發(fā) 展趨勢(shì)和研究方向。目前，智能化GIS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主IED 的研究尚處于起步階段，對(duì)于GIS 設(shè)備來說，各種運(yùn)行參量的綜合分析需要通過各種經(jīng)驗(yàn)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(yùn)行狀況及故障趨勢(shì)以及發(fā)生故障的概率。對(duì)指導(dǎo)用戶進(jìn)行設(shè)備的檢修及運(yùn)行情況判斷提供一定的參考。

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