CN105207353B - 智能变电站站域保护控制系统的架构 - Google Patents
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Abstract
一种通过网络交换机获取全站所有间隔的电气量和开关量信息，并采用网采网跳的方式实现站内保护的冗余、优化、补充及安全自动控制功能的智能变电站站域保护控制系统的架构。其包括站内各间隔的合并单元、智能终端和后台监控系统，该变电站的站域保护控制系统通过光纤接口与至少一组网络交换机联结，该网络交换机将其获取的由网内的合并单元上送的SV模拟量和智能终端上送的GOOSE开关量送至该控制系统，经该控制系统解析处理、保护控制逻辑计算后，再将需要跳闸的GOOSE开关量发送到对应的智能终端；所述后台监控系统与该控制系统之间的MMS通讯协议通过该网络交换机联结。其可实现站内不同电压等级的保护及控制功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能二次设备架构，特别是一种智能变电站的站域保护控制系统架构。
背景技术
现阶段国内智能变电站应用逐渐增多，但保护的配置还是继承了传统继电保护的特点，现有技术中的智能变电站的保护配置并没有利用智能变电站的技术优势对后备保护进行优化，仍然存在传统的后备保护所固有的缺陷。
110kv及以下电压等级变电站保护、控制配置还存在以下不足：
(1)站内保护设备多采用单套配置，若该保护设备发生故障，系统将出现保护盲区，影响系统运行的可靠性；
(2)智能变电站各个间隔、元件的模拟量、开关量虽已实现数字化，但并未充分利用这些数字量对相关保护进行优化，也就是说，现行智能变电站的主流运行方式为直采直跳(即合并单元，智能终端不经交换机直接与保护装置连接)，而常规保护装置受限于可接入的光口数目难以接入全站的交流量和开关量去实现全站保护的冗余优化；
(3)站内安全自动控制设备多采用单套配置，若该自动控制设备发生故障，系统安稳功能将出现缺失，影响系统运行的稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种通过网络交换机获取全站所有间隔的电气量和开关量信息，并采用网采网跳的方式(即通过网络交换机采集SV交流量或GOOSE开关量，通过网络交换机发送GOOSE跳闸命令)实现站内保护的冗余、优化、补充及安全自动控制功能的智能变电站站域保护控制系统的架构。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
本发明的智能变电站站域保护控制系统的架构，包括站域保护控制系统、站内各间隔的合并单元、智能终端和后台监控系统，该变电站的站域保护控制系统通过光纤接口与至少一组网络交换机联结，该网络交换机将其获取的由网内的合并单元上送的SV模拟量和智能终端上送的GOOSE开关量送至该控制系统，经该控制系统解析处理、保护控制逻辑计算后，再将需要跳闸的GOOSE开关量发送到对应的智能终端；所述后台监控系统与该控制系统之间的MMS通讯协议通过该网络交换机联结。
所述网络交换机为二组，分别为第一网络交换机和第二网络交换机，其中，第一网络交换机将所述控制系统与所述合并单元、智能终端联结，第二网络交换机将所述控制系统与后台监控系统、其它保护X联结。
所述控制系统包括前面板、管理板、主汇总板、从汇总板、若干块采集板、转发板、电源板，管理总线、数据总线、电源总线和光纤跳线，其间连接方式如下：
转发板作为该控制系统对外的通讯载体通过光纤接口与所述的网络交换机联结；
主汇总板、从汇总板和所述采集板通过光纤跳线与转发板的通用光网口连接，其中，采集板对SV交流量及GOOSE开关量进行采集并将该数据以内部报文的形式传到主汇总板或从汇总板，GOOSE跳闸信号经主汇总板或从汇总板传给转发板；
管理板接收用户按键输入命令或转发板转发的监控系统命令并通过光纤跳线与转发板的通用光网口连接或者直接与网络交换机联结；
各板数据传输通过数据总线传输，各板命令传输通过管理总线传输；
在前面板上设有显示装置和数据输入装置；
电源板通过电源总线为各板提供工作电源。
所述管理板还运行与保护控制无关的录波、调试工具和/或报文监控任务。
所述转发板将从网络交换机获取的SV、GOOSE报文转发至相应的采集板，将其获取的MMS报文原样转发至管理板。
所述主汇总板将由数据总线接收到的相关采集板上送的内部报文，经解析获取全站间隔的交流量和开关量信息并将该信息经转发板、网络交换机上传至所述控制系统。
所述电源板的输入可接直流220V或交流220V，输出为24V直流电。
与现有技术相比，本发明可实现站内不同电压等级的保护及控制功能，保护功能可根据变电站具体需求配置主变主保护、主变后备保护、线路后备保护、馈线保护、简易闭锁母线保护、电容器保护、接地变保护等；控制功能可根据变电站具体需求配置低周低压减载、备自投等，可由一台或若干台装置共同完成。在现有变电站的配置基础上，仅需添加一台或若干台装置即可实现整站大多数保护控制功能的冗余、优化，可大大提高变电站安全运行的可靠性与稳定性，特别是提高110kv等级及以下变电站安全运行的可靠性与稳定性。
附图说明
图1是本发明的系统运行架构图之一。
图2是本发明的系统运行架构图之二。
图3是本发明的系统硬件架构图。
图4是本发明的系统软件架构图。
图5是本发明的系统软件主循环流程图。
图6是本发明的系统软件中断服务流程图。
图7是本发明的软件系统显示功能模块图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1、2所示，本发明的智能变电站站域保护控制系统的架构，包括站域保护控制系统、网络交换机、监控系统以及各个间隔的合并单元和智能终端。
站域保护控制系统通过光口与网络交换机连接，获取所述合并单元上送的SV模拟量和智能终端上送的GOOSE开关量，经过解析处理、保护控制逻辑计算，再将需要跳闸的GOOSE开关量经网络交换机发送到智能终端。站域保护控制系统与后台监控系统之间的MMS通讯也经过网络交换机完成。本发明的系统支持多种组网方式，图1为SV、GOOSE、MMS三网合一组网方式。
如图2所示，所述网络交换机为二组，分别为第一网络交换机和第二网络交换机，第一网络交换机为MMS独立组网，第二网络交换机为SV、GOOSE两网合一方式。第一网络交换机将所述控制系统与所述合并单元、智能终端联结，第二网络交换机将所述控制系统与监控系统、母线保护、主变保护等其它保护X联结。
如图3所示，系统硬件架构由管理板，主、从汇总版，多块采集板，转发板、电源板，管理总线、数据总线、电源总线以及光纤跳线组成。系统通过转发板的专用光网口与网络交换机连接，其它板件通过光纤跳线与转发板的通用光网口连接。转发板作为系统对外的通讯载体，可根据报文类型将其转发至目标板件。系统可根据变电站的具体需求配置多块采集板，采集板主要实现数据采集功能并将采集到的数据以内部报文的形式传到汇总板，也可实现一定功能的保护逻辑计算。汇总板汇总所有采集板数据，进而实现多间隔的保护逻辑计算。管理板可直连交换机进行通讯，也可通过光纤跳线与转发板通用光口连接，通过转发板与交换机通讯。管理板可接收用户按键命令，也可接收转发板转发的监控系统命令，并对之进行响应处理。数据传输走数据总线，命令传输走管理总线。前面板提供液晶显示和按键输入功能。电源板支持交直流供电，可将直流220V、交流220V转换24V直流电源，通过电源总线为各板件供电。
如图4所示，整个系统软件架构由转发板程序、采集板程序、汇总板程序以及管理板程序构成。转发板程序从网络交换机报文，将获取的SV、GOOSE报文转发到采集板，将获取的MMS报文原样转发到管理板；采集板与管理板发送的报文也通过转发板转发到网络交换机。采集板程序可采集多个间隔的SV、GOOSE报文，经解析处理，重组成内部报文经过数据总线发送到汇总板，并可完成相应间隔的线路后备保护、主变后备保护、馈线保护、电容器保护等保护逻辑计算；如需发跳闸命令，采集板组织GOOSE跳闸报文经由转发板发送到网络交换机。汇总板程序从数据总线接收各个采集板程序发送的内部报文，经解析处理，得到全站间隔的交流量和开关量信息，用于完成多间隔相关的保护控制功能如：主变差动保护、简易闭锁母线保护、备自投、低周低压减载等；如需发跳闸命令，汇总板的跳闸出口信号经数据总线传至采集板，由采集板组织GOOSE跳闸报文经由转发板发送到网络交换机。汇总板分为主、从汇总板，从汇总板作为闭锁板使用，用于开放出口正电源，保证站域保护控制系统的出口的可靠性。管理板程序从光口获取MMS报文，并调用MMS任务模块进行响应处理。管理板作为用户与装置的接口，用户可通过显示菜单与按键向装置下发命令，管理板程序响应按键命令并组织对应的内部报文通过管理总线下发至其它板件，其它板件反馈的报文信息也通过管理总线传回管理板。管理板还运行与保护控制无关的其它任务，如录波、调试工具、报文监控等。
该架构的创新点有以下几点：
1、一台或若干台装置即可实现几乎整站的保护控制功能的冗余，大大提高了变电站安全运行的可靠性。
2、支持变电站多种组网方式：管理板可直连交换机进行MMS通讯，支持MMS独立组网；也可通过光纤跳线接转发板，支持SV、GOOSE、MMS三网合一。
3、采集板不仅获取间隔电气量的同时实现间隔相关的保护逻辑计算，可大大分担汇总板的CPU资源负担；
4、可根据实际变电站需求灵活配置采集板个数，实现资源优化。
如图5所示，系统各板件因是否带操作系统，其主循环流程有所不同。为方便用户调试管理，管理板带操作系统，其主循环过程为：关中断，系统初始化，开中断，启动线程任务。各个线程任务独立运行。系统初始化包括：硬件初始化、平台信息初始化、保护组件初始化等。管理板程序支持的主要线程任务包括：MMS服务任务、保护组件主循环任务、录波组件主循环任务、显示及按键任务、远程显示任务、调试工具任务、管理总线通讯任务、监控系统通讯任务、报文监视任务、TCP链接监视任务、看门狗监视任务等。采集板和汇总板不带操作系统，二者主循环流程类似，包括：关中断，系统初始化，开中断，保护组件主循环模块，管理总线内通讯模块。其中保护组件主循环模块、管理总线内通讯模块，在死循环中轮流执行。各板件的管理总线通讯处理均在主循环中，而管理总线报文数据的发送命令则在中断服务中下达。
如图6所示，各板件的执行功能不同，对应中断服务函数的流程也有所不同。采集板中断服务函数执行流程为：发送管理总线缓冲区待发送的报文；接收SV、GOOSE报文并进行解析处理获取实时的模拟量和开关量，同时组织成内部报文发送至汇总板；在实时的模拟量和开关量条件下执行保护逻辑计算组件，得到本板实时开出信息；接收汇总板的开出报文并与本板的开出信号进行合并处理，若合并后的开出信号与上一中断的状态相比存在变位，则以GOOSE报文的形式经由转发板发送到网络交换机。汇总板中断服务函数执行流程为：发送管理总线缓冲区待发送的报文；接收各个采集板发送过来的内部报文，并进行解析处理，获取全站实时的模拟量和开关量；在实时的模拟量和开关量条件下执行保护逻辑计算组件，得到本板实时开出信息；组织内部报文将本板的实时开出信息发送到采集板。管理板中断服务函数执行流程为：发送管理总线缓冲区待发送的报文；执行数据总线收发功能。
如图7所示，系统的显示界面分为：主界面、分界面、一级菜单、二级菜单、三级菜单。主界面下有多个分界面；分界面按保护功能划分，一个保护对应有一个分界面显示画面，装置的平台信息作为单独的一个分界面；每个分界面都支持三级菜单功能，具体菜单项目可根据需求配置。
名词解释
61850MMS制造报文系统和GOOSE报文通讯是基于61850数字化变电站的通讯基础。MMS是一种应用层协议。实现了出自不同制造商的设备之间具有互操作性，使系统集成变得简单、方便。EMS和SCADA等电力控制中心之间的通信协议采用面向对象建模技术,其底层直接映射到MMS上。IEC61850作为IECTC57制订的关于变电站自动化系统计算机通信网络和系统的标准，采用分层、面向对象建模等多种新技术，其底层也直接映射到MMS上。
GOOSE是IEC61850标准定义的一种通用的以对象为中心的变电站事件抽象模型，提供(如命令、告警等)快速传输的机制，可用于跳闸和故障录波启动等。在智能电站中MMS用于监控网络，GOOSE是一种实时应用，用于传送间隔闭锁信号和实时跳闸信号。
SV(Sampled Value)即采样值，它基于发布/订阅机制，交换采样数据集中的采样值的相关模型对象和服务，以及这些模型对象和服务到ISO/IEC 8802-3帧之间的映射。
Claims (6)
1.一种智能变电站站域保护控制系统的架构，包括站域保护控制系统、站内各间隔的合并单元、智能终端和后台监控系统，其特征在于：该变电站的站域保护控制系统通过光纤接口与至少一组网络交换机联结，该网络交换机将其获取的由网内的合并单元上送的SV模拟量和智能终端上送的GOOSE开关量送至该控制系统，经该控制系统解析处理、保护控制逻辑计算后，再将需要跳闸的GOOSE开关量发送到对应的智能终端；所述后台监控系统与该控制系统之间的MMS通讯协议通过该网络交换机联结；
所述控制系统包括前面板、管理板、主汇总板、从汇总板、若干块采集板、转发板、电源板，管理总线、数据总线、电源总线和光纤跳线，其间连接方式如下：
转发板作为该控制系统对外的通讯载体通过光纤接口与所述的网络交换机联结；
主汇总板、从汇总板和所述采集板通过光纤跳线与转发板的通用光网口连接，其中，采集板对SV交流量及GOOSE开关量进行采集并将该数据以内部报文的形式传到主汇总板或从汇总板，GOOSE跳闸信号经主汇总板或从汇总板传给转发板；
管理板接收用户按键输入命令或转发板转发的后台监控系统命令并通过光纤跳线与转发板的通用光网口连接或者直接与网络交换机联结；
各板数据传输通过数据总线传输，各板命令传输通过管理总线传输；
在前面板上设有显示装置和数据输入装置；
电源板通过电源总线为各板提供工作电源；
所述管理板带操作系统，其主循环过程为：关中断，系统初始化，开中断，启动线程任务。
2.根据权利要求1所述的智能变电站站域保护控制系统的架构，其特征在于：所述网络交换机为二组，分别为第一网络交换机和第二网络交换机，其中，第一网络交换机将所述控制系统与所述合并单元、智能终端联结，第二网络交换机将所述控制系统与后台监控系统、其它保护X联结。
3.根据权利要求2所述的智能变电站站域保护控制系统的架构，其特征在于：所述管理板还运行与保护控制无关的录波、调试工具和/或报文监控任务。
4.根据权利要求2所述的智能变电站站域保护控制系统的架构，其特征在于：所述转发板将从网络交换机获取的SV、GOOSE报文转发至相应的采集板，将其获取的MMS报文原样转发至管理板。
5.根据权利要求2所述的智能变电站站域保护控制系统的架构，其特征在于：所述主汇总板将由数据总线接收到的相关采集板上送的内部报文，经解析获取全站间隔的交流量和开关量信息并将该信息经转发板、网络交换机上传至所述控制系统。
6.根据权利要求2所述的智能变电站站域保护控制系统的架构，其特征在于：所述电源板的输入可接直流220V或交流220V，输出为24V直流电。
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