CN103812724A - 一种用于变电站在线监测系统的通信管理装置 - Google Patents

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董明
任明
邓彦国
杨宁
王鸿杰
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State Grid Corp of China SGCC
China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Xian Jiaotong University
Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
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State Grid Corp of China SGCC
China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Xian Jiaotong University
Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种用于变电站在线监测系统的通信管理装置，所述通信管理装置采用分布式架构，包括管理CPU板卡、通讯接口板卡以及总线板卡，所述管理CPU板卡负责对上的IEC61850通信和内部数据库管理；所述通讯接口板卡用于实现多种非IEC61850智能设备的数据采集，并将采集得到的多种非IEC61850协议数据无缝转化为IEC61850的协议数据；所述总线板卡用于为管理CPU板卡与通讯接口板卡之间的信号互联提供内部高速总线。本发明适用于对变电站不同在线监测进行数据协议转换，实现智能电力设备在线监测数据的无缝接入、智能控制与管理。

Description

一种用于变电站在线监测系统的通信管理装置
技术领域
本发明涉及智能电力设备装备与制造技术领域，尤其涉及一种用于变电站在线监测系统的通信管理装置。
背景技术
智能电网(Smart Grid)是世界电网技术发展方向。电力设备是电力系统实现电能变换的基本单元，对电网的安全稳定运行具有决定性的影响。针对目前智能电网和电力设备智能化的需求，在设计和制造电力设备时为其配备各种状态参数和运行参数的数字化输出接口，对其自身状态进行实时诊断和评估，实现电力设备智能化，并为智能电网提供支持。通过智能电网旨在提高能源效率、减少对环境的影响、提高供电的安全性和可靠性、减少电网的损耗；通过实时掌握电网运行状态，及时发现、快速诊断和消除故障隐患，提升电网运行的可靠性。
构建智能电网，从一次设备的角度，应为其安装各种传感器，融合目前的一次和二次系统信息，及时、准确、全面获取设备运行状况，具备数字化接口功能，使其成为设备的一部分，实现设备自身状态诊断、评估和控制等，从而实现智能电力设备。
然而，由于过于繁多的规约种类造成不同的问题(互操作性及功能的限制)、私有规约的应用(对厂家的依赖性，推倒重来的改造)、不同市场的具有不同相对标准的规约种类，规约集成已经成为制约智能电网技术中变电站二次系统发展的瓶颈。IEC61850系列规约定义了变电站内部的通信网络与系统，但是目前IEC61850系列规约的实现技术仍为成员国享有，非成员国还不具备独立开发能力，且若购买IEC61850系列规约接口软件十分昂贵。目前，尚无成熟的适用于多种在线监测系统的数据转换及操作装置可供应用，不能满足智能设备建设的迫切需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于变电站在线监测系统的通信管理装置，其在变电站通信规约DL／T860(IEC61850)的基础上，采用多种变电站通信方式(如，CAN总线、MODEBUS、RS-485、RS-232等)，实现智能电力设备在线监测数据的无缝接入、智能控制与管理。
为实现以上发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于变电站在线监测系统的通信管理装置，所述在线监测系统分为三层：系统层，包括作为客户端的变电站综合在线监测系统；间隔层，包括所述通信管理装置；过程层，包括分类检测的子智能电子设备(IED)或传感器，其特征在于：
所述通信管理装置采用分布式架构，包括管理CPU板卡、通讯接口板卡以及总线板卡，所述管理CPU板卡负责对上的IEC61850通信和内部数据库管理；所述通讯接口板卡用于实现多种非IEC61850智能设备的数据采集，并将采集得到的多种非IEC61850协议数据无缝转化为IEC61850的协议数据；所述总线板卡用于为管理CPU板卡与通讯接口板卡之间的信号互联提供内部高速总线。
本发明的技术效果为：能够适用于多种在线监测通信协议，将其转化为统一通信方式，实现在线监测数据操作一致性，保证数据安全性，同时大幅提升在线监测数据的可用性。
附图说明
参照下面的说明，结合附图，可以对本发明有最佳的理解。在附图中，相同的部分可由相同的标号表示。
图1为本发明的应用场景示意图；
图2为本发明的设计原理图；
图3为本发明的系统结构图；
图4为本发明中IEC61850模块功能框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及示例性实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的示例性实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的适用范围。
图1示出了本发明的应用场景。在线监测系统在变电站中的设备分布可分作三层：
系统层，包括作为客户端的变电站综合在线监测系统；
间隔层，包括各种设备的在线监测通信管理装置；
过程层，包括分类检测的子智能电子设备(Intelligent Electronic Device，IED)或传感器。作为示例，可以包括变压器在线监测IED、GIS开关在线监测IED、避雷器监测IED、绝缘子IED和其他监测传感器。
相应地，网络可分为两层：
传输61850服务的系统层MMS(Manufacturing Message Specification，即制造报文规范)网络和传输私有协议的过程层网络。
在该在线监测系统中，本发明的在线监测通信管理装置具备两个方面的功能：一方面是非标准IEC61850在线监测IED的物理接口和私有协议的兼容和接入，对于一些孤立的带通讯接口的传感器也可接入；另一方面是对在线监测系统提供标准的IEC61850服务。
另外，过程层网络也存在多种组网形式，图1所示为一种私有协议和物理接口的网络。
图2为本发明的在线监测通信管理装置设计原理。针对目前IED大都采用IEC60870-5-103协议，不同厂家之间甚至同一厂家的不同产品的通信协议彼此不一致，无法使用通用网关实现无缝集成和互操作的问题，本发明的在线监测通信管理装置设置了RS-485、RS-232、CAN／Ethernet等协议数据接口，通过在程序存储区和数据存储区存储协议配置文件，实现不同种类协议数据的读取。其中，利用协议转换模块将103等非IEC61850协议数据无缝转化为IEC61850的协议数据，实现非IEC61850智能设备的数据采集。
该在线监测通信管理装置还满足多任务和实时性要求，支持多以太网接口以及其它各种外设接口，以能够将各种总线集中到通讯管理装置中，实现不同应用和调控。
如图3所示，在线监测通信管理装置在硬件结构上采用分布式架构，包括管理CPU板卡、通讯接口板卡以及供内部通信的总线板卡(未示出)。
管理CPU板卡包括IEC61850模块、数据库管理模块、内部通讯模块和操作系统及驱动模块。IEC61850模块用于对上的IEC61850通信；数据库管理模块用于内部数据库管理；内部通讯模块用于提供对上通讯以太网口和对下通讯的扩展口。
图4为本发明中IEC61850模块的功能框图。IEC61850模块包括内部数据接口模块、数据库、MMS库接口模块、MMS回调模块、MMS库和网络数据接收模块。
为了实现IEC61850协议转换，在线监测通信管理装置在内部数据库中建立数据映射文件(以.cfg作为文件名称的后缀)。该数据映射文件实现实际数据与服务器CID模型数据之间的映射，使得IEC61850服务器通过该数据映射文件实现装置对外通信。MMS网络作为客户端(变电站综合在线监测系统)和IEC61850模块的数据库之间的通信媒介，数据通过网络数据接收模块进入MMS库进行保存和预处理。MMS回调模块用于建立MMS库中各种服务和IEC61850程序的关联关系。MMS库接口模块用于封装和处理MMS库中的函数，为其他模块提供服务。内部数据接口模块用于从在线监测通信管理装置内部获得数据库管理模块需要的数据、维护变位信息上送以及故障录波。数据的上行和下行经过数据库，将封装文件进行保存和管理。
在一个特定实施例中，管理CPU板卡的CPU可以采用PowerQuicc II系列的MPC8247。该款CPU频率最高到400MHz，且功耗较低(0.8W at266MHz)。MPC8247采用双核结构：一个PowerPC603e核和一个单独的通信处理机模块(CPM)。内核(1.5V)和I／O(3.3V)分开供电。64位数据线和32位地址线的60x BUS支持64、32、16和8位的器件。模件采用5V电源供电，由DC-DC电源芯片分别降压成3.3V和1.5V供给CPU及其他3.3V的外围器件。
通讯接口板卡包括多个协议转换模块、通讯接口模块、内部通讯模块和系统程序及底层驱动模块。其中，通讯接口模块用于实现非IEC61850智能设备的数据采集。优选地，所述通讯接口模块包括RS-485、RS-232、CAN／Ethernet等协议数据接口。协议转换模块将采集得到的103等非IEC61850协议数据无缝转化为IEC61850的协议数据。内部通讯模块用于通过内部高速总线与管理CPU板卡之间进行数据交互。
通讯接口板卡可以包括两种类型，一种负责对下的通讯协议接入转换，另外一种负责高速IEC61850-9-2LE或GOOSE光纤接口接入。
优选地，通讯接口板卡可以采用两层硬件结构设计，即核心器件模块加上外围扩展器件的硬件结构。在保持核心器件模块不变的情况下，此硬件结构设计可根据现场具体情况，灵活设计外围扩展器件，从而满足多种通讯接口方式和不同接口数目的要求。CPU基于TI ARM Cortex-M3内核Stellaris LM3S9B96微控制器的开发平台，主频高达100MHz、256KB的闪存、96KB的静态存储器，同时支持10／100M以太网、USB OTG、SD卡。通过底板扩展，支持2路CAN、2路232、1路485、1路IrDA等接口，功能强大、接口丰富，同时具有丰富的软件资源。
总线板卡用于为管理CPU板卡与通讯接口板卡之间的信号互联提供内部高速总线。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于变电站在线监测系统的通信管理装置，所述在线监测系统分为三层：系统层，包括作为客户端的变电站综合在线监测系统；间隔层，包括所述通信管理装置；过程层，包括分类检测的子智能电子设备(IED)或传感器，其特征在于：
所述通信管理装置采用分布式架构，包括管理CPU板卡、通讯接口板卡以及总线板卡，所述管理CPU板卡负责对上的IEC61850通信和内部数据库管理；所述通讯接口板卡用于实现多种非IEC61850智能设备的数据采集，并将采集得到的多种非IEC61850协议数据无缝转化为IEC61850的协议数据；所述总线板卡用于为管理CPU板卡与通讯接口板卡之间的信号互联提供内部高速总线。
2.根据权利要求1所述的通信管理装置，其中，所述管理CPU板卡包括IEC61850模块、数据库管理模块、内部通讯模块和操作系统及驱动模块，并且，所述IEC61850模块用于对上的IEC61850通信；所述数据库管理模块用于内部数据库管理；所述内部通讯模块用于提供对上通讯以太网口和对下通讯的扩展口。
3.根据权利要求2所述的通信管理装置，其中，所述IEC61850模块包括内部数据接口模块、数据库、MMS库接口模块、MMS回调模块、MMS库和网络数据接收模块，并且，
所述数据库中建立数据映射文件，实现实际数据与服务器CID模型数据之间的映射，使得IEC61850服务器通过该数据映射文件实现装置对外通信；
所述网络数据接收模块用于通过MMS网络接收客户端的数据，并将数据送入MMS库进行保存和预处理；
所述MMS回调模块用于建立MMS库中各种服务和IEC61850程序的关联关系；
所述MMS库接口模块用于封装和处理MMS库中的函数，为其他模块提供服务；
所述内部数据接口模块用于从通信管理装置内部获得所述数据库管理模块需要的数据、维护变位信息上送以及故障录波。
4.根据权利要求1所述的通信管理装置，其中，所述通讯接口板卡包括多个协议转换模块、通讯接口模块、内部通讯模块和系统程序及底层驱动模块，并且，
所述通讯接口模块用于实现多个非IEC61850智能设备的数据采集；
所述多个协议转换模块将采集得到的多个非IEC61850协议数据无缝转化为IEC61850的协议数据；
所述内部通讯模块用于通过内部高速总线与管理CPU板卡之间进行数据交互。
5.根据权利要求4所述的通信管理装置，其中，所述通讯接口模块包括RS-485、RS-232、CAN／Ethernet等协议数据接口。
6.根据权利要求1所述的通信管理装置，其中，所述通讯接口板卡采用两层硬件结构设计，即核心器件模块加上外围扩展器件的硬件结构。
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