CN104426757A - 一种智能变电站专用数据交互方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能变电站专用数据交互方法及装置，实现对过程层交换机发往继电保护装置的SMV采样值控制块进行单向过滤与隔离，对交换机发往继电保护装置及继电保护装置发往交换机的GOOSE控制块，保持双向交互，并可采用光数字继电保护测试仪从专用数据交互装置其它输入端口添加测试所需要的SMV采样值控制块，添加的SMV采样值控制块与GOOSE控制块在同一对光纤中传输至继电保护装置，从而实现继电保护装置与智能终端的一体化传动测试。基于该方法的智能变电站专用数据交互装置串接于过程层交换机和继电保护装置之间，方便实现采样值SMV和GOOSE合并组网的智能变电站继电保护及其它安全自动装置的一体化传动测试。

Description

一种智能变电站专用数据交互方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统智能变电站二次系统继电保护测试领域，具体涉及一种智能变电站专用数据交互方法与装置。

背景技术

智能变电站是由智能化一次设备和网络化二次设备分层构建、建立在IEC61850体系基础上，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。智能变电站具有二次系统结构简单，二次回路无开路引入高压危险，光纤传输抗电磁干扰能力强等特点，采用电子式、光纤式或磁光玻璃式互感器的智能变电站，还具有占地面积小、无CT饱和和互感器铁磁谐振，不充油不充气，无易爆易燃危险的优势，因此，智能变电站正逐步进入大范围推广建设阶段。

目前，已建和在建的智能变电站，根据过程层保护装置采样值的获取方式和GOOSE的跳闸方式，大致可分为三种模式。一是“直采直跳”的智能变电站，二是SMV与采样值独立组网的智能变电站，三是SMV/GOOSE合并组网的智能变电站。“直采直跳”模式下，合并单元（MU）至保护装置采用单根光纤点对点传输SMV信号，保护至智能终端也是采用单对光纤点对点传输GOOSE信号，这种模式下保护的正常工作可不依赖于交换机和GPS时钟同步系统，但它的缺点也是十分突出的，二次系统结构复杂，光纤数量大，保护装置、MU、智能终端光接口数量多，发热严重。SMV与GOOSE独立组网变电站，信息的共享程度要优于“直采直跳”模式，光纤数量减少很多，二次系统也简单很多。相对于前两种模式，SMV与GOOSE合并组网智能变电站，具有光纤数量少、系统最简洁、信息共享最充分、最接近IEC61850体系架构的特点，将会成为智能变电站的发展方向。它存在的问题是对时钟同步系统的依赖和对网络交换设备工作可靠性的依赖，随着这两方面技术的突破，合并组网模式智能变电站在智能电网的应用会越来越多，从而会成为智能变电站的主流模式。根据时钟同步系统的不同，合并组网变电站又可分为基于IRIG-B码同步的SMV/GOOSE合并组网变电站和基于PTP同步的“三网合一”智能变电站。采用PTP网络对时与同步方式，更可以大大地简化整个变电站的对时与同步系统，但限于目前IEEE1588交换机技术成熟度和价格的原因，基于PTP同步的三网合一智能变电站的大范围推广受到了限制。

国内目前已有一定数量的基于IRIG-B码同步的SMV/GOOSE共网及“三网合一”智能变电站投入运行。合并组网变电站系统结构简洁，但过程层信号传输的关联性强，交换机至保护装置采样值（SMV）和GOOSE信号在同一根光纤中传输，对于三网合一变电站，光纤中还会有PTP对时同步信号，这些信号的相互关联，会给继电保护装置的定期检验带来极大的困难。

存在的主要问题如下：

1)定期检验如果只完成保护装置、MU、智能终端独立的各单体测试是不够的，会给变电站的安全运行留下一定的隐患。这三个设备的正常工作是密切关联的，保护正确动作与MU采样值（SMV）传输的正确性及保护至智能终端GOOSE传输正确性相关联，任何一个环节和装置出了问题，都是非常危险的。限于目前对关联信号处理技术手段的限制，大部分SMV/GOOSE合并组网智能变电站目前都只能采用单体测试方式进行保护装置的定期检验，或只能在变电站全部或局部停电方式下进行保护定期检验，这样可能拖延了定期检验的时间，影响了供电的连续性；

2)智能变电站中，母线电压MU输出SMV报文接入交换机，交换机至线路保护装置的光纤中，既有线路MU电压电流采样值控制块，也有母线电压控制块，对线路保护装置的定期检验，母线MU是不能停用的，否则需母线停电。如既要实现保护与智能终端的GOOSE传动，又要母线MU不停止工作，难以做到；

3)采用重新划分过程层交换机局域网ID可以进行设备和信号的隔离与重组，但在实际运行的变电中，重新设置交换机，修改网络的虚拟局域网号（VLANID），交换机需停电，测试完后又改回来，又存在交换机需重新测试的问题；

随着智能变电站的批量建设，以上SMV/GOOSE合并组网变电站的定期检验问题会越来越突出，甚至会直接影响到变电站的安全稳定运行。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种智能变电站专用数据交互方法，用于对采样值和GOOSE合并组网的智能变电站继电保护装置进行测试，对于过程层交换机发往继电保护装置的采样值控制块进行单向过滤与隔离。

本发明还提供了一种智能变电站专用数据交互装置，其包括数据交互输出模块、处理控制模块、SCD文件解析与配置模块、数据交互输入模块；其特征在于：

所述数据交互输入模块包括多路光以太网接口，其中一路光以太网接口接入过程层交换机或者智能组件，其它光以太网接口中的一路或多路接入光数字继电保护测试仪；

所述数据交互输出模块包括至少一路连接至保护装置的光以太网接口；

所述处理控制模块包括PTP时钟处理模块和报文传输控制模块；所述报文传输控制模块，包括FPGA及其附属电路，在完成报文交互控制、报文过滤及报文路径控制功能的同时保证报文传输延时的确定性与一致性；

其中，所述过程层交换机或者智能组件向所述保护装置发送SMV控制块、GOOSE控制块、PTP信号中的一个或者多个；所述光数字继电保护测试仪向所述保护装置发送SMV控制块；所述智能变电站专用数据交互装置对过程层交换机发向所述保护装置的SMV控制块进行单向过滤和隔离。

将所述过程层交换机或者智能组件发向所述保护装置的SMV控制块替换为光数字继电保护测试仪输出的SMV控制块。

在上述技术方案中，所述光数字继电保护测试仪向保护装置发送的SMV控制块的APPID、MAC地址、通道数与所述过程层交换机或者智能组件向保护装置发送的SMV控制块的APPID、MAC地址、通道数完全相同。

在上述技术方案中，所述SCD文件解析与配置模块，包括一个作为配置网口的电以太网口，以及一个32位处理器；其中所述配置网口用来与笔记本电脑相连以载入变电站SCD文件，32位处理器对载入的变电站SCD文件进行解析，确定端口路径与对应关系；通过配置软件中所选择的待测保护装置并进行相应设置，根据输入输出的SMV控制块和GOOSE控制块的APPID和MAC地址进行交互路径规划。

在上述技术方案中，所述PTP时钟处理模块包括本地时钟、时间控制模块以及多个上游时间端时标生成器和多个下游时间端时标生成器；所述本地时钟用以延续、保持所述PTP时钟处理模块的本地时间；所述时间控制模块用实现以计算、控制与PTP时间相关的工作同时对本地时钟进行调整；上游时间端时标生成器用以实现对接收报文的时标产生；下游时间端时标生成器用以实现对发送报文的时标产生；所述上游时间端时标生成器与数据交互输入模块的光以太网接口一一对应，所述下游时间端时标生成器与数据交互输出模块的光以太网接口一一对应。

在上述技术方案中，所述过程层交换机接入线路合并单元、变压器合并单元、母线合并单元、智能终端、测控、网络记录这些IED设备中的一种或多种。

在上述技术方案中，所述智能组件具有合并单元和智能终端的功能。

在上述技术方案中，所述智能变电站专用数据交互装置的交互延时恒定且小于10us；所述保护装置包括智能变电站线路保护装置、变压器保护装置、母线保护装置中的一种或多种。

本发明提供了一种使用智能变电站专用数据交互装置来实现智能变电站专用数据交互的方法，用于对采样值和GOOSE合并组网的智能变电站继电保护装置进行测试，对于过程层交换机或智能组件发往保护装置的报文进行单向过滤与隔离；所述单向过滤是指对过程层交换机或智能组件发向保护装置的报文中的SMV和/或GOOSE控制块根据变电站配置文件中的APPID、MAC地址及测试需要进行部分过滤，对保护装置发向过程层交换机或智能组件的报文不进行过滤；在对发向保护装置的报文进行单向过滤的同时，光数字继电保护测试仪通过智能变电站专用数据交互装置向保护装置发送测试需要的报文。

在上述技术方案中，数据传输路径通过变电站配置文件进行规划，处理后的数据从智能变电站专用数据交互装置的输出端以单对光纤方式传输至保护装置。

本发明取得了以下技术效果：

可有效地解决SMV/GOOSE合并组网的智能变电站继电保护装置测试时关联信号的分离问题；因其具有确定的传输延时，也可应用于“直采直跳”模式下智能变电站继电保护装置至智能组件采用一对光纤传输SMV及GOOSE时的继电保护装置测试。

附图说明

图1线路保护SMV/GOOSE合并组网结构图；

图2线路继电保护测试连接图；

图3“三网合一”模式线路保护连接图；

图4数据交互器框图；

图5PTP时钟处理模块框图；

图6“直采直跳”模式下保护测试连接图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

图1是SMV/GOOSE合并组网模式下智能变电站线路保护连接图，各IED设备采用光IRIG-B码或电IRIG-B码对时（图中未示出），线路合并单元（MU）103输出采样值控制块SMV1，母线合并单元（MU）104输出采样值控制块SMV2，SMV1及SMV2均接至过程层交换机102，智能终端104与过程层交换机102相连，通过过程层交换机102向线路保护装置101发送断路器的位置GOOSE信号和接收线路保护装置101的跳闸GOOSE信号，过程层交换机102与线路保护装置101为单对光纤连接，光纤中传输线路MU采样值控制块SMV1、母线MU采样值控制块SMV2、及GOOSE控制块。

其中，线路保护装置101可以是智能变电站线路保护，或者是变压器保护装置、母线保护装置等继电保护装置。

图2是线路继电保护测试连接图。数据交互器106设置于过程层交换机102与线路保护装置101之间，数据交互器106具有两个输入口和一个输出口，其输出口连接到线路保护装置101，其两个输入口中一个接入由过程层交换机102发向线路保护装置101的采样值控制块SMV1和SMV2和GOOSE控制块。同时，通过光数字继电保护测试仪107从数据交互器106的另一输入口输入采样值控制块SMV3与SMV4，光数字继电保护测试仪107输出的采样值控制块SMV3与线路合并单元（MU）103输出的采样值控制块SMV1的APPID、MAC地址、通道数等参数完全相同，光数字继电保护测试仪107输出的采样值控制块SMV4与母线合并单元（MU）104输出的采样值控制块SMV2的APPID、MAC地址、通道数等参数完全相同。这样在测试时，将光数字继电保护测试仪107输入的采样值控制块SMV3及SMV4与交换机过来的GOOSE控制块转发至数据交互器106的输出口，再通过光纤传送至线路保护装置101，上述采样值控制块从数据交互器106输入口到输出口的传输延时保持恒定。

通过数据交互器106对过程层交换机102发向线路保护装置101的采样值控制块SMV1和SMV2进行过滤与隔离，将过程层交换机102发向线路保护装置101的采样值控制块SMV1和SMV2替换为光数字继电保护测试仪107输出采样值控制块SMV3与SMV4，从实现在测试时，光数字继电保护测试仪107对线路保护装置101的在线测试。这里的过滤与隔离是对于过程层交换机102发往线路保护装置101的采样值控制块进行单向过滤与隔离，具体来说，单向过滤指的是对过程层交换机102发向线路保护装置101的采样值控制块（但不限于采样值控制块，也可是GOOSE控制块），根据SCD文件中的APPID、MAC地址及测试需要进行部分过滤，对线路保护装置101发向过程层交换机102的报文不进行过滤。对过程层交换机102发往线路保护装置101及线路保护装置101发往过程层交换机102的GOOSE控制块，保持双向交互，并可在数据交互器106输入侧的其它端口添加测试所需要的采样值控制块，添加的采样值控制块与GOOSE控制块在同一对光纤中传输从输出侧输出至线路保护装置101，从而实现线路保护装置101与智能终端104的一体化测试。

图3是“三网合一”模式线路保护连接图，与图2所示线路继电保护测试连接图相对比，过程层交换机102除向线路保护装置101发送采样值与GOOSE控制块外，还向线路保护装置101发送PTP对时信号，数据交互器106串接于过程层交换机102与线路保护装置101之间，在对部分采样值控制块SMV1和SMV2进行过滤与隔离的同时，还对PTP报文进行处理，保证PTP时钟报文传输的延续性。

图4为数据交互器框图，数据交互器106由数据交互输出模块210、处理控制模块220、SCD文件解析与配置模块230、数据交互输入模块240组成。数据交互输入模块240由5路光以太网接口241、242、243、244、245组成，这些光以太网接口可以根据需要选择为100Mbps光以太网接口或者1000Mbps光以太网接口，可一个光以太网接口接入过程层交换机102，其它光以太网接口接入光数字继电保护测试仪107，通过光数字继电保护测试仪107对线路保护装置101进行测试，同时保证GOOSE至智能终端104的信号连接。数据交互输出模块210由3路光以太网接口211、212、213组成，这些光以太网接口连接至线路保护装置101。通过多路光以太网接口可同时对多个线路保护装置101进行测试。处理控制模块220包括PTP时钟处理模块221和报文传输控制模块222；报文传输控制模块222，由FPGA及附属电路组成，主要实现报文交互控制、报文过滤及报文路径控制等功能，同时，保证报文传输延时的确定性与一致性。SCD文件解析与配置模块230，包括一个电以太网口来作为配置网口232，以及一个32位处理器231，其中配置网口232用来与笔记本电脑相连载入变电站SCD文件，32位处理器231对载入的变电站SCD文件进行解析，确定端口路径与对应关系。由此，数据交互器106通过配置网口232与笔记本电脑相连，载入变电站SCD文件，从配置软件中选择待测的IED设备（即被测继电保护装置）并进行相应设置，数据交互器106根据输入输出的SMV和GOOSE的APPID和MAC地址进行交互路径规划。

图5是PTP时钟处理模块221的框图，时间由上游向下游传递，上游时间可能是PTP主时钟、边界时钟、PTP传输时钟，下游是线路保护装置101。装置的PTP时间传输实现主要由本地时钟321、时间控制模块322以及每个端口上的时标生成器组成。如图5所示，在上游时间端有5个时标生成器311、312、313、314、315，这5个时标生成器与数据交互输入模块240的5路光以太网接口241、242、243、244、245一一对应。在下游时间端有3个时标生成器331、332、333，这3个时标生成器与数据交互输出模块210的3路光以太网接口211、212、213一一对应。

本地时钟321用以延续、保持PTP时钟处理模块221的本地时间，时间控制模块322用实现以计算、控制与PTP时间相关的工作同时对本地时钟321进行调整，时标生成器用以实现每个端口对接收和发出的报文时标产生。对传入数据交互器106和从数据交互器106传出的PTP事件报文都会被数据交互器106的PTP时钟处理模块221打上时标。PTP时钟处理模块221主要完成以下功能：计算与上游时间的时间偏差，同步本地时钟的频率；计算事件报文在数据交互器106内的驻留时间，修改相关报文的修正域；响应下游的时间延迟请求，从而实现数据交互器106对时间的准确传递。

图6是“直采直跳”模式下保护装置与智能组件的连接图。在该模式下，智能组件108具有合并单元和智能终端的功能。保护装置109至智能组件为单对光纤连接，单对光纤中传输智能组件108发往保护装置109的SMV1和GOOSE信号，同时接收保护装置109发往智能组件108的跳闸信号。数据交互器106交互延时恒定且小于10us，串接在保护装置109与智能组件108之间，对GOOSE信号的传输进行双向交互，对智能组件108发往保护装置109的SMV1进行过滤与隔离，同时通过光数字继电保护测试仪107从数据交互器106的其它端口给加相同APPID、MAC地址的SMV2信号，从而可以对保护装置109的各功能进行测试，这样的测试可实现继电保护装置109与智能组件108的联合测试。数据交互器106所产生的延时，因其时间确定可作为附加延时补偿到互感器至合并单元（MU）传输延时中。

以上实施例仅为本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。其具体结构和尺寸可根据实际需要进行相应的调整。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种智能变电站专用数据交互方法，用于对采样值和GOOSE合并组网的智能变电站继电保护装置进行测试，其特征在于：对于过程层交换机发往继电保护装置的采样值控制块进行单向过滤与隔离。

2.一种智能变电站专用数据交互装置，其包括数据交互输出模块、处理控制模块、SCD文件解析与配置模块、数据交互输入模块；其特征在于：

所述数据交互输入模块包括多路光以太网接口，其中一路光以太网接口接入过程层交换机或者智能组件，其它光以太网接口中的一路或多路接入光数字继电保护测试仪；

所述数据交互输出模块包括至少一路连接至保护装置的光以太网接口；

所述处理控制模块包括PTP时钟处理模块和报文传输控制模块；所述报文传输控制模块，包括FPGA及其附属电路，在完成报文交互控制、报文过滤及报文路径控制功能的同时保证报文传输延时的确定性与一致性；

其中，所述过程层交换机或者智能组件向所述保护装置发送SMV控制块、GOOSE控制块、PTP信号中的一个或者多个；所述光数字继电保护测试仪向所述保护装置发送SMV控制块；所述智能变电站专用数据交互装置对过程层交换机发向所述保护装置的SMV控制块进行单向过滤和隔离；

将所述过程层交换机或者智能组件发向所述保护装置的SMV控制块替换为光数字继电保护测试仪输出的SMV控制块。

3.根据权利要求2所述的智能变电站专用数据交互装置，其特征在于：所述光数字继电保护测试仪向保护装置发送的SMV控制块的APPID、MAC地址、通道数与所述过程层交换机或者智能组件向保护装置发送的SMV控制块的APPID、MAC地址、通道数完全相同。

4.根据权利要求3所述的智能变电站专用数据交互装置，其特征在于：所述SCD文件解析与配置模块，包括一个作为配置网口的电以太网口，以及一个32位处理器；其中所述配置网口用来与笔记本电脑相连以载入变电站SCD文件，32位处理器对载入的变电站SCD文件进行解析，确定端口路径与对应关系；通过配置软件中所选择的待测保护装置并进行相应设置，根据输入输出的SMV控制块和GOOSE控制块的APPID和MAC地址进行交互路径规划。

5.根据权利要求4所述的智能变电站专用数据交互装置，其特征在于：所述PTP时钟处理模块包括本地时钟、时间控制模块以及多个上游时间端时标生成器和多个下游时间端时标生成器；所述本地时钟用以延续、保持所述PTP时钟处理模块的本地时间；所述时间控制模块用实现以计算、控制与PTP时间相关的工作同时对本地时钟进行调整；上游时间端时标生成器用以实现对接收报文的时标产生；下游时间端时标生成器用以实现对发送报文的时标产生；所述上游时间端时标生成器与数据交互输入模块的光以太网接口一一对应，所述下游时间端时标生成器与数据交互输出模块的光以太网接口一一对应。

6.根据权利要求5所述的智能变电站专用数据交互装置，其特征在于：所述过程层交换机接入线路合并单元、变压器合并单元、母线合并单元、智能终端、测控、网络记录这些IED设备中的一种或多种。

7.根据权利要求5所述的智能变电站专用数据交互装置，其特征在于：所述智能组件具有合并单元和智能终端的功能。

8.根据权利要求6或7所述的智能变电站专用数据交互装置，其特征在于：所述智能变电站专用数据交互装置的交互延时恒定且小于10us；所述保护装置包括智能变电站线路保护装置、变压器保护装置、母线保护装置中的一种或多种。

9.一种使用权利要求1-8中任一项所述的智能变电站专用数据交互装置来实现智能变电站专用数据交互的方法，用于对采样值和GOOSE合并组网的智能变电站继电保护装置进行测试，其特征在于：对于过程层交换机或智能组件发往继电保护装置的报文进行单向过滤与隔离；所述单向过滤是指对过程层交换机或智能组件发向继电保护装置的报文中的SMV和/或GOOSE控制块根据变电站配置文件中的APPID、MAC地址及测试需要进行部分过滤，对继电保护装置发向过程层交换机或智能组件的报文不进行过滤；在对发向继电保护装置的报文进行单向过滤的同时，光数字继电保护测试仪通过智能变电站专用数据交互装置向继电保护装置发送测试需要的报文。

10.根据权利要求9所述的智能变电站专用数据交互方法，其特征在于：数据传输路径通过变电站配置文件进行规划，处理后的数据从智能变电站专用数据交互装置的输出端以单对光纤方式传输至继电保护装置。