CN104715596A - 一种变电站数据的传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变电站数据的传输方法，所述方法包括(1)变电站过程层连接设备并实时监测运行状态，将采集数据上传到至间隔层IED；(2)间隔层IED对接收的间隔层网关节点数据做出分析和判断，并向过程层发送参数设置和控制指令，将数据上传站控层并接收下发的控制指令；(3)站控层接收间隔层通信单元的数据送至网调度主站，把主站下发的控制命令分发到间隔层通信单元。本发明为智能变电站状态监测系统的标准化通信提供了一种以无线方式实现的思路。可以接入相对于其他短距离无线方式更多传感节点。本发明实现IED互操作，对今后变电站设备在先监测系统的规范化发展起着重要作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种变电站采集数据传输方式，具体讲涉及一种变电站数据的传输方法。
背景技术
现有的电力设备在线监测系统的监测对象是以单台独立的设备为主，这种系统监测效率太低，时效性不强，以整个变电站的所有电力设备作为监测对象的分布式在线监测系统成为研究热点。构建分布式在线监测系统面临的最主要的困难就是通信方式的选择，选择合适的通信方式及数据交互平台，是保证各个监测单元之间以及监测单元与变电站自动化系统之间高效、可靠、安全通信的关键。具有抗强电磁干扰的短距离无线通信技术可以解决底层数据采集问题，IEC61850系列标准实现了智能电子设备(IED)互操作问题，IEC61850标准面向对象的信息建模思想对在线监测系统的IED进行统一的信息描述，使不同厂商的设备之间实现互联。
智能变电站面临的监测环境越来越复杂，监测节点逐渐增多，网络电磁干扰愈加增强。分析主流的短距离无线通信技术发现，工业无线WIA-PA通信协议相对于Zigbee，wifi，wireless等短距离无线通信技术，更加符合变电站复杂的电磁环境及大规模的接入节点。WIA-PA节点部署与工业环境相关，并且严格按照工艺要求安装工业现场，集中式的无线网络，高可靠性、实时性为网络首要优化目标，应对干扰和遮挡，获取现场设备实时数据。
目前，现有的基于IEC61850的变电站自动化系统还处于起步阶段，虽然各种厂家都在积极研制支持IEC61850标准的监测装置，但是真正实际应用的很少。在现有的智能变电站中，在线监测装置基本不支持或者部分支持IEC61850协议，所以想要实现从现阶段的初步状态过渡到全面实现IEC61850系统，必须要有一个过渡期。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种变电站数据的传输方法，具体涉及一种基于IEC61850标准的体系架构及WIA‐PA短距离无线通信协议的变电站采集数据传输方法。变电站通信网络与系统协议IEC61850标准提出了变电站内信息分层的概念，明确的将变电站分为3层，即变电站层、间隔层和过程层。WIPA‐PA技术主要应用在变电站过程 层和间隔层之间。在过程层WIA‐PA传感器节点附属在各种电器设备上，如避雷器、电压电流互感器、GIS、高压断路器等电器设备，采集现场数据信号并通过跳频技术将信号发送至间隔层IED，同时该节点还可以接受来自间隔层的控制信息；在间隔层，基于WIA‐PA协议的网关节点用来收集信号供IED做出分析和判断，并向下层发送参数设置和各种指令，实现保护、测控、故障信息管理等功能；在间隔层还要实现WIA‐PA通信协议向IEC61850标准的转化过程，依据WIA‐PA协议的报文结构，发送机制和各类功能码实现的功能，实现协议转换方法，数据将按照新的报文规约上传到站控层。站控层包括主控通信单元，收集间隔层通信单元的数据送网调度主站，然后把主站下发的控制命令分发到相应的间隔层通信单元。
具有确定性时间调度、低时延、低功耗、易扩展的短距离工业无线通信技术应用于变电站自动化检测系统，满足了数字变电站就地获取信息、快速做出反应、通IEC61850通信规约配合的要求，还克服布线的麻烦、维护不便等困难，提高了系统灵活性，实现了监测、防误的最优协调。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种变电站数据的传输方法，其改进之处在于，所述方法包括
(1)变电站过程层连接设备并实时监测运行状态，将采集数据上传到至间隔层IED；
(2)间隔层IED对接收的间隔层网关节点数据做出分析和判断，并向过程层发送参数设置和控制指令，将数据上传站控层并接收下发的控制指令；
(3)站控层接收间隔层通信单元的数据送至网调度主站，把主站下发的控制命令分发到间隔层通信单元。
优选的，所述步骤(1)包括
(1.1)变电站过程层连接变电站的一次二次设备；
(1.2)通过传感器实时监测设备运行状态；
(1.3)通过WIA-PA无线网络把采集信息上传到路由设备上；
(1.4)接受来自间隔层的控制信息。
优选的，所述步骤(1)中过程层采用WIA-PA工业无线通信技术，多个传感节点和路由中心节点形成mesh网络，并通过跳频自组网技术，完成最多7跳的跳数，从而最多接入1000个传感节点。
优选的，所述步骤(2)包括间隔层基于WIA-PA协议的网关节点收集数据供IED 做出分析和判断，并向过程层发送参数设置和各种指令；并实现WIA-PA通信协议向IEC61850标准的转化过程，依据WIA-PA协议的报文结构，发送机制和各类功能码，实现协议转换，将数据按照新的报文规约上传到站控层。
进一步地，所述WIP-PA网络接入点将接收的数据按照一定规则进行数据报文聚合解聚，经过数据镜像模块，用于存储WIA-PA网络设备的数据，为IEC61850标准转换提供数据访问接口；经过WI-PA网络报文向IEC61850报文数据的转换，形成IEC61850的报文结构，完成各类功能码的实现功能；网关将数据报文通过串口传输到IED设备，间隔层的IED设备具有保护、测控、故障信息管理功能；数据信息从IED导出后通过以太网交换机上传到站控层的后台。
优选的，所述步骤(2)中网关负责和其他网络的协议转换和数据映射，无线网关包括无线射频模块、微处理器模块、IEC61850协议转换模块、以太网接口模块和电源模块。
优选的，所述步骤(3)包括站控层作为全站的监控管理中心包括监控主机、操作员工作站和远动工作站，站控层对过程层进行管理控制，与远方技术服务、控制中心进行通信；间隔层与站控层采用以太网网络通信，以太网交换机采用双主控通信单元，双机为冗余热备用方式，双主控通信单元负责管理间隔层和站控层的通信单元，并收集间隔层通信单元数据上传到后台。
优选的，所述WIA-PA协议的通信网关单元模块包括RS232、RS485、USB及以太网接口，通过数据镜像模块中存储和维护的数据映射表，经过IEC61850标准的映射规约，生成IEC61850标准可以访问的数据格式并提供ACSI数据访问接口，实现了WIA-PA网络与IEC61850标准的网络数据共享。
优选的，所述WIA-PA协议网关单元具有双网关架构，主网关处于运行状态，副网关处于备份状态。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
1、无线通信采用在复杂电磁环境下具有良好通信性能的WIA工业无线通讯技术，保证了通信的可靠性。
2、WIA-PA协议采用的策略和方法，如超帧格式、时间管理、网络安全和mesh组网方式及自适应调频能力等，能够更加适应复杂的电力环境和苛刻的工业需求。
3、为智能变电站状态监测系统的标准化通信提供了一种以无线方式实现的思路。
4、由于WIA-PA无线技术可靠性强，可以接入相对于其他短距离无线方式更多传感节点。
5、依据IEC61850进行统一的信息描述，实现IED互操作，对今后变电站设备在先监测系统的规范化发展起着重要作用。
附图说明
图1为本发明提供的一种变电站采集数据传输系统架构图。
图2为本发明提供的WIA-PA通信网关模块单元架构图。
图3为本发明提供的WIA-PA数据报文规约向IEC61850标准映射的流程图。
图4为本发明提供的IEC61850标准下的数据抽象模型图。
图5为本发明提供的WIA-PA报文和ACSI映射关系表图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明一种变电站数据的传输方法，具体如下：
变电站通信网络系统协议IEC61850将变电站通信体系分为3个层次，即过程层、间隔层和站控层；
变电站过程层连接了变电站的一次二次设备，如断路器、电容器、变压器及GIS等，通过各类传感器实时监测设备运行状态，通过WIA-PA无线网络把采集信息上传到路由设备上。过程层采用WIA-PA工业无线通信技术，多个传感节点和路由中心节点形成mesh网络，并通过跳频自组网技术，可以完成最多7跳的跳数，从而最多接入1000个传感节点，WIA-PA协议基于TDMA访问模式，采用了超帧技术，将时间轴划分为均等的时隙，无线设备在一个时隙中使用16个信道中的一个信道进行收发信息，保证了系统实时可靠的通信，网络的通信资源由位于簇首的路由设备进行通信资源分配，相对于Zigbee等传感网技术，在保证接入点多的情况下且具有高的抗扰性。
过程层中传感节点采集的数据经过路由自组网线路上传到间隔层网关设备中，网关的作用主要负责和其他网络的协议转换和数据映射。
如图2所示，无线网关包括无线射频模块、微处理器模块、IEC61850协议转换模块、以太网接口模块和电源模块。在间隔层中主要包括网关设备及IED，WIA-PA技术 的网关附属在IED设备上，用来收集信号供IED做出判断和分析，向过程层发送参数设置和控制指令，向上通过以太网把数据送往后台，并从主站接收下发的控制指令。
具体为：WIP-PA网络接入点将接收的数据按照一定规则进行数据报文聚合解聚，再经过数据镜像模块，用于存储WIA-PA网络设备的数据，为IEC61850标准转换提供数据访问接口。经过WI-PA网络报文向IEC61850报文数据的转换，形成IEC61850的报文结构，完成各类功能码的实现功能。网关将数据报文通过串口传输到IED设备，间隔层的IED设备具有保护、测控、故障信息管理等功能，如控制箱和线路保护设备以及各种继电保护设备。基于IEC61850标准的间隔层IED之间也可以相互通信，实现来自不同厂家的IED能够互操作。
数据信息从IED导出后通过以太网交换机上传到站控层的后台，站控层作为全站的监控管理中心包括监控主机、操作员工作站、远动工作站等，其功能主要包括与过程层相关的管理控制功能，其次是与远方技术服务、控制中心等相关通信功能。间隔层与站控层之间是用以太网网络，以太网交换机采用双主控通信单元，双机为冗余热备用方式，双主控通信单元负责管理间隔层和站控层的通信单元，并收集间隔层通信单元数据上传到后台。
本发明涉及的WIA-PA协议与IEC61850标准转换如下：
IEC61850采用的是建立信息模型的方法，基于面向对象的建模技术，使信息模型具有可继承、可复用等特点，IEC61850标准将IED信息模型描述分为结构化类模型，在网络层定力了14个抽象的类接口ACSI(抽象通信服务接口)，并封装相应的属性和服务。每一个IED包含一个或多个server，每个server包含一个或多个逻辑设备，逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点又包含数据对象。其中数据对象是数据属性构成的共用数据类的命名实力。在通信网络规约转换的过程中，通信端口把基于MMS(报文制造规范)的报文数据通过14类ACSI映射成为IEC61850标准的通信报文数据，每一个ACSI模型都包含几个抽象通信服务，通信服务模式分为两类，一类基于客户机/服务器模式，另一类是发布者/订阅者模式，每个服务又定义了服务对象和方式。ACSI信息模型功能服务独立于具体网络，功能实现需要经过特定通信服务映射SCSM,实现功能服务由抽象到具体的过程。将WIA-PA网络中网关输出的数据报文经过SCSM映射，生成应用层协议数据单元，组织称具体的通信报文。
WIA-PA网络层数据格式包括网络层源地址和目的地址(1字节)，协议类型标识用户APP接口协议，命令号标识与用户APP交互的命令，例如传输数据的命令号为0x40， 数据源长地址占8字节，监测数据占N字节，CRC16校验位占2字节。对于IEC61850标准的模型的建立主要分为四个步骤具体过程见附图3。首先是把WIA-PA网络层数据报文的包头地址去掉，替换成IEC61850协议的地址；然后对通信功能进行抽象分解；再对IEC61850标准中的数据模型进行适当的继承和引用，生成数据模型，抽象模块数据模型件附图4，数据报文被抽象成一个服务器myServer和一个逻辑设备myLD,服务器有一个访问点M，即增值服务，另外还有S标识MMS服务，G标识GOOSE服务，M访问点下的服务采用发布方/订阅者通信模式中的采样值传输服务。逻辑设备所包含的若干逻辑节点即为数据融合模块所提供功能服务的抽象，逻辑节点的划分按照监测对象类型划分，代表的基本功能包括互感器测量值采集、断路器放电监测、电弧监测、变压器温度、湿度、气体含量的采集等。最后为这些数据模型定义外部访问的抽象通信服务接口ACSI，具体映射见图5。WIA-PA提供几种报文格式，通过功能码实现的方式用于控制领域。单个状态监测数据读取访问，映射操作代码为0x01-04，客户机与多个服务器间进行周期性连续通信，设备获取到的状态数据可以缓存到网关中；定值操作功能码为0x06-10；控制操作码功能码为0x05-0x0F，通信网络操作的时候，过程包括多次发送报文请求，并相应，定值才做流程包括服务激活、服务选择、操作执行和操作确认等。而在实际中进行定值和控制时，一个控制量被设置为两个擦书，即选择和执行，进行逻辑判断。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种变电站数据的传输方法，其特征在于，所述方法包括
(1)变电站过程层连接设备并实时监测运行状态，将采集数据上传到至间隔层IED；
(2)间隔层IED对接收的间隔层网关节点数据做出分析和判断，并向过程层发送参数设置和控制指令，将数据上传站控层并接收下发的控制指令；
(3)站控层接收间隔层通信单元的数据送至网调度主站，把主站下发的控制命令分发到间隔层通信单元。
2.如权利要求1所述的一种变电站数据的传输方法，其特征在于，所述步骤(1)包括
(1.1)变电站过程层连接变电站的一次二次设备；
(1.2)通过传感器实时监测设备运行状态；
(1.3)通过WIA-PA无线网络把采集信息上传到路由设备上；
(1.4)接受来自间隔层的控制信息。
3.如权利要求1所述的一种变电站数据的传输方法，其特征在于，所述步骤(1)中过程层采用WIA-PA工业无线通信技术，多个传感节点和路由中心节点形成mesh网络，并通过跳频自组网技术，完成最多7跳的跳数，从而最多接入1000个传感节点。
4.如权利要求1所述的一种变电站数据的传输方法，其特征在于，所述步骤(2)包括间隔层基于WIA-PA协议的网关节点收集数据供IED做出分析和判断，并向过程层发送参数设置和各种指令；并实现WIA-PA通信协议向IEC61850标准的转化过程，依据WIA-PA协议的报文结构，发送机制和各类功能码，实现协议转换，将数据按照新的报文规约上传到站控层。
5.如权利要求4所述的一种变电站数据的传输方法，其特征在于，所述WIP-PA网络接入点将接收的数据按照一定规则进行数据报文聚合解聚，经过数据镜像模块，用于存储WIA-PA网络设备的数据，为IEC61850标准转换提供数据访问接口；经过WI-PA网络报文向IEC61850报文数据的转换，形成IEC61850的报文结构，完成各类功能码的实现功能；网关将数据报文通过串口传输到IED设备，间隔层的IED设备具有保护、测控、故障信息管理功能；数据信息从IED导出后通过以太网交换机上传到站控层的后台。
6.如权利要求1所述的一种变电站数据的传输方法，其特征在于，所述步骤(2)中网关负责和其他网络的协议转换和数据映射，无线网关包括无线射频模块、微处理器模块、IEC61850协议转换模块、以太网接口模块和电源模块。
7.如权利要求1所述的一种变电站数据的传输方法，其特征在于，所述步骤(3)包括站控层作为全站的监控管理中心包括监控主机、操作员工作站和远动工作站，站控层对过程层进行管理控制，与远方技术服务、控制中心进行通信；间隔层与站控层采用以太网网络通信，以太网交换机采用双主控通信单元，双机为冗余热备用方式，双主控通信单元负责管理间隔层和站控层的通信单元，并收集间隔层通信单元数据上传到后台。
8.如权利要求1所述的一种变电站数据的传输方法，其特征在于，所述WIA-PA协议的通信网关单元模块包括RS232、RS485、USB及以太网接口，通过数据镜像模块中存储和维护的数据映射表，经过IEC61850标准的映射规约，生成IEC61850标准可以访问的数据格式并提供ACSI数据访问接口，实现了WIA-PA网络与IEC61850标准的网络数据共享。
9.如权利要求1所述的一种变电站数据的传输方法，其特征在于，所述WIA-PA协议网关单元具有双网关架构，主网关处于运行状态，副网关处于备份状态。
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