CN101789624A - 一种集中式数字化变电站系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种集中式数字化变电站系统，通过采用多种新技术和新设备，实现新层次上的集中式多功能智能设备和系统，从而为数字化电网的建设奠定基础。系统基于IEC 61850标准、高速以太网交换和虚拟局域网(VLAN)技术构建了数字化变电站信息模型和通信网络，实现了全站信息的共享；在此基础上，实现数字化变电站功能的整合，同时简化了系统结构。间隔层多功能智能电子设备——系统控制器，集保护、测控、录波等功能于一体，极大简化间隔层设备和接线；过程层智能终端集成了合并单元和智能操作箱的功能；各层设备均提供符合IEC 61850标准的模型和接口。

Description

一种集中式数字化变电站系统
技术领域
本发明属于电力系统自动化领域，特别涉及到数字化变电站及其相关技术，如IEC 61850标准、智能电子设备、网络通信技术等，通过采用多种新技术和新设备，提供一种基于全站信息共享的集中式数字化变电站系统。
背景技术
基于微机保护和计算机监控的传统变电站自动化技术经过十余年的发展已逐步成熟和完善，并在提高电网自动化水平和输配电可靠性方面发挥了十分重要的作用。但是，由于传统变电站自动化技术存在一些缺陷，如站内各种自动化装置和子系统各自独立，通信接口和规约众多，导致变电站系统数据重复、互操作性差，不能满足现代电力系统发展和建设数字化电网的要求，需要实现新一代的数字化变电站系统。
数字化变电站是以变电站一、二次设备为数字化对象，以高速网络通信平台为基础，通过对数字化信息进行标准化，实现信息共享和互操作，并以网络数据为基础，实现测量监视、控制保护、信息管理等自动化功能的变电站。其主要特征主要包括：基于IEC61850的全站统一的数据模型及通信服务平台；智能化一次电气设备；网络化二次装置。
对于数字化变电站的整体结构和智能设备的结构、功能等方面还没有形成统一的认识，尤其是过程总线方面，多数数字化变电站的实现模式还是基于传统变电站“点对点”方式，不仅结构繁杂，而且不能基于全站信息共享实现变电站系统的功能，使数字化变电站技术的发展受到了极大的制约。
随着数字化变电站和智能电网建设工作的逐步开展，电力系统各层次的设备将越来越多的实现数字化和智能化。在经历了由集中到分散的变电站自动化发展历程后，变电站智能设备将随着IT和通信技术的进步再次由分散走向新水平的集中，根据具体变电站的不同应用需求，新一代的集中式多功能智能设备和集中式数字化变电站将会在电网数字化的进程中起到重要作用。
发明内容
本发明的目的是：克服现有技术中的不足，满足现代电力系统发展和建设数字化电网的要求，提供一种新一代的数字化变电站系统，其以高速工业以太网交换技术、IEC 61850标准(变电站通信网络和系统)和多功能集成的智能电子设备为基础，提供了一种集中式的数字化变电站系统。
本发明提供了一种集中式数字化变电站系统，包括变电站层、间隔层和过程层，其特征在于：基于IEC 61850标准构建变电站系统的信息模型和通信架构；采用高速以太网交换技术和虚拟局域网(VLAN)技术，实现变电站系统的信息共享；所述间隔层包括系统控制器，所述系统控制器是多功能智能电子设备，具有保护、测控和录波的功能，从而使得间隔层设备和接线得以简化，所述过程层的智能终端整合了合并单元和智能操作箱的功能；
遵照IEC61850标准，该系统采用三层逻辑体系结构，包括变电站层、间隔层和过程层；
(1)所述变电站层包括变电站的工程师站，该工程师站可兼用作操作员站或远动主站，该工程师站包括个人计算机或服务器，并至少配置有2个以太网接口，分别接入变电站系统的通信网络和调度通信网络；所述变电站层接收来自所述间隔层的信息，并使用站控软件系统来实现所述变电站层的运行、维护、打印以及远方通信的功能，所述站控软件系统集成了基于IEC 61850标准的通信和工程化工具软件，能够提供完善、方便的配置、测试和维护手段，包括系统的配置/组态、实时库的管理、模型/通信的一致性测试、SCL配置文件的管理功能；
(2)所述间隔层设备包括系统控制器，该系统控制器包括至少12个CPU插件，每个插件提供双光纤以太网接口，接入变电站系统的通信网络；所述间隔层采集过程层的信息，接收来自变电站层的命令，实现对变电站系统的保护、测控和计量功能，所述间隔层采用模块化设计，各插件可通过配置进行组合，实现多种功能，过程层基于IEC61850通信标准的共享数据采集系统为间隔层的功能整合奠定了基础，从而将监控、电能计量、录波、PMU(向量测量单元)和电能质量监测的功能集成到统一的多功能单元：所述系统控制器中，系统控制器可收集到变电站系统的全部电气量及电气状态，能够完成对变电站系统的集中保护、监控和测量任务；
(3)所述过程层设备包括智能终端，所述智能终端包括采集单元插件和智能操作箱插件，并具有双光纤以太网接口，通过该双光纤以太网接口接入变电站系统的通信网络；所述合并单元插件将电子式电流/电压互感器的输出信号进行处理，转换为符合IEC61850规约的数据，并将转换后的数据在变电站系统中共享，以供所述间隔层的设备订阅；所述智能操作箱采集和处理一次设备的数据，通过通用面向对象变电站事件GOOSE服务发送设备信息和接收控制命令，实现一次设备的数字化接口，并具有对所代表设备的自我描述和诊断功能；
所述工程师站、系统控制器和智能终端通过各自的以太网接口接入由工业以太网交换机构成的变电站系统的通信网络中，通过统一建模和配置，实现变电站系统的信息共享。
其中，所述工程师站集成IEC 61850客户端，系统控制器集成IEC 61850服务器端，以客户/服务器(C/S)方式通信；系统控制器和智能终端之间，通过采样值(SV)服务传送采样数据，通过通用面向对象变电站事件GOOSE服务传送设备状态和控制命令等信息，各设备均提供以变电站配置语言SCL描述的配置文件。
其中，还包括站内通信网络，所述站内通信网络的核心部件包括工业以太网交换机、光缆和连接设备，系统采用光纤100/1000Mb以太网、独立的双星型拓扑结构，站级总线和过程总线合一，采用虚拟局域网(VLAN)技术和优先级技术，从而满足通信系统的实时性、可靠性、冗余性和数据共享的要求。
其中，还包括时钟同步系统，所述时钟同步系统由若干GPS授时单元组成，实现全站各层IED的时间同步，采用IEC60044-7/8电子式电压/电流互感器标准提出的同步脉冲法为各合并单元插件解决采样同步问题。
其中，全部变电站系统的二次系统设备全部采用双重化配置。
其中，该变电站系统还嵌入了拥有电气拓扑识别的定值自动整定模块、基于全站统一GPS时间的变电站综合信息分析模块和操作票自动生成模块。
其中，组成变电站系统的各层的智能电子设备提供符合IEC 61850标准的模型和接口，协议和服务映射到标准规定的特定协议栈；采用变电站配置语言SCL对各层设备进行描述和配置管理。
其中，所述系统控制器，采用多CPU模块化设计，双机冗余，根据用户需求灵活配置保护和自动化功能，每一块板卡出现问题不会引起系统故障，所述系统控制器的人机接口包括触摸液晶屏、鼠标、键盘和显示器。
其中，所述过程层智能终端集成了合并单元与智能操作箱的功能，采用多CPU方案，可在开关场内对应每个间隔安装。本发明的有益效果是：集中式数字化变电站系统基于高速工业以太网交换技术，实现全站信息的共享，在此基础上完成间隔层保护和测控等自动化功能的整合，仅用一套间隔层智能装置实现保护、测控、录波等功能，大大简化了现场设备，显著降低了一次性设备成本和运行维护成本，同时消除了复杂的电缆接线，大大提高了整个系统的可靠性。
附图说明
图1描述了集中式数字化变电站系统的结构示意图，其中ECT/EPT为电子式电流/电压互感器；
图2描述了一个集中式数字化变电站系统配置实例的结构示意图，其中ECT/EPT为电子式电流/电压互感器，GPS为全球定位系统；
图3描述了主站系统软件结构示意图，其中SCD文件为变电站配置描述文件。
具体实施方式
参照附图来说明一个集中式数字化变电站系统的实例，图2是根据本发明实施的一个集中式数字化变电站系统配置的结构示意图，全站二次系统设备全部采用双重化配置，为简单起见，图2只给出一套系统。
系统采用三层通信体系结构，由符合IEC61850标准的各层IED组成，详细说明如下：
①.主要硬件设备包括：主站系统(操作员站，工程师站)兼远动主机1、打印服务器2、打印机3、系统控制器4、智能终端5、工业以太网交换机6、融纤盒7和GPS授时单元8。其中主站系统相关设备放于主控室；系统控制器、工业以太网交换机、融纤盒集中组屏，放于主控室内；过程层智能终端就近安放于一次设备提供的位置上。过程层、间隔层设备全部以光纤方式连接到交换机上。
②.主站软件系统采用跨平台结构设计，可选择windows、Unix、linux操作系统；数据库结构按照IEC61850模型定义、实现，提供IEC 61850客户端通信程序；集成了基于SCL描述的工程化工具，提供系统的配置/组态、实时库的管理、模型/通信的一致性测试、SCL配置文件和参数化的管理等功能；除常规变电站自动化系统功能外，还可以嵌入拥有电气拓扑识别的定值自动整定技术、基于全站统一GPS时间的变电站综合信息分析技术、操作票自动生成技术。主站系统软件结构如图3所示。
③.间隔层系统控制器每个插件提供双光纤以太网接口，可选择接入两个不同的网络，或互为备用(本实例模式)。系统控制器采用高度为8U的标准19英寸机箱，插件后插拔设计，方便用户更换维护插件；配备双交直流通用热拔插冗余电源、嵌入式低功耗高速处理器芯片、大容量存储器；最大可配12块CPU插件，为保护、测控、录波等功能的整合提供有力的支撑；机箱面板内嵌触摸液晶屏，1024*768的分辨率以及15英寸的有效显示面积，可显示整个变电站系统接线图，高精度的触摸屏、屏幕软键盘以及友好的人机界面，可以方便直观修改参数、发送命令等操作。
④.过程层智能终端提供双光纤以太网接口，分别用于采集单元插件和智能操作箱插件通信。为保证采样、控制系统的实时性，智能终端硬件设计上采用了多CPU处理的方案，DSP模块负责采样及GPS对时任务，32位CPU模块负责通讯任务。
⑤.工业级以太网交换机，符合IEC 61850技术指标要求，采用模块化设计，全光纤接口配置，级联端口为1000Mb，其他端口为100Mb提供三层交换功能，支持虚拟局域网(VLAN)技术、优先级技术、快速生成树技术等。
⑥.GPS授时单元与采集单元插件、智能操作箱插件，以及系统其他智能电子设备间均采用光纤连接方式，每个GPS授时单元可提供6路秒脉冲输出和6路时间信息输出。GPS授时单元支持级联扩展连接方式。几台GPS共同组成的时钟子系统为数字化变电站系统提供统一的时间信息和同步信号。
集中式数字化变电站系统具有很多优点，如采用光纤代替电缆，不仅降低成本，而且便于施工和维护；基于IEC61850标准的全站统一平台，无需进行协议转换；双机、双网冗余，确保可靠性；基于信息共享，实现集中保护、测控等功能的整合，简化系统结构和接线，提高系统自动化水平；消除专业壁垒，为实现统一管理和集约化经营奠定基础。
上面通过特别的实施例内容描述了本发明，但是本领域技术人员还可意识到变型和可选的实施例的多种可能性，例如，通过组合和/或改变单个实施例的特征。因此，可以理解的是这些变型和可选的实施例将被认为是包括在本发明中，本发明的范围仅仅被附上的专利权利要求书及其同等物限制。

Claims (9)

1.一种集中式数字化变电站系统，包括变电站层、间隔层和过程层，其特征在于：基于IEC 61850标准构建变电站系统的信息模型和通信架构；采用高速以太网交换技术和虚拟局域网(VLAN)技术，实现变电站系统的信息共享；所述间隔层包括系统控制器，所述系统控制器是多功能智能电子设备，具有保护、测控和录波的功能，从而使得间隔层设备和接线得以简化，所述过程层的智能终端整合了合并单元和智能操作箱的功能；
遵照IEC61850标准，该系统采用三层逻辑体系结构，包括变电站层、间隔层和过程层；
(1)所述变电站层包括变电站的工程师站，该工程师站可兼用作操作员站或远动主站，该工程师站包括个人计算机或服务器，并至少配置有2个以太网接口，分别接入变电站系统的通信网络和调度通信网络；所述变电站层接收来自所述间隔层的信息，并使用站控软件系统来实现所述变电站层的运行、维护、打印以及远方通信的功能，所述站控软件系统集成了基于IEC 61850标准的通信和工程化工具软件，能够提供完善、方便的配置、测试和维护手段，包括系统的配置/组态、实时库的管理、模型/通信的一致性测试、SCL配置文件的管理功能；
(2)所述间隔层设备包括系统控制器，该系统控制器包括至少12个CPU插件，每个插件提供双光纤以太网接口，接入变电站系统的通信网络；所述间隔层采集过程层的信息，接收来自变电站层的命令，实现对变电站系统的保护、测控和计量功能，所述间隔层采用模块化设计，各插件可通过配置进行组合，实现多种功能，过程层基于IEC61850通信标准的共享数据采集系统为间隔层的功能整合奠定了基础，从而将监控、电能计量、录波、PMU(向量测量单元)和电能质量监测的功能集成到统一的多功能单元：所述系统控制器中，系统控制器可收集到变电站系统的全部电气量及电气状态，能够完成对变电站系统的集中保护、监控和测量任务；
(3)所述过程层设备包括智能终端，所述智能终端包括采集单元插件和智能操作箱插件，并具有双光纤以太网接口，通过该双光纤以太网接口接入变电站系统的通信网络；所述合并单元插件将电子式电流/电压互感器的输出信号进行处理，转换为符合IEC61850规约的数据，并将转换后的数据在变电站系统中共享，以供所述间隔层的设备订阅；所述智能操作箱采集和处理一次设备的数据，通过通用面向对象变电站事件GOOSE服务发送设备信息和接收控制命令，实现一次设备的数字化接口，并具有对所代表设备的自我描述和诊断功能；
所述工程师站、系统控制器和智能终端通过各自的以太网接口接入由工业以太网交换机构成的变电站系统的通信网络中，通过统一建模和配置，实现变电站系统的信息共享。
2.如权利要求1所述的集中式数字化变电站系统，其特征在于：所述工程师站集成IEC61850客户端，系统控制器集成IEC 61850服务器端，以客户/服务器(C/S)方式通信；系统控制器和智能终端之间，通过采样值(SV)服务传送采样数据，通过通用面向对象变电站事件GOOSE服务传送设备状态和控制命令等信息，各设备均提供以变电站配置语言SCL描述的配置文件。
3.如权利要求2所述的集中式数字化变电站系统，其特征在于：还包括站内通信网络，所述站内通信网络的核心部件包括工业以太网交换机、光缆和连接设备，系统采用光纤100/1000Mb以太网、独立的双星型拓扑结构，站级总线和过程总线合一，采用虚拟局域网(VLAN)技术和优先级技术，从而满足通信系统的实时性、可靠性、冗余性和数据共享的要求。
4.如权利要求3所述的集中式数字化变电站系统，其特征在于：还包括时钟同步系统，所述时钟同步系统由若干GPS授时单元组成，实现全站各层IED的时间同步，采用IEC60044-7/8电子式电压/电流互感器标准提出的同步脉冲法为各合并单元插件解决采样同步问题。
5.如权利要求4所述的集中式数字化变电站系统，其特征在于：全部变电站系统的二次系统设备全部采用双重化配置。
6.如权利要求5所述的集中式数字化变电站系统，其特征在于：该变电站系统还嵌入了拥有电气拓扑识别的定值自动整定模块、基于全站统一GPS时间的变电站综合信息分析模块和操作票自动生成模块。
7.如权利要求1-6所述的集中式数字化变电站系统，其特征在于：组成变电站系统的各层的智能电子设备提供符合IEC 61850标准的模型和接口，协议和服务映射到标准规定的特定协议栈；采用变电站配置语言SCL对各层设备进行描述和配置管理。
8.如权利要求1-7所述的集中式数字化变电站系统，其特征在于：所述系统控制器，采用多CPU模块化设计，双机冗余，根据用户需求灵活配置保护和自动化功能，每一块板卡出现问题不会引起系统故障，所述系统控制器的人机接口包括触摸液晶屏、鼠标、键盘和显示器。
9.如权利要求1-8所述的集中式数字化变电站系统，其特征在于：所述过程层智能终端集成了合并单元与智能操作箱的功能，采用多CPU方案，可在开关场内对应每个间隔安装。
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