CN101409463A - 电力系统数字化变电站的保护与视频系统联动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力系统数字化变电站的保护与视频系统联动控制方法，包括以下步骤：建立映射关系、捕获并解析GOOSE报文、打开照明、启动录像、切换视频通道以及报警及实现保护与视频系统联动。保护与视频系统联动方式包括采用软件编程方式或增加一台专门用于实现GOOSE联动的通信服务器方式，完成建立映射关系、获取及解析GOOSE报文功能，按照遥视系统的远传协议，通过网络向视频处理单元发出摄像机定位、录像和视频通道切换等控制命令，完成保护与视频系统联动的功能。本发明方法适用于数字化变电站，运用数字化变电站中最重要的一类通信服务——面向通用对象的变电站事件，不依赖于综自系统而独立完成了变电站二次系统与视频控制系统的联动功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力系统，尤其涉及一种电力系统数字化变电站的保护与视频系统联动控制方法。
背景技术
变电站遥视系统(Remote Video Surveillance System for Substation，RVSS)不仅能为远方提供变电站各类设备运行状况的实时图像，实现电网的可视化监控与调度，提高变电站运行和维护的安全性与可靠性；还能记录现场的各类事故和报警信息，为事故分析提供第一手资料。因此，RVSS已经成为无人、甚至有人值班变电站必备的建设项目。如图1所示，目前，传统的变电站遥视系统RVSS架构多采用集中管理、分层控制的系统架构，大致可分为三层：多个变电站(1-n)、管理服务器和监控中心。
传统的变电站端由多个摄像机(1-m)、各类探头/对射、报警控制器、视频处理单元(Remote Video Unit，RVU)等信号采集处理设备组成，其内部结构如图2所示。变电站端的功能包括：实时图像监控/录像、摄像机控制、事故报警，接受远方操控配置等。RVU是变电站端的核心设备，通常为专用的视频服务器。它完成站内所有视音频信号及消防、防盗、门禁、照明等控制器信息的转换、处理、编码、存储和上传；同时与管理服务器相连，接收控制命令对站内所有可控对象进行操控。管理服务器对各变电站端的RVU进行集中管理，为监控中心提供视频服务地址(视频流仍由RVU直接提供)，向RVU转发监控中心的控制命令，并进行系统用户管理和日志记录等。监控中心由监控工作站和电力网上的终端用户组成。它的功能包括：远程监控、图像管理、报警管理、安全管理、系统配置，网页浏览等。
与综自系统的联动是RVSS的一项重要应用。它要求RVSS能够获取并解析综自系统的“四遥”信息，当发生遥信变位、事故告警等事件后，能快速驱动摄像机转向相关的一二次设备并进行记录。如何获取“四遥”信息并建立它们与摄像机的对应关系则是实现该项功能的关键。以往，由于变电站内各系统相互独立，RVSS只能借助综自系统的通信管理机或者监控主机转发“四遥”信息。这不免带来了不少工作量且增加了原有系统的复杂性，因而难以得到综自厂商的全力配合，导致RVSS获取信息的完整性、实时性得不到保证，联动的效果受到了限制。
数字化变电站中绝大多数自动化功能都以通信方式实施，而站内各系统的融合与集成应用又是其内在诉求。这就给重新设计RVSS的联动功能带来了新的技术条件与现实需要。
面向通用对象的变电站事件(GOOSE)是数字化变电站中最重要的一类通信服务：一次设备的操控，二次设备的闭锁、联动等都是由GOOSE通信实现的。变电站遥视系统(RVSS)在电力系统各电压等级的变电站中获得的广泛的应用，目前发展的趋势要求其动作行为更加智能化。数字化变电站技术的出现为RVSS的智能化发展提供了更加便利的条件。以往，由于变电站内各系统相互独立，RVSS只能借助综自系统的通信管理机或者监控主机转发“四遥”信息。这不免带来了不少工作量且增加了原有系统的复杂性，因而难以得到综自厂商的全力配合，导致RVSS获取信息的完整性、实时性得不到保证，联动的效果受到了限制。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种电力系统数字化变电站的保护与视频系统联动控制方法，在电力系统数字化变电站中实现保护设备与视频系统的联动控制。
本发明方法包括以下步骤：1.1建立各摄像机的编号及各预置位与代表GOOSE事件内容的GOOSE变量列表成员之间的映射关系；1.2从数字化变电站的过程层、间隔层网络或独立GOOSE网络上捕获GOOSE报文；1.3解析GOOSE报文：1.4根据摄像机编号及各预置位和视频通道号通过视频处理单元控制特定摄像机转向特定预置位，打开照明、启动录像、切换视频通道以及报警；1.5保护与视频系统联动：采用软件编程方式，视频处理单元开放编程接口并提供一个以太网通信口，在数字化变电站的视频处理单元中增加GOOSE联动中间件，该中间件作为一个进程运行在视频处理单元上，它通过调用动态链接库或者软件开发工具包接口访问视频处理单元上的变电站遥视系统应用程序：将摄像机编号及各预置位传给摄像机控制函数，由其完成摄像机的定位和启动录像；将视频通道号传给视频输出控制函数，由其完成上传视频通道的切换；或增加一台专门用于实现GOOSE联动的通信服务器，由该通信服务器完成建立映射关系、获取及解析GOOSE报文功能，按照遥视系统的远传协议，通过网络向视频处理单元发出摄像机定位、录像和视频通道切换等控制命令，完成保护与视频系统联动的功能。
本发明所述的保护与视频系统联动控制方法中的建立摄像机的编号及各预置位与GOOSE变量列表成员的映射关系的步骤为：第一步：根据摄像机与被控或关联二次设备的对应关系，建立各摄像机的编号/各预置位与系统配置描述文件中物理设备名称的对应；第二步：遍历系统配置描述文件，在各智能电子设备元素中找出通用变电站事件控制块并记录其唯一的应用标识，GOOSE变量列表成员与智能电子设备名称的对应由应用标识与智能电子设备名称的对应来反映；第三步，由摄像机编号及预置位与智能电子设备名称、GOOSE变量列表成员与智能电子设备名称的对应，建立摄像机编号及预置位与GOOSE变量列表成员之间的映射关系，并最终形成配置文件，用于实现GOOSE联动的通信服务器通过加载该配置文件获知映射关系。
本发明所述捕获GOOSE报文采用视窗操作系统数据包捕获功能完成，数据包捕获功能由包过滤设备驱动模块、底层动态连接库及高层动态连接库完成。
本发明提出的根据保护动作信息进行视频系统联动控制的方法适用于数字化变电站，运用数字化变电站中最重要的一类通信服务-面向通用对象的变电站事件(GOOSE)，不依赖于综自系统而独立完成了变电站二次系统与视频控制系统的联动功能。具备以下优点：1.实现了保护系统与视频控制系统之间的联动，这在以往的视频系统中是无法完成该项功能的，保护和视频的联动使得在数字化变电站中当保护设备动作以后，运行人员可以在第一时间查看到已动作的保护装置的动作情况，或通过录像查看该信息；2.本发明直接从数字化变电站的网络层(站控层、过程层或单独的GOOSE网络)捕获并解析GOOSE报文，在不依赖于变电站综自系统的转发的情况下，独立完成了更智能、更实时，更复杂的联动功能，实现了与数字化变电站的高度融合。
附图说明
图1为传统的变电站遥视系统构成框图；
图2为变电站遥视系统内部结构图；
图3GOOSE报文解析流程；
图4由中间件实现GOOSE联动原理图；
图5由GCS实现GOOSE联动的原理图。
具体实施方式
以下结合实施例并对照附图对本发明进行详细说明。
本发明方法包括以下步骤：
一、建立映射关系
本环节建立各摄像机的编号(cameraID)及各预置位(cameraPreset，包括方位、观察角度和焦距等)与代表GOOSE事件内容的GOOSE变量列表成员(allData)之间的映射关系。
建立摄像机的编号/各预置位与变量列表成员的映射关系需要变电站的摄像机安装配置信息和系统配置描述(System Configuration Description，SCD)文件。
第一步：根据摄像机与被控或关联二次设备的对应关系，建立各摄像机的编号/各预置位与系统配置描述文件中物理设备名称的对应。
第二步：遍历系统配置描述文件，在各智能电子设备元素中找出通用变电站事件控制块(GSEControl)并记录其唯一的应用标识(appID)。由于GSEControl和其采用的数据集(datSet)一定属于同一个IED，而变量列表成员是数据集在制造报文规范(MMS)中的实现。因此，变量列表成员与IED name的对应可以由应用标识与IED name的对应来反映。
第三步，由cameraID/cameraPreset与IED name、allData与IED name的对应，建立cameraID/cameraPreset与allData之间的映射关系，并最终形成配置文件GSE.ini，用于实现GOOSE联动的通信服务器(后文简称GCS)则通过加载该文件获知映射关系。
二、捕获GOOSE报文
从数字化变电站的过程层、间隔层网络或独立GOOSE网络上捕获并解析GOOSE报文。
为了减少组帧、传输及解析的时间，GOOSE报文直接从应用/表示层映射到数据链路层；但RVU和GCS大多为基于Win32平台的工控机，默认通过完整的TCP/IP协议栈对外通信，应用层以下各层并不向用户开放。这就需要设法绕开操作系统的协议栈，以使RVU和GCS上的应用程序能够直接从数据链路层上获取GOOSE报文。
WinPcap(Windows Packet capture)是Win32平台上的免费开发工具，它的基本功能是为应用程序提供访问协议栈底层的能力，如捕获/发送链路层上的数据帧、包过滤、网络负荷监控等。WinPcap由一个内核级模块、二个用户级模块组成：
1)包过滤设备驱动(npf.sys)运行于操作系统的内核，它绕开了操作系统的协议栈直接与网卡驱动交互，实现了WinPcap的绝大部分功能。
2)底层DLL(packet.dll)提供了一套可以直接访问网卡驱动的应用程序接口，用于解决不同版本操作系统的差异，使得基于WinPcap开发的应用程序能够运行于所有的Win32系统。
3)高层DLL(wpcap.dll)在packet.dll之上，为用户提供了一套功能更强大、使用更简单，且独立于网卡硬件和操作系统的函数库，调用这些函数是使用WinPcap捕获GOOSE报文的主要方法，基本流程如下：
第一步，在函数GSE_InitialWinPcap中依次调用下列函数完成WinPcap的初始化：
pcap_findalldevs用于枚举本机所有可用网卡并形成列表。pcap_open_live用于打开指定网卡并返回其句柄，参数依次为：网卡名称、数据长度、混杂模式、读取超时时间和出错缓冲池，数据长度为65535可以确保应用程序提取到完整的以太网帧。pcap_compile用于编译包过滤规则，第三个参数为“ether proto 0x88B8”表示只捕获以太网型式为0x88B8的报文，即GOOSE报文；pcap_setfilter将pcap_compile生成的过滤规则fcode加载到指定网卡上。pcap_freealldevs则用于释放pcap_findalldevs生成的网卡列表。
第二步，启动一个线程GSE_CaptureThread，通过循环调用pcap_next_ex(参数依次为：网卡句柄、信息指针和数据包指针)不断读取GOOSE报文：返回值为0代表读取超时，即未捕获到GOOSE报文；返回值为1代表捕获到1帧GOOSE报文，随即可以解析存放在信息指针(header)与数据包指针(pkt_data)指向地址中的捕获信息(捕获时间、包长度等)与报文内容；返回值为-1代表读取出错。
GOOSE采用周期(稳态时)或变长指数型(新事件发生后)的重传机制。故在GSE_CaptureThread中插入适当的等待(Sleep)，可以在不遗漏GOOSE事件的前提下，减轻RVU和GCS处理器的负担。
此外，捕获GOOSE报文的先决条件是将RVU或GCS接入GOOSE网的交换机，并将接入端口加入各实现不同GOOSE应用的虚拟局域网(VLAN)。
三、解析GOOSE报文
在本环节，当发现GOOSE事件更新后，根据已建立的映射关系，找到与该GOOSE报文中allData对应的cameraID/cameraPreset以及cameraID对应的视频通道号(displayCH)。
实现RVSS与GOOSE的联动并不需要完整解析GOOSE报文，只需要获知报文中的applD、状态号(StNum)、顺序号(SqNum)、测试(Test)和存活时间(TAL)等控制块参数，这些工作在函数GSE_AnalyzePacket中完成，如图3所示。
第一步，根据从header中得到的数据包长度，从pkt_data中拷贝出报文；同时判断第17/18字节是否为0x88B8，即复核报文是否为GOOSE报文。
第二步，根据抽象语法记法(ASN.1)及其基本编码规则(BER)、IEC 61850标准规定的编码标记(Tag)及数据类型解码下列参数：TAL(Tag等于81，无符号整型)、appID(Tag等于83，字符串)、StNum(Tag等于85，无符号整型)、SqNum(Tag等于86，无符号整型)、Test(Tag等于87，布尔型)。
第三步，根据上述参数，依次做出如下判断：是否为测试报文、是否为新事件、StNum是否正确、SqNum是否正确、传输是否超时，继而对报文采取不同的处理方法：
1)如果是有效的新事件(非测试，StNum加1、复归或首次获得，SqNum等于1，未超时)，则将appID作为参数去调用摄像机/预置位查找函数GSE_GetCamera，通知其GOOSE事件更新。再由GSE_GetCamera根据映射关系找到与appID对应的cameraID/cameraPreset，并据此调用摄像机控制函数和视频输出控制函数，最终实现GOOSE联动。
2)如果是StNum和SqNum正确的重传、超时或测试报文，只更新记录SqNum的变量和比对TAL的变量，不调用GSE_GetCamera，并将该报文作为反映通信和设备状态的事件记录。
3)如果是StNum或SqNum出错，记录出错值，并根据下一帧具有同一appID的GOOSE报文中的StNum或SqNum决定是重新开始计数还是丢弃出错报文。
四、驱动视频系统动作
在本环节根据cameraID/cameraPreset和displayCH通过视频处理单元控制特定摄像机转向特定预置位，打开照明(夜间)、启动录像、切换视频通道以及报警处理等。
五、保护与视频系统联动实现方法
在以上四个步骤均可以GOOSE联动中间件的形式在RVU中实现，如图4所示。
遥视系统通过防火墙与变电站综自系统的GOOSE网交换机相连，GOOSE联动中间件作为一个进程运行在RVU上，它通过调用动态链接库(DLL)或者软件开发工具包(SDK)接口访问RVU上的RVSS应用程序：将cameraID/cameraPreset传给摄像机控制函数，由其完成摄像机的定位和启动录像；将displayCH传给视频输出控制函数，由其完成上传视频通道的切换(由于E1信道带宽有限，同一时刻只能上传1～2个通道的视频)。
以中间件的方式实现GOOSE联动不需要增加硬件设备，只要求RVU开放编程接口并提供一个以太网通信口。但若不具备上述条件(如不允许改动RVU)，则可采用第二种方法，即增加一台专门用于实现GOOSE联动的通信服务器(GCS)，如图5所示。
在依次完成三个环节后，GCS采用类似监控中心远程监控的方法完成最后一个环节：按照RVSS的远传协议，通过网络向RVU发出摄像机定位、录像和视频通道切换等控制命令。这与监控中心远程监控的区别在于：前者由GOOSE更新事件自动触发，后者由远方监控人员手动触发。
第二种方法不需要改动RVU，与原有RVSS的耦合度小，但需要在变电站端配备一台GCS。
两种联动方法的实施过程基本一致(仅最后一个环节不同)、技术难度相当，采用哪种方案可根据RVSS的配置、开放程度和建设资金等实际情况做出选择。
Claims (3)
1、一种电力系统数字化变电站的保护与视频系统联动控制方法，其特征在于：
包括以下步骤：
1.1建立各摄像机的编号及各预置位与代表GOOSE事件内容的GOOSE变量列表成员之间的映射关系；
1.2从数字化变电站的过程层、间隔层网络或独立GOOSE网络上捕获GOOSE报文；
1.3解析GOOSE报文：
当发现GOOSE事件更新后，根据摄像机编号及预置位与GOOSE变量列表成员之间的映射关系，找到与该GOOSE报文中变量列表成员对应的摄像机编号及预置位相应的视频通道号，获知报文中的应用标识、状态号、顺序号、测试和存活时间等控制块参数，其步骤如下：
(1.3.1)根据从信息指针中得到的数据包长度，从数据缓冲区中拷贝出报文；同时判断并复核报文是否为GOOSE报文；
(1.3.2)根据抽象语法记法及其基本编码规则、IEC 61850标准规定的编码标记及数据类型解码下列参数：存活时间、应用标识、状态号、顺序号、测试标志；
(1.3.3)根据上述参数，依次做出如下判断：是否为测试报文、是否为新事件、状态号是否正确、顺序号是否正确、传输是否超时，继而对报文采取不同的处理方法：
当为有效的新事件，则将应用标识作为参数去调用摄像机/预置位查找函数，通知其GOOSE事件更新，再由查找函数根据映射关系找到与应用标识对应的摄像机编号及各预置位，并据此调用摄像机控制函数和视频输出控制函数，最终实现GOOSE联动；
当为状态号和顺序号正确的重传、超时或测试报文，只更新记录顺序号的变量和比对存活时间的变量，不调用摄像机/预置位查找函数，并将该报文作为反映通信和设备状态的事件记录；
当状态号或顺序号出错，记录出错值，并根据下一帧具有同一应用标识的GOOSE报文中的状态号或顺序号决定是重新开始计数还是丢弃出错报文；
1.4根据摄像机编号及各预置位和视频通道号通过视频处理单元控制特定摄像机转向特定预置位，打开照明、启动录像、切换视频通道以及报警处理；
1.5保护与视频系统联动：
采用软件编程方式，视频处理单元开放编程接口并提供一个以太网通信口，在数字化变电站的视频处理单元中增加GOOSE联动中间件，该中间件作为一个进程运行在视频处理单元上，它通过调用动态链接库或者软件开发工具包接口访问视频处理单元上的变电站遥视系统应用程序：将摄像机编号及各预置位传给摄像机控制函数，由其完成摄像机的定位和启动录像；将视频通道号传给视频输出控制函数，由其完成上传视频通道的切换；或增加一台专门用于实现GOOSE联动的通信服务器，由该通信服务器完成建立映射关系、获取及解析GOOSE报文功能，按照遥视系统的远传协议，通过网络向视频处理单元发出摄像机定位、录像和视频通道切换等控制命令，完成保护与视频系统联动的功能。
2、根据权利要求1所述的保护与视频系统联动控制方法，其特征在于：
建立摄像机的编号及各预置位与GOOSE变量列表成员的映射关系的步骤为：
第一步：根据摄像机与被控或关联二次设备的对应关系，建立各摄像机的编号/各预置位与系统配置描述文件中物理设备名称的对应；
第二步：遍历系统配置描述文件，在各智能电子设备元素中找出通用变电站事件控制块并记录其唯一的应用标识，GOOSE变量列表成员与智能电子设备名称的对应由应用标识与智能电子设备名称的对应来反映；
第三步，由摄像机编号及预置位与智能电子设备名称、GOOSE变量列表成员与智能电子设备名称的对应，建立摄像机编号及预置位与GOOSE变量列表成员之间的映射关系，并最终形成配置文件，用于实现GOOSE联动的通信服务器通过加载该配置文件获知映射关系。
3、根据权利要求1或2所述的保护与视频系统联动控制方法，其特征在于：
捕获GOOSE报文采用视窗操作系统数据包捕获功能完成，数据包捕获功能由包过滤设备驱动模块、底层动态连接库及高层动态连接库完成：
3.1)包过滤设备驱动模块：运行于操作系统的内核，它绕开了操作系统的协议栈直接与网卡驱动交互，实现了数据包捕获的绝大部分功能；
3.2)底层动态连接库：提供了一套可以直接访问网卡驱动的应用程序接口，用于解决不同版本操作系统的差异，使得基于数据包捕获开发的应用程序能够运行于所有的Win32系统；
3.3)高层动态连接库：在底层动态连接库之上，为用户提供了一套功能更强大、使用更简单，且独立于网卡硬件和操作系统的函数库，调用这些函数是使用视窗操作系统数据包捕获功能捕获GOOSE报文的主要方法，包括以下步骤：
3.3.1)在函数GSE_InitialWinPcap中依次调用下列函数完成WinPcap的初始化：
pcap_findalldevs用于枚举本机所有可用网卡并形成列表；pcap_open_live用于打开指定网卡并返回其句柄，参数依次为：网卡名称、数据长度、混杂模式、读取超时时间和出错缓冲池，数据长度为65535可以确保应用程序提取到完整的以太网帧；pcap_compile用于编译包过滤规则，通过设置其第三个参数可以只捕获以太网型式为0x88B8的报文，即GOOSE报文；pcap_setfilter将pcap_compile生成的过滤规则加载到指定网卡上；pcap_freealldevs则用于释放pcap_findalldevs生成的网卡列表；
3.3.2)启动一个线程GSE_CaptureThread，通过循环调用函数pcap_next_ex，参数依次为：网卡句柄、信息指针和数据包指针，不断读取GOOSE报文。pcap_next_ex返回值为0代表读取超时，即未捕获到GOOSE报文；返回值为1代表捕获到1帧GOOSE报文，随即可以解析存放在信息指针与数据包指针指向地址中的捕获信息与报文内容，捕获信息包括捕获时间、包长度等；返回值为-1代表读取出错；
3.3.3)GOOSE在稳态时采用周期重传机制，在新事件发生后采用变长指数型的重传机制，在GSE_CaptureThread中插入适当的等待，可在不遗漏GOOSE事件的前提下，减轻视频处理单元和通信服务器的负担；此外，捕获GOOSE报文的先决条件是将视频处理单元或通信服务器接入GOOSE网的交换机，并将接入端口加入各实现不同GOOSE应用的虚拟局域网。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090415 |