CN104426240A - 牵引变电所中断路器的控制保护系统及该系统运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了牵引变电所中断路器的控制保护系统，包括用于检测断路器中开入电平状况，并将异常的开入电平换为开关位置信号的开入状态检测模块；用于发送正常通信的心跳报文和开关变位后的快速变位报文的GOOSE报文编码发送模块；用于解析GOOSE报文并进行逻辑判断，并将判断为智能单元订阅的有效的GOOSE报文中的分合闸报文转入控制信号开出模块执行开出的GOOSE报文解析模块；用于将数据域中的内容转化为控制信号，进而驱动出口继电器动作的控制信号开出模块。本发明还公开了上述牵引变电所中断路的控制保护系统的运行方法，通过本发明能消除因不能及时驱动继电器所存在的安全隐患，便于牵引变电所数字化的推广。

Description

牵引变电所中断路器的控制保护系统及该系统运行方法

技术领域

本发明涉及变电站，具体是牵引变电所中断路器的控制保护系统及该系统运行方法。

背景技术

数字化变电站是以变电站一、二次设备为数字化对象，以高速网络通知平台为基础，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，采用智能化策略实现测量监视、控制保护、信息管理等自动化功能的变电站。随着数字化变电站技术的推广，数字化变电站在电力系统的应用越来越广泛，牵引变电所数字化也就成为了必然趋势。断路器是牵引供电系统中的重要设备，通过断路器实现通信数字化，有助于提高牵引供电系统数字化水平和供电的可靠性。现有牵引变电所在断路器工作异常时不能及时的驱动继电器对线路进行安全保护，这就存在较大的安全隐患，进而会影响牵引变电所数字化的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种牵引变电所中断路器的控制保护系统，其能在检测到断路器工作异常时及时的控制继电器工作，其解决了不能及时对牵引变电所故障线路进行保护所存在的安全隐患，进而有利于牵引变电所数字化的推广应用，本发明还提供了该牵引变电所中断路器的控制保护系统的运行方法。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：

牵引变电所中断路器的控制保护系统，包括开入状态检测模块、GOOSE报文编码发送模块、GOOSE报文解析模块及控制信号开出模块；

所述开入状态检测模块用于检测断路器中智能单元端子输入和输出口的开入电平状况，并将异常的开入电平换为开关位置信号后转入GOOSE报文编码发送模块发送变位报文；

所述GOOSE报文编码发送模块用于发送正常通信的心跳报文和开关变位后的快速变位报文；

所述GOOSE报文解析模块用于解析GOOSE报文并进行逻辑判断，并将判断为智能单元订阅的有效的GOOSE报文中的分合闸报文转入控制信号开出模块执行开出；

所述控制信号开出模块用于将数据域中的内容转化为控制信号，进而驱动出口继电器动作。其中，各模块信息之间的传输可采用模拟的软件系统总线进行，牵引变电所中断路器是否工作异常由本发明创造所采集到的开入电平显示。

上述牵引变电所中断路器的控制保护系统的运行方法，包括以下步骤：

步骤1、开入状态检测模块采用轮询的方式不断检测断路器智能单元输入和输出口的开入电平状况，一旦检测到端子的电平发生改变，且持续时间大于消抖时延，记录开入电平并将检测出的开入电平转换为开关位置信号后输入GOOSE报文编码发送模块中；

步骤2、GOOSE报文编码发送模块将开关位置信号编码后发送至GOOSE报文解析模块中；

步骤3、GOOSE报文解析模块解析GOOSE报文的数据域，并判断解析后的数据域中数据是否为分合闸报文，若是分合闸报文则改变数据集，并且置位报文有效性标志后转入控制信号开出模块；

步骤4、控制信号开出模块在GOOSE报文解析标志打开且开出数据有效时，将数据域中的内容转化为控制信号，并由控制信号驱动出口继电器动作。

所述步骤3可解析GOOSE报文前还包括对GOOSE报文是否是断路器中智能单元订阅的报文进行判断，在判定为订阅的报文后再检查GOOSE报文的有效性，所述步骤3中解析GOOSE报文是有效的报文。

因VxWorks是专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统内核，其为程序员提供了实时的系统资源管理，高效、实时的多任务调度与任务间通信以及中断管理机制，在各种处理器平台上提供了统一的应用程序接口和一致的运行特性，尽可能的屏蔽了不同处理器之间的底层差异，基于VxWorks操作系统的应用程序可以方便在不同处理器平台上移植。作为优选，本发明创造的控制保护系统基于VxWorks操作系统实现。

本发明应用过程中所依赖的硬件设备包括电源插件、CPU插件及出口控制插件，电源插件用于为装置提供电能，且电源插件上的开入部分采集断路器、刀闸等一次设备的开关量信息，并将相应信息传输给处理器；CPU插件采用高性能的嵌入式处理器，负责实时GOOSE通信、在线监测数据处理和装置的运行管理；出口控制插件能够根据处理器发送的不同控制命令驱动不同的出口继电器动作，出口控制插件的分、合闸出口接点连接至断路器、刀闸等开关设备的操作回路，从而控制开关设备。

GOOSE模型中允许订阅者以C/S的通信模式读取或设置发布者的控制块属性，GOOSE的控制块的定义属性名包括GoCBNam、GoEna、GoCBRef、DatSet、ConfRev、AppID及NdsCom，其中，GOOSE控制块名GoCBName是唯一标识在LLN0作用域内的GoCB，GOOSE控制块属性GoCBRef是LLN0作用域内GoCB唯一路径名，GOOSE是否发送由GOOSE使能GoEna决定，当属性为TRUE时表示当前能发送GOOSE报文，反之则表示停止发送GOOSE报文，应用标识示APPID作为变电站作用域内各个设备的内部标识，订阅者可以通过匹配APPID方式来判断GOOSE报文是否为自己需要的报文。DatSet属性代表DATA-SET引用，DATA-SET成员值正在被传送。配置版本ConfRev属性表示DATA-SET配置是否改变，当DATA-SET成员发生改变，会引起ConfRev的数值改变。是否重新配置NdsCom属性表示是否需要配置GoCB，GOOSE正常通信时NdsCom属性为FALSE，若DatSet属性值为NULL时，NdsCom值为TRUE，表示GoCB需要配置。GOOSE服务定义为SendGOOSEMessage、GetGoReference、GetGoCBValues、GetGOOSEElementNumber、SetGoCBValues 5类。其中SendGOOSEMessage被用于GOOSE报文传输，其他4类均是用于GOOSE控制块属性。客户通过GetGoReference、GetGoCBValues、GetGOOSEElementNumber可以读取GOOSE控制块相应的参数，而SetGoCBValues服务可以修改GOOSE控制块中GoEna和AppID等属性，从而改变GOOSE报文传输特性。需要说明的是，在GoCB使能时，必须先设置GoEna为FALSE，否则设置将失败。

GOOSE报文传输采用变位状态报文快速重发和心跳报文相结合的机制，当有事件发生时，GOOSE服务器生成一个发生GOOSE的请求，该数据包将按照GOOSE的配置信息格式进行编码并进行组播发送。为了保证数据传输的可靠性，一般重传相同的数据包若干次，并在传送的每个数据包中设置“允许存活时间”参数，以提示接收端等待接收下一帧传送数据包的最大等待时间。如果在等待时间内相应的数据包没有到达，接收端就认为数据包丢失。正常情况下，GOOSE数据集中的数据没有发生变化，心跳报文的发送时间间隔为T0（一般为1S或5S），GOOSE报文中状态号（stNum）保持不变，序列号（sqNum）每发送一次递增1。当有突发事件时，GOOSE数据集数据发生变化，开始发送变位状态报文，一般时间间隔T1、T1、T2、T3（T1、T2、T3随时间依次递增，但小于T0）进行变位报文快速重发。在初始变位报文中状态号stNum增加1，序列号sqNum从0开始，随后的报文中状态号stNum不变，序列号sqNum递增。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明包括开入状态检测模块、GOOSE报文编码发送模块、GOOSE报文解析模块及控制信号开出模块，整体结构简单，便于实现，且本发明工作时可通过检测到的断路器中智能单元端子输入和输出口的异常开入电平转换为开关位置信号，并依次经过GOOSE报文编码发送模块、GOOSE报文解析模块及控制信号开出模块处理后生成控制信号，进而驱动出口继电器动作，整体操作流程简单，且通过本发明能保证断路器工作异常时及时的启动继电器进行线路保护，进而能避免因断路器异常所存在的安全隐患，有利于牵引变电所数字化的推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例中控制保护系统中各模块间信息传递流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

如图1所示，牵引变电所中断路器的控制保护系统，包括开入状态检测模块、GOOSE报文编码发送模块、GOOSE报文解析模块及控制信号开出模块，各模块之间信息的传递可通过一个软件系统总线实现，整个控制保护系统基于VxWorks操作系统实现。开入状态检测模块用于检测断路器中智能单元端子输入和输出口的开入电平状况，并将异常的开入电平换为开关位置信号后转入GOOSE报文编码发送模块发送变位报文，开入电平反应断路器的工作状态。GOOSE报文编码发送模块用于发送正常通信的心跳报文和开关变位后的快速变位报文。GOOSE报文解析模块用于解析GOOSE报文并进行逻辑判断，并将判断为智能单元订阅的有效的GOOSE报文中的分合闸报文转入控制信号开出模块执行开出。控制信号开出模块用于将数据域中的内容转化为控制信号，进而驱动出口继电器动作。

牵引变电所中断路器的控制保护系统的运行方法，包括以下步骤：开入状态检测模块采用轮询的方式不断检测断路器智能单元输入和输出口的开入电平状况，一旦检测到端子的电平发生改变，且持续时间大于消抖时延，记录开入电平并将检测出的开入电平转换为开关位置信号后输入GOOSE报文编码发送模块中；GOOSE报文编码发送模块将开关位置信号编码后发送至GOOSE报文解析模块中； GOOSE报文解析模块首先对GOOSE报文是否是断路器中智能单元订阅的报文进行判断，在判定为订阅的报文后再检查GOOSE报文的有效性，后对有效的报文解析GOOSE报文的数据域，并判断解析后的数据域中数据是否为分合闸报文，若是分合闸报文则改变数据集，并且置位报文有效性标志后转入控制信号开出模块；控制信号开出模块在GOOSE报文解析标志打开且开出数据有效时，将数据域中的内容转化为控制信号，并由控制信号驱动出口继电器动作。

牵引变电所中断路器的控制保护系统运行时，每隔1sGOOSE报文解析模块获得信号量，sqNum自增1并完成GOOSE编码，再完成GOOSE报文发送，状态量报文快速发送是通过事件来实现的，在开入检测任务中，每1ms读取一次开入，读取开入时，一旦发现开关的状态改变，置状态值改变标志StatusChangeFlags为ON，同时修改开关状态量，开入检测任务释放信号量、退出。信号量释放后，GOOSE报文解析模块获得信号量，即刻进行GOOSE报文的编码，完成编码后发送数据包。GOOSE报文为底层报文，传输时不需要经过上层协议，VxWorks系统下能够将底层驱动捕获的原始数据包通过MUX层向上传递，并将返回值决定数据包是否经过上层协议处理，若返回TRUE，则该数据包将不再被传递至上层协议或底层DRIVER，直接被丢弃，为否时则该数据包将继续向上或向下传递。GOOSE报文为底层协议，不需要数据向上传递，在返回值区域，根据返回数据包地址和长度就可以对GOOSE数据包进行解码分析。GOOSE报文捕获后需要对其进行解析，每当有一个GOOSE报文到来时，驱动GOOSE解析函数对其进行解析。GOOSE报文解析时首先解析目标地址，判断是否为订阅的GOOSE报文，若是继续解析，向下解析判断是否有VLAN，之后重复确认网络类型是否为0x88b8以太网类型，若是合法的GOOSE报文，则继续向下解码判断APPID是否是本装置对应的APPID，若否则不再解析，直接退出等待下一数据包的到来，若是本装置需要的APPID，不再判断，确认本装置为数据的目的地，向下继续解析PDU。根据报文的生存时间和发送时间判断报文是否过期，若未过期，解析GOOSE数据域，提取数据。解析数据域后，根据stNum、sqNum以及数据域综合判断GOOSE报文是否是心跳报文，若是更新sqNum，对数据不做处理，若否更新数据集，转入控制信号开出模块执行。

开入状态检测模块和控制信号开出模块所依赖的硬件采用CPLD实现，由于外部开入是强电信息，需要对其进行光电隔离，在进行读取操作。读取开入状态时，外部DC110V或DC220V硬开入接入到智能单元装置端子上，智能单元装置的端子直接映射到内部地址中。对端子的操作转换为对CPLD 地址的操作，通过对地址的定时轮询检测来判断外部是否有开入。外部开入中诸如告警、闭锁等信号是单点信息开入，而开关位置信息时双点开入的。CPLD地址中，0表示合位，1表示分位。对于断路器的合、分端子开入，当读取到端子值为01时表示断路器开入为合位，断路器合位开入为0且断路器分位开入为1；同理10表示断路器分位开入。CPLD内部地址中的一位对应于智能单元的8个端子，读取端子状态时从内部地址对应位开始读取，判断地址中的第i 位是否为0，为零表示端子为ON态；继续检查合位计时器是否大于消抖延时，否时表示开入输入无效，合位计时器置自加1，分位计时器置0，转至下一端子口；若合位计时器大于消抖延时，开入有效，继续向下判断，若端口的状态值为OFF且状态改变标志不为ON时，置状态改变标志为ON，端子状态改变值为ON，分位计时器置0，转至下一端子口；若不满足端口的状态值为OFF且状态改变标志不为ON条件时，直接置端子状态为ON；分位计时器置0，转至下一端子口。当装置的第i位为1时，端子为OFF态，向下判断开入是否有效，若开入输入小于于消抖延时，开入输入无效，分位计时器自加1，合位计时器置0，转至下一端子口；输入大于消抖延时，开入输入有效时，向下判断端子口的状态值和状态改变标志值，若端子口值为ON且状态改变标志不为ON时，置状态改变标志为ON，端子口状态值为OFF，合位计时器置0，转至下一端子口。若不满足端子口值为ON且状态改变标志不为ON时，端子口状态值为OFF，合位计时器置0，转至下一端子口。

智能单元接收分合闸报文在装置内部解码后，经光电隔离后，通过控制继电器触电的导通、分开来控制强电控制信号的开出。在控制命令开出之前需要对开关设备的状态进行检测，当开关设备状态满足要求时，才进行开出操作。开出的时候是向内部的CPLD地址中进行写操作，写入0表示控制继电器触点导通，1表示控制继电器触点分开。合闸开出时需要将合闸连片和控制合闸相连，同时对合出继、合闸线圈继电器写0，保出继和分闸线圈继电器进行写1。分闸开出与合闸类似，需要将分闸连片和控制分闸进行相连，对保出继、分闸线圈继电器写0，合出继和合闸线圈继电器进行写1。在驱动继电器开出后，经一定的延时后，需要对开出进行收回以关闭开出继电器。开出收回是通过对所有开出开入位进行置位，即控制所有的开出继电器恢复初始状态。

如上所述，则能很好的实现本发明。

Claims (3)

1.牵引变电所中断路器的控制保护系统，其特征在于，包括开入状态检测模块、GOOSE报文编码发送模块、GOOSE报文解析模块及控制信号开出模块；

所述开入状态检测模块用于检测断路器中智能单元端子输入和输出口的开入电平状况，并将异常的开入电平换为开关位置信号后转入GOOSE报文编码发送模块发送变位报文；

所述GOOSE报文编码发送模块用于发送正常通信的心跳报文和开关变位后的快速变位报文；

所述GOOSE报文解析模块用于解析GOOSE报文并进行逻辑判断，并将判断为智能单元订阅的有效的GOOSE报文中的分合闸报文转入控制信号开出模块执行开出；

所述控制信号开出模块用于将数据域中的内容转化为控制信号，进而驱动出口继电器动作。

2.如权利要求1所述的牵引变电所中断路器的控制保护系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、开入状态检测模块采用轮询的方式不断检测断路器智能单元输入和输出口的开入电平状况，一旦检测到端子的电平发生改变，且持续时间大于消抖时延，记录开入电平并将检测出的开入电平转换为开关位置信号后输入GOOSE报文编码发送模块中；

步骤2、GOOSE报文编码发送模块将开关位置信号编码后发送至GOOSE报文解析模块中；

步骤3、GOOSE报文解析模块解析GOOSE报文的数据域，并判断解析后的数据域中数据是否为分合闸报文，若是分合闸报文则改变数据集，并且置位报文有效性标志后转入控制信号开出模块；

步骤4、控制信号开出模块在GOOSE报文解析标志打开且开出数据有效时，将数据域中的内容转化为控制信号，并由控制信号驱动出口继电器动作。

3.根据权利要求2所述的牵引变电所中断路器的控制保护系统的运行方法，其特征在于，所述步骤3可解析GOOSE报文前还包括对GOOSE报文是否是断路器中智能单元订阅的报文进行判断，在判定为订阅的报文后再检查GOOSE报文的有效性，所述步骤3中解析GOOSE报文是有效的报文。