CN101958581A - 一种用于智能变电站的网络报文监测及故障录波一体化装置 - Google Patents

一种用于智能变电站的网络报文监测及故障录波一体化装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于智能变电站的网络报文监测及故障录波一体化装置,包括信号接入单元、信号处理分析单元和信息输出单元;所述信号接入单元用于接收智能变电站的含有一次系统信号和二次报文信号的综合信号传送给所述信号处理分析单元;所述信号处理分析单元用于对所述智能变电站的综合信号进行分析;所述信息输出单元用于将经过信号处理分析单元对综合信号分析后的包括告警信号在内的综合信号分析结果进行输出。本发明实现了对含有一次系统信号和二次报文信号的综合信号的综合分析,给运行、维护、调试和事故检修带来极大的便利,缩短了故障排除时间,提高了智能变电站的供电质量,并且本装置节省了传统设备所占用的空间,节省了投资。

Description

一种用于智能变电站的网络报文监测及故障录波一体化装
CP3
技术领域
[0001] 本发明涉及电力系统智能变电站信号数据监测记录技术领域,具体涉及到一种基 于智能变电站的网络报文监测记录及暂态故障录波装置。
背景技术
[0002] 智能电网是电力系统未来的发展方向,智能变电站是智能电网的关键节点。智能 变电站的主要特点是由智能化一次设备和网络化二次设备分层构建,是建立在IEC61850 标准的基础上,能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。
[0003] IEC61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准,它是 由国际电工委员会第57技术委员会(IECTC57)的3个工作组10,11,12 (WG10/11/12)负 责制定的。此标准参考和吸收了已有的许多相关标准,其中主要有:IEC870-5-101远动 通信协议标准;IEC870-5-103继电保护信息接口标准;UCA2. 0 (Utility Communication Architecture2. 0)(由美国电科院制定的变电站和馈线设备通信协议体系);IS0/IEC9506 制造商信息规范MMS (Manufacturing Message Specification)。变电站通信体系 IEC61850 将变电站通信体系分为3层:变电站层、间隔层、过程层。在变电站层和间隔层之间的网络 采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范(MMS)、传输控制协议/网际协议(TCP/IP)以 太网或光纤网。在间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。变电站 内的智能电子设备(IED,测控单元和继电保护)均采用统一的协议,通过网络进行信息交 换。IEC61850的特点是:1)面向对象建模;2)抽象通信服务接口 ;3)面向实时的服务;4) 配置语言:5)整个电力系统统一建模。IEC61850建模了大多数公共实际设备和设备组件。 这些模型定义了公共数据格式、标识符、行为和控制,例如变电站和馈线设备(诸如断路 器、电压调节器和继电保护等)。自我描述能显著降低数据管理费用、简化数据维护、减少 由于配置错误而引起的系统停机时间。IEC61850作为制定电力系统远动无缝通信系统基 础能大幅度改善信息技术和自动化技术的设备数据集成,减少工程量、现场验收、运行、监 视、诊断和维护等费用,节约大量时间,增加了自动化系统使用期间的灵活性。它解决了 变电站自动化系统产品的互操作性和协议转换问题。采用该标准还可使变电站自动化设备 具有自描述、自诊断和即插即用(Plug and Play)的特性,极大的方便了系统的集成,降低 了变电站自动化系统的工程费用。在我国采用该标准系列将大大提高变电站自动化系统的 技术水平、提高变电站自动化系统安全稳定运行水平、节约开发验收维护的人力物力、实现 完全的互操作性。
[0004] 相对于传统变电站,智能变电站有着很大的优势。智能变电站采用电子式或光电 式互感器实现信号测量,并在二次侧直接输出数字信号通过光纤传输至合并单元,数据按 照IEC61850-9-1、IEC61850-9-2、IEC60044-8协议打包后,再经光纤实现批量数据传输。智 能变电站采用智能开关或智能终端,采用GOOSE报文和光纤以太网传输开关量信号。大大 提高了信号的可用性和信号的抗干扰能力,更便于数据共享和高级应用功能的开发实现。[0005] 目前,国内投入试运行的智能变电站,只有一部分配置了专用的故障录波装置或 报文记录装置,故障录波装置只能监测一次系统的故障,报文记录装置只能监测二次网络 系统的故障。而在智能变电站中,由于采样和控制信息的网络化,很多故障不再是像传统变 电站那样有明显的界限,而是存在了复杂的关联性,采用上述的两种功能独立的装置来分 析故障,运行人员常常需要花费很长时间和精力,从两个独立的装置中找到相关的数据,通 过人工方式来整合才能进行综合分析,这不仅给运行、维护、调试和事故检修带来不便,还 会延长故障排除时间,降低供电质量。另外采用两个独立的装置,在变电站建设时,需要为 两个装置铺设专用的线缆,占用独立的屏柜空间,使变电站的接线复杂,投资增加。
发明内容
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种智能变电站网络报文监测记录及暂态故 障录波一体化装置,以实现将一次系统的故障和二次网络系统的故障相结合进行综合分 析。
[0007] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种用于智能变电站的网络报文监测 及故障录波一体化装置,包括信号接入单元、信号处理分析单元和信息输出单元;所述信号 接入单元用于接收智能变电站的含有一次系统信号和二次报文信号的综合信号并传送给 所述信号处理分析单元;所述信号处理分析单元用于对所述智能变电站的综合信号进行分 析;所述信息输出单元用于将经过信号处理分析单元对综合信号分析后的包括告警信号在 内的综合信号分析结果进行输出。
[0008] 本发明的有益效果是:实现了对含有一次系统信号和二次报文信号的综合信号进 行综合分析,给运行、维护、调试和事故检修带来极大的便利,缩短了故障排除时间,提高了 智能变电站的供电质量,并且本装置节省了传统方法分别采用两套独立装置的占用空间, 节省了投资。
[0009] 在上述技术方案的基础上,本发明还可以做如下改进。
[0010] 进一步,所述信号处理分析单元(2)用于对所述智能变电站的综合信号进行分析, 包括对所述综合信号进行解析、标记、告警、存储、功能配置文件处理和通信处理,以及暂态 录波启动判据计算、暂态录波数据存储和转换C0MTRADE格式、以及故障测距。
[0011] 采用上述进一步方案的有益效果是,实现了对综合信息的处理和判断。
[0012] 进一步,所述信号接入单元包括光以太网接入电路、IEC60044-8报文数据接入电 路和支持电信号和光信号的对时信号接入电路;所述光以太网接入电路用于接收二次报文 信号的IEC61850-9-1规约采样值报文、IEC61850-9-2规约采样值报文、GOOSE开关量报文 和IEEE1588高精度时钟报文;所述对时信号接入电路用于接收GPS的IRIG-B码对时信号; 所述光以太网接入电路、IEC60044-8报文数据接入电路和对时信号接入电路分别与所述信 号处理分析单元电连接。
[0013] 采用上述进一步方案的有益效果是,实现对多种信息的输入。
[0014] 进一步,所述光以太网接入电路带宽为100Mb/S。
[0015] 采用上述进一步方案的有益效果是,加快信息输入速度。
[0016] 进一步,所述信号处理分析单元包括相互电连接的第一 CPU系统和第二 CPU系统; 所述第一 CPU系统与所述信号接入单元电连接,用于对从所述信号接入单元接收的综合信号进行解析、标记、告警、存储、功能配置文件处理和通信处理;所述第二 CPU系统与第一 CPU系统用于暂态录波启动判据计算、暂态录波数据存储和转换C0MTRADE格式以及故障测 距;所述第一 CPU系统和第二 CPU系统均与信息输出单元电连接并将数据处理结果发送给 所述信息输出单元。
[0017] 采用上述进一步方案的有益效果是,实现了对综合信息的处理和判断。
[0018] 进一步,所述第一CPU系统包括第一FPGA电路、第一CPU、第一闪存、第一内存和第 一 SATA电路;所述第一 FPGA电路用于对信号报文进行解码和逻辑处理并把处理结果发送 至第一 CPU,并将第一 CPU的数据处理结果发送给信息输出单元;所述第一 CPU用于对接收 的综合信号进行解析、标记、告警、存储、功能配置文件处理以及与第二 CPU系统之间进行 通信;所述第一闪存用于存储程序代码;所述第一内存用于对程序以及处理数据进行暂时 存储;所述第一 SATA电路用于硬盘控制以实现海量数据的存储。
[0019] 进一步,所述第一 CPU系统为嵌入式32位CPU系统。
[0020] 进一步,所述第二 CPU系统包括第二 FPGA电路、第二 CPU、第二闪存、第二内存 和第二 SATA电路;所述第二 CPU用于暂态录波启动判据计算、暂态录波数据存储和转换 C0MTRADE格式、故障测距以及与第一 CPU系统之间进行通信;所述第二闪存用于存储程序 代码;所述第二内存用于对程序以及处理数据进行暂时存储;所述第二 SATA电路用于硬盘 控制以实现海量数据的存储;所述第二FPGA电路用于对第二CPU处理的综合信号分析结果 进行编码和逻辑处理,并把处理结果发送至信息输出单元。
[0021] 进一步,所述第二 CPU系统为嵌入式32位CPU系统。
[0022] 进一步,所述信息输出单元包括以太网控制器电路、DO输出电路和LED电路;所 述以太网控制器电路、DO输出电路和LED电路均与信号处理分析单元电连接;所述以太网 控制器电路用于对信号处理分析单元的综合信号分析结果采用以太网方式进行输出;所述 DO输出电路用于采用硬接点的方式发出告警信号;所述LED电路用于通过LED指示灯显示 所述用于智能变电站的网络报文监测及故障录波一体化装置的工作状态。
[0023] 本发明可以在线运行于智能变电站的现场中,可实时检测和预警智能变电站中二 次网络的运行工况,记录二次网络中传递的实时数据,实现网络故障诊断和定位;检测一次 系统异常,记录一次系统波形数据,实现故障测距和故障定位。应用本发明的装置替代现有 的功能单一的网络报文记录装置和暂态故障录波装置,可以简化变电站二次网络接线,减 少屏柜占地面积,减少设备安装维护工作量,减少设备采购投资,方便二次系统信息与一次 系统信息的整合和综合分析,为变电站故障诊断和定位提供更便利的手段。
附图说明
[0024] 图1为本发明用于智能变电站的网络报文监测及故障录波一体化装置的组成图; 图2为本发明用于智能变电站的网络报文监测及故障录波一体化装置的接口布置图; 图3为本发明用于智能变电站的网络报文监测及故障录波一体化装置的信号接入方
式图;
图4为本发明用于智能变电站的网络报文监测及故障录波一体化装置的功能图。
[0025] 附图中,各标号所代表的部件列表如下:
1、信号接入单元,2、信号处理分析单元,3、信息输出单元,101、光以太网接入电路,102、IEC60044-8报文数据接入电路,103、对时信号接入电路,2A、第一 CPU系统,2B、第二 CPU系统,2A1、第一 FPGA电路,2A2、第一 CPU,2A3、第一闪存,2A4、第一内存和,2A5、第一 SATA电路,2B1、第二 FPGA电路,2B2、第二 CPU,2B3、第二闪存,2B4、第二内存和,2B5、第二 SATA电路,301、以太网控制器电路,302、DO输出电路和,303、LED电路。
具体实施方式
[0026] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并 非用于限定本发明的范围。
[0027] 如图1所示,本发明的用于智能变电站的网络报文监测及故障录波一体化装置包 括信号接入单元1、信号处理分析单元2和信息输出单元3 ;其中,信号接入单元1接收智能 变电站的含有一次系统信号和二次报文信号的综合信号传送给信号处理分析单元2 ;信号 处理分析单元2对智能变电站的综合信号进行分析;信息输出单元3将经过信号处理分析 单元2对综合信号分析后的包括告警信号在内的综合信号分析结果进行输出。
[0028] 信号接入单元1包括带宽为100Mb/s的光以太网接入电路101、IEC60044-8报 文数据接入电路102和支持电信号和光信号的对时信号接入电路103 ;光以太网接入电路 101接收二次报文信号的IEC61850-9-1规约采样值报文、IEC61850-9-2规约采样值报文、 GOOSE开关量报文和IEEE1588高精度时钟报文;对时信号接入电路103接收GPS的IRIG-B 码对时信号;光以太网接入电路101、IEC60044-8报文数据接入电路102和对时信号接入电 路103分别将所接收的信息传送给信号处理分析单元2。
[0029] 信号处理分析单元2中,包括第一 CPU系统2A和第二 CPU系统2B ;第一 CPU系统 2A与信号接入单元1电连接,用于对接收的综合信号进行解析、标记、告警、存储、功能配置 文件处理和通信处理;第二 CPU系统2B与第一 CPU系统2A,用于暂态录波启动判据计算、 暂态录波数据存储和转换C0MTRADE格式以及故障测距;第一 CPU系统2A和第二 CPU系统 2B均与信息输出单元3电连接,并将数据处理结果发送给信息输出单元3。
[0030] 第一 CPU系统2A包括第一 FPGA电路2A1、第一 CPU2A2、第一闪存2A3、第一内存 2A4和第一 SATA电路2A5 ;第一 FPGA电路2A1用于对信号报文的解码和逻辑处理,并把处理 结果发送至第一 CPU2A2 ;第一 CPU2A2用于对接收的综合信号进行解析、标记、告警、存储、 功能配置文件处理和与第二 CPU系统2B之间的通信;第一闪存2A3用于存储程序代码;第 一内存2A4用于对程序以及处理数据的暂时存储;第一 SATA电路2A5用于硬盘控制以实现 海量数据的存储;第一 FPGA电路2A1将第一 CPU2A2的数据处理结果发送给信息输出单元 3。
[0031] 第二 CPU系统2B包括第二 FPGA电路2B1、第二 CPU2B2、第二闪存2B3、第二内存 2B4和第二 SATA电路2B5 ;第二 CPU2B2用于暂态录波启动判据计算、暂态录波数据存储和 转换C0MTRADE格式、故障测距和与第一 CPU系统2A之间的通信;第二闪存2B3用于存储程 序代码;第二内存2B4用于对程序以及处理数据的暂时存储;第二 SATA电路2B5用于硬盘 控制以实现海量数据的存储;第二 FPGA电路2B1用于对第二 CPU2B2处理的综合信号分析 结果进行编码和逻辑处理,并把处理结果发送至信息输出单元3。
[0032] 本实施方式中,第一 CPU系统2A和第二 CPU系统2B均为嵌入式32位CPU系统。
[0033] 信息输出单元3包括以太网控制器电路301、D0输出电路302和LED电路303,以太网控制器电路301、D0输出电路302和LED电路303均与信号处理分析单元2电连接;以 太网控制器电路301将经过信号处理分析单元2对智能变电站的综合信号分析后的综合信 号分析结果采用太网方式对外通信导出数据;DO输出电路302采用硬接点的方式发出告警 信号;LED电路303通过LED指示灯指示用于智能变电站的网络报文监测及故障录波一体 化装置的工作状态。
[0034] 本发明的用于智能变电站的网络报文监测及故障录波一体化装置,可以从MU和 智能测控装置上直接点对点接入,也可以经过程层交换机集中组网接入;装置对所有流经 其信号接入端口的信息进行实时捕捉、分析、标记和存储。通过从CicUscd文件导入被测装 置的配置信息,或人工输入被测装置的配置信息,然后以虚接线的方式设定被测信息与一 次元件的关系,并整定暂态录波参数即可实现暂态录波功能。这样,该装置就实现了利用一 个信号源,同时完成对二次网络健康状态的检测诊断告警和对一次系统故障的检测录波和 告警;记录的数据具有统一的时间标签,具有内置的关联性,可以方便的完成一次和二次关 联数据的自动整合、综合分析,快速定位故障。
[0035] 信号接入后,本发明的用于智能变电站的网络报文监测及故障录波一体化装置主 要提供以下功能:
1)支持智能变电站中IEC61850-9-1、IEC61850-9-2、IEC60044-8电压电流信号的接 入;支持GOOSE开关量信号的接入;支持IEEE1588高精度时钟信号(PTP)的接入;
2)可实时检测和预警智能变电站二次网络系统的异常和故障,包括丢包、错序、重复、 延迟、中断、编码无效、采样异常、同步异常、配置无效等;
3)可实时检测电力一次系统运行故障,包括短路、电压越限、电流越限、序量越限、频率 越限等;可实时检测变电站中保护装置、智能开关等智能IED设备的运行状态,包括保护动 作行为分析、智能开关位置、智能IED设备自检信息等;
4)可监测IEEE1588时钟运行状态、以及时钟异常对MU和保护装置的影响情况;
5)对监测的数据进行实时标记存储,可用于事后离线分析,分析功能包括网络状态分 析、报文分析、网络异常定位、波形分析、保护动作行为分析、故障测距等;
6)可仿真回放装置记录下来的故障时段数据,还原故障现场。
[0036] 本发明装置的各个组成部分的对应硬件可以设计成12个背插式插件结构,其插 件接口图如图2所示,可根据现场需要灵活组合配置,插件功能设计见下表:
Figure CN101958581AD00091
Figure CN101958581AD00101
如图3所示,本发明的用于智能变电站的网络报文监测及故障录波一体化装置接入 智能变电站系统时,可以根据智能变电站的系统规模配置多个报文记录单元、录波以及报 文记录单元,由统一的管理单元实现对这些记录单元的数据查询、信息配置等管理。这种系 统配置方式以最低的成本满足了智能变电站对网络报文监测及故障录波一体化装置的配 置要求,实现了管理单元对多个报文记录单元和录波及报文记录单元的管理,便于用户实 现多个报文记录单元的信息查看和信息比较。
[0037] 如图4所示,本发明的用于智能变电站的网络报文监测及故障录波一体化装置中 所装载的软件实现了信号的接入、处理、在线分析以及离线分析。信号接入通过在近物理层 硬件标记信号时标实现了纳秒级的精度,通过对接入信号的解码、检查、标记、存储、暂态录 波判启动计算、故障波形存储,实现了实时挂牌告警、实时状态监视、实时波形监视。同时对 存储的报文以及故障波形文件实现强大的离线分析功能:实现报文的分类查看、异常报文 定位、形成分析简报、原始数据分析、采样值波形分析、采样值报文时间均勻性分析、GOOSE 报文波形分析、形成GOOSE事件报表、保护动作行为分析、故障测距以及PTP报文分析。
[0038] 以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和 原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

  1. 一种用于智能变电站的网络报文监测及故障录波一体化装置,其特征在于:包括信号接入单元(1)、信号处理分析单元(2)和信息输出单元(3);所述信号接入单元(1)用于接收智能变电站的含有一次系统信号和二次报文信号的综合信号并传送给所述信号处理分析单元(2);所述信号处理分析单元(2)用于对所述智能变电站的综合信号进行分析;所述信息输出单元(3)用于将经过信号处理分析单元(2)对综合信号分析后的包括告警信号在内的综合信号分析结果进行输出。
  2. 2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:所述信号处理分析单元(2)用于对所述智 能变电站的综合信号进行分析,包括对所述综合信号进行解析、标记、告警、存储、功能配置 文件处理和通信处理,以及暂态录波启动判据计算、暂态录波数据存储和转换C0MTRADE格 式、以及故障测距。
  3. 3.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:所述信号接入单元(1)包括光以太网接 入电路(101)、IEC60044-8报文数据接入电路(102)、支持电信号和光信号的对时信号接入 电路(103);所述光以太网接入电路(101)用于接收二次报文信号的IEC61850-9-1规约采 样值报文、IEC61850-9-2规约采样值报文、GOOSE开关量报文和IEEE1588高精度时钟报文; 所述对时信号接入电路(103)用于接收GPS的IRIG-B码对时信号;所述光以太网接入电路 (101)、IEC60044-8报文数据接入电路(102)和对时信号接入电路(103)分别与所述信号处 理分析单元(2)电连接。
  4. 4.根据权利要求3所述的装置,其特征在于:所述光以太网接入电路(101)的带宽为 100Mb/s。
  5. 5.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:所述信号处理分析单元(2)包括相互电 连接的第一 CPU系统(2A)和第二 CPU系统(2B);所述第一 CPU系统(2A)与所述信号接入 单元(1)电连接,用于对从所述信号接入单元(1)接收的综合信号进行解析、标记、告警、存 储、功能配置文件处理和通信处理;所述第二 CPU系统(2B)与第一 CPU系统(2A)用于暂态 录波启动判据计算、暂态录波数据存储和转换C0MTRADE格式以及故障测距;所述第一 CPU 系统(2A)和第二 CPU系统(2B)均与信息输出单元(3)电连接并将数据处理结果发送给所 述信息输出单元(3)。
  6. 6.根据权利要求5所述的装置,其特征在于:所述第一 CPU系统(2A)包括第一 FPGA电 路(2A1)、第一 CPU (2A2)、第一闪存(2A3)、第一内存(2A4)和第一 SATA电路(2A5);所述 第一 FPGA电路(2A1)用于对信号报文进行解码和逻辑处理并把处理结果发送至第一 CPU (2A2),并将第一 CPU (2A2)的数据处理结果发送给信息输出单元(3);所述第一 CPU (2A2) 用于对接收的综合信号进行解析、标记、告警、存储、功能配置文件处理以及与第二 CPU系 统(2B )之间进行通信;所述第一闪存(2A3 )用于存储程序代码;所述第一内存(2A4 )用于 对程序以及处理数据进行暂时存储;所述第一 SATA电路(2A5)用于硬盘控制以实现海量数 据的存储。
  7. 7.根据权利要求5或6所述的装置,其特征在于:所述第一 CPU系统(2A)为嵌入式32 位CPU系统。
  8. 8.根据权利要求5所述的装置,其特征在于:所述第二 CPU系统(2B)包括第二 FPGA电 路(2B1)、第二 CPU (2B2)、第二闪存(2B3)、第二内存(2B4)和第二 SATA电路(2B5);所述第 二 CPU (2B2)用于暂态录波启动判据计算、暂态录波数据存储和转换C0MTRADE格式、故障测距以及与第一 CPU系统(2A)之间进行通信;所述第二闪存(2B3)用于存储程序代码;所 述第二内存(2B4)用于对程序以及处理数据进行暂时存储;所述第二 SATA电路(2B5)用于 硬盘控制以实现海量数据的存储;所述第二 FPGA电路(2B1)用于对第二 CPU (2B2)处理的 综合信号分析结果进行编码和逻辑处理,并把处理结果发送至信息输出单元(3)。
  9. 9.根据权利要求5或6所述的装置,其特征在于:所述第二 CPU系统(2B)为嵌入式32 位CPU系统。
  10. 10.根据权利要求1至6任一项所述的装置,其特征在于:所述信息输出单元(3)包 括以太网控制器电路(301)、DO输出电路(302 )和LED电路(303);所述以太网控制器电路 (301)、DO输出电路(302)和LED电路(303)均与信号处理分析单元(2)电连接;所述以太 网控制器电路(301)用于对信号处理分析单元(2)的综合信号分析结果采用以太网方式进 行输出;所述DO输出电路(302)用于采用硬接点的方式发出告警信号;所述LED电路(303) 用于通过LED指示灯显示所述用于智能变电站的网络报文监测及故障录波一体化装置的 工作状态。
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