CN112366820B - 一种基于能效提升的牵引变电站数字化与组网优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于能效提升的牵引变电站数字化与组网优化方法，包括以下步骤：S1、解析牵引变电站主接线图，获取牵引变电站分层架构模型、功能模块及各功能模块间的通信组网方式，定义各功能模块的能效因子；S2、简化牵引变电站分层架构模型，约束新分层功能；S3、依据已约束新分层功能，添加新功能模块,定义各新功能模块能效因子；S4、分析新功能模块的分布情况，优化通信组网方式；S5、设置能效提升率目标值，根据S1‑S4，计算能效提升率η，判断方案的合理性，直至满足目标值为止。本发明所述的一种基于能效提升的牵引变电站数字化与组网优化方法解决了新建数字化牵引变电站或牵引变电站数字化改造中能耗较高的问题。

Description

一种基于能效提升的牵引变电站数字化与组网优化方法
技术领域
本发明属于于牵引变电站继电保护领域，尤其是涉及一种基于能效提升的牵引变电站数字化与组网优化方法。
背景技术
为了实现既有常规牵引变电站数字化，或新建数字化变电站，在其建设与组网之前要规划牵引变电站的配置及组网拓扑，现有的技术方案中牵引变电站的分层架构较为复杂，一般采用“三层两网”方式，常规牵引变电站数字化设计方案为：(1)组网方式为“三层两网”；(2)变压器保护采用了合并单元、智能终端独立装置，合并单元及智能终端均靠近断路器安装，保护装置集中组屏安装在主控室；(3)馈线保护采用了合并单元与智能终端合一装置，合一装置及保护装置均安装于27.5kV开关柜中；(4)站域保护冗余全所保护，在主控室安装，使用点对点光纤连接所有站内合并单元及智能终端，集成备自投功能。然而常规牵引变电站数字化方案存在不足：
(1)牵引变电站分层架构较为复杂，现场施工难度大，建设成本高；
(2)网络节点多，数据共享与转发要经过多层多个中继，网络报文流量骤增，易出现网络风暴，导致数据丢失、误码率高，使得牵引变电站可靠性大幅下降；
(3)过程层交换机、合并单元、智能终端及数字化保护功能模块的光口数量明显增多，由于光口的功率大，发热量高，使得全站的能耗显著增多，能效较低，同时导致装置内部温升明显，加速了装置的老化进程，降低了装置的使用寿命，从而导致故障频发，可靠性降低；
(4)由于分层与组网不合理，导致牵引变电站内的光缆及二次接线过于复杂，占用过多的站内空间，使得新建站或改造站的成本明显增多，同时也使得维护难度加大，若出现故障，排查用时明显增多，费时费力。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在克服上述现有技术中存在的缺陷，提出一种基于能效提升的牵引变电站数字化与组网优化方法以解决新建数字化牵引变电站或牵引变电站数字化改造中能耗较高的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于能效提升的牵引变电站数字化与组网优化方法包括以下步骤：
S1：解析牵引变电站主接线图，获取牵引变电站分层架构模型、功能模块a1，a2，a3，…，ak，其中k为正整数，获取各功能模块间的通信组网方式，定义各功能模块的能效因子aeef1，aeef2，aeef3，…，aeefk；
S2：简化牵引变电站分层架构模型，整合临近分层，得到牵引变电站新分层架构模型，并约束新分层功能；
S3：依据已约束新分层功能，添加新功能模块b1，b2，b3，…，bj，其中 j为小于k的正整数，定义各新功能模块能效因子beef1，beef2，beef3，…，beefk；
S4：分析新功能模块的分布情况，优化各功能模块间的通信组网方式；
S5：设置能效提升率η目标值N，根据步骤S1、S2、S3、S4，计算能效提升率η，若η大于于N，表明牵引变电站数字化与组网优化方案合格，可执行该方案，若η小于于N，表明牵引变电站数字化与组网优化方案不合格，返回步骤S1，直至合格。
进一步的，步骤S1中获取的牵引变电站分层架构模型包括站控层、间隔层、过程层，过程层分别与站孔层、间隔层连接。
进一步的，所述步骤S1中，功能模块包括管理机、站域保护、后台监控、数字化保护装置、合并单元、智能终端、互感器及断路器。
进一步的，所述步骤S1中，各功能模块间的组网方式包括管理机、站域保护、后台监控与数字化保护装置间通过MMS站控层网络组网通信，数字化保护装置与合并单元、智能终端以点对点光纤连接方式组网通信，或通过 GOOSE和SV网络进行数据共享与交互，合并单元与互感器通过电缆组网相连，智能终端与断路器通过电缆组网相连。
进一步的，所述步骤S2中，得到的牵引变电站新分层架构模型为站控层和新间隔层，新间隔层的约束为包含原有间隔层及过程层功能。
进一步的，所述步骤S3中，添加的新功能模块为合并单元、智能终端与数字化保护三种智能装置的集合，该集合为新数字化保护装置，得到的新数字化保护装置包含所述合并单元、智能终端与数字化保护的全部功能。
进一步的，所述的新数字化保护装置包括数字化保护模块、合并单元模块与智能终端模块，所述的新数字化保护装置包括CPU与FPGA插件、AC/DC 兼容输入电源插件、GOOSE插件、SV插件、交流量采集插件及出口插件，所述CPU与FPGA插件通过背板分别与GOOSE插件、SV插件、交流量采集插件、出口插件连接，所述AC/DC兼容输入电源插件分别与CPU、FPGA插件、AC/DC 兼容输入电源插件、GOOSE插件、SV插件、交流量采集插件、出口插件连接。
进一步的，所述步骤S4中，优化各功能模块间的通信组网方式包括：管理机、站域保护、后台监控与新数字化保护装置间通过MMS站控层网络组网通信，新数字化保护装置间通过GOOSE和SV网络进行数据共享与交互，新数字化保护装置与互感器和断路器通过电缆组网相连。
进一步的，所述步骤S5中，设置能效提升率η目标值N的数值区间为10％≤N≤30％。
进一步的，所述步骤S5中利用的能效提升率的计算过程为：
S91：分别计算所有功能模块的总能耗Ea和新添加功能模块Eb：
Ea＝∑aeefk＝aeef1+aeef+aeef3+…+aeefk
Eb＝∑beefk＝beef1+beef+beef3+…+beefk；
S92：求能耗差值ΔE：
ΔE＝Ea-Eb；
S93：求牵引变电站数字与组网优化后的能效提升率η：
Figure BDA0002735191360000041
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
本发明一种基于能效提升的牵引变电站数字化与组网优化方法通过牵引变电站数字化，并简化其分层建构模型，合并临近分层，将数字化保护、合并单元与智能终端整合，再优化组网方式，实现了数字化牵引变电站的能效提升，降低能耗，提高了牵引变电站内智能装置数据共享与功能集约化水平；以“两层两网”的形式将牵引变电站数字化，最大程度的精简数字化牵引变电站的网络结构，合并了部分网络节点，简化了光缆和二次接线，降低了站控层网络和间隔层网络的报文流量，节省了原过程层交换机及智能装置的光口使用，解决光口发热严重的问题，降低了能耗，提升了数字化牵引变电站的能效，增强了数字化牵引变电站的可靠性。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明创造所述的一种基于能效提升的牵引变电站数字化与组网优化方法流程图；
图2为本发明创造所述的新数字化保护装置原理图；
图3为本发明创造所述的“两层两网”组网示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，一种基于能效提升的牵引变电站数字化与组网优化方法，包括以下步骤：
S1：解析牵引变电站主接线图，获取牵引变电站分层架构模型、功能模块a1，a2，a3，…，ak，其中k为正整数，获取各功能模块间的通信组网方式，定义各功能模块的能效因子aeef1，aeef2，aeef3，…，aeefk；
S2：简化牵引变电站分层架构模型，整合临近分层，得到牵引变电站新分层架构模型，并约束新分层功能；
S3：依据已约束新分层功能，添加新功能模块b1，b2，b3，…，bj，其中 j为小于k的正整数，定义各新功能模块能效因子beef1，beef2，beef3，…，beefk；
S4：分析新功能模块的分布情况，优化各功能模块间的通信组网方式；
S5：设置能效提升率η目标值N，根据步骤S1、S2、S3、S4，计算能效提升率η，若η大于等于N，表明牵引变电站数字化与组网优化方案合格，可执行该方案，若η小于等于N，表明牵引变电站数字化与组网优化方案不合格，返回步骤S1，直至合格。
如图1所示，步骤S1、S2、S3、S4所述步骤S1中，获取的牵引变电站分层架构模型，垂直向下一般为站控层、间隔层与过程层等。
如图1所示，所述步骤S1中，功能模块包括管理机、站域保护、后台监控、数字化保护装置、合并单元、智能终端、互感器及断路器。
如图2所示，所述步骤S1中，各功能模块间的组网方式包括管理机、站域保护、后台监控与数字化保护装置间通过MMS站控层网络组网通信，数字化保护装置与合并单元、智能终端以点对点光纤连接方式组网通信，或通过GOOSE和SV网络进行数据共享与交互，合并单元与互感器通过电缆组网相连，智能终端与断路器通过电缆组网相连。
如图1所示，所述步骤S2中，得到的牵引变电站新分层架构模型为站控层和新间隔层，新间隔层的约束为包含原有间隔层及过程层功能。
如图2所示，所述步骤S3中，添加的新功能模块为合并单元、智能终端与数字化保护三种智能装置的集合，该集合为新数字化保护装置，得到的新数字化保护装置包含所述合并单元、智能终端与数字化保护的全部功能。
如图2所示，所述的新数字化保护装置包括数字化保护模块、合并单元模块与智能终端模块，所述的新数字化保护装置包括CPU与FPGA插件、AC/DC 兼容输入电源插件、GOOSE插件、SV插件、交流量采集插件及出口插件，所述CPU与FPGA插件通过背板分别与GOOSE插件、SV插件、交流量采集插件、出口插件连接，所述AC/DC兼容输入电源插件分别与CPU、FPGA插件、AC/DC 兼容输入电源插件、GOOSE插件、SV插件、交流量采集插件、出口插件连接。
如图1所示，管理机、站域保护、后台监控与新数字化保护装置间通过 MMS站控层网络组网通信，新数字化保护装置间通过GOOSE和SV网络进行数据共享与交互，新数字化保护装置与互感器和断路器通过电缆组网相连。
所述步骤S5中，设置能效提升率η目标值N的数值区间为10％≤N≤ 30％。
所述步骤S5中利用的能效提升率的计算过程为：
S91：分别计算所有功能模块的总能耗Ea和新添加功能模块Eb：
Ea＝∑aeefk＝aeef1+aeef+aeef3+…+aeefk
Eb＝∑beefk＝beef1+beef+beef3+…+beefk；
S92：求能耗差值ΔE：
ΔE＝Ed-Eb；
S93：求牵引变电站数字与组网优化后的能效提升率η：
Figure BDA0002735191360000071
如图1所示，步骤一，解析需要改造的牵引变电站或新建牵引变电站的主接线图。充分了解断路器、隔离开关、互感器、避雷器、主变压器、母线、电缆和光缆等的使用与分布情况，包括型号、电压等级、数量、端口配置、走线拓扑与方式、各种功能模块及组网方式等，从而可根据牵引变电所主接线图提供的数据，了解全站的功率流动大小及方向，明确各功能模块的能耗情况及影响因素，依据获取的信息，定义各功能模块的能效因子(Energyefficiency factor，EEF)，所述的能效因子与功能模块的基础能耗和光口能耗有关，基础能耗是保证功能模块正常运行，除光口能耗之外所消耗的能量，光口能耗与光口数量有关，由于光口存在离散型，每个光口的能耗不确定，但在其额定功耗附近波动，为了计算方便，所有光口功耗按照额定功耗考虑。
如图2和图3所示，步骤二，对牵引变电站分层架构模型进行化简，过程层与间隔层属于临近分层，过程层的智能设备如智能终端与合并单元可以与间隔层的数字化保护装置从硬件上合并，且保持原功能不变，从而由原三层站控层、间隔层和过程层，简化为站控层与新间隔层，得到牵引变电站新分层架构模型，对新间隔层的功能进行重新划分，约束新分层功能，为组网及优化做好准备；
如图2和图3所示，步骤三，在新间隔层中，添加新功能模块，即新数字化保护装置，由于新数字化保护装置合并了数字化保护装置、智能终端与合并单元的硬件，装置的供电电源由三个直流电源变位一个直流电源，含光口的插件及光口数量也大幅削减，但功能依然保持不变，这样既实现了全部功能，也降低了能耗，提升了能效，降低了成本。新数字化保护装置由于硬件结构改变，需要定义与它相应的能效因子，以表征其能耗大小。分层架构的简化，所述的新数字化保护装置数量一定小于数字化保护装置，合并单元及智能终端的数量，新数字化保护装置的内部插件可根据现场的实际情况自由、灵活配置。
步骤四，按照新间隔层新数字化保护装置与站控层功能模块的分布情况，优化各功能模块间的通信组网方式，即管理机、站域保护装置、后台监控装置与新数字化保护装置间通过MMS站控层网络组网通信，新数字化保护装置间通过GOOSE和SV网络进行数据共享与交互，新数字化保护装置与互感器和断路器通过电缆组网相连。这样优化组网方式，减少了数字化保护装置与合并单元及智能终端间的点对点连接，新数字化保护装置可从互感器直接采样获取交流量数据，也可直接对断路器进行控制，减少了中间转发环节，减少了网络节点，降低了能耗，提升了能效。
步骤五，根据现场实际情况，设置能效提升率η目标值N，可保证设置的目标值较为合理，若设置过高可导致牵引变电站数字化功能不全，可靠性低，若设置过低，则使得牵引变电站数字化能耗过高，能效的较低，据分析，能效提升率η目标值N可设为10％≤N≤30％，根据步骤一至步骤四，计算能效提升率η，若η大于等于N，表明牵引变电站数字化与组网优化方案合格，可执行该方案，若η小于等于N，表明牵引变电站数字化与组网优化方案不合格，不可执行该方案，需重新执行步骤一至步骤四，直至达到设置的能效提升目标为止。
本发明提出的一种基于能效提升的牵引变电站数字化与组网优化方法，克服了现有技术的不足，通过牵引变电站数字化，并简化其分层建构模型，合并临近分层，将数字化保护、合并单元与智能终端整合，再优化组网方式，实现了数字化牵引变电站的能效提升，降低能耗，提高了牵引变电站内智能装置数据共享与功能集约化水平；提出以“两层两网”的形式将牵引变电站数字化，这样可最大程度的精简数字化牵引变电站的网络结构，合并了部分网络节点，简化了光缆和二次接线，降低了站控层网络和间隔层网络的报文流量，节省了原过程层交换机及智能装置的光口使用，解决光口发热严重的问题，降低了能耗，提升了数字化牵引变电站的能效，增强了数字化牵引变电站的可靠性。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于能效提升的牵引变电站数字化与组网优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：解析牵引变电站主接线图，获取牵引变电站分层架构模型、功能模块a1,a2,a3,…,ak，其中k为正整数，获取各功能模块间的通信组网方式，定义各功能模块的能效因子aeef1,aeef2,aeef3,…,aeefk；
S2：简化牵引变电站分层架构模型，整合临近分层，得到牵引变电站新分层架构模型，并约束新分层功能；
S3：依据已约束新分层功能，添加新功能模块b1,b2,b3,…,bj，其中j为小于k的正整数,定义各新功能模块能效因子beef1,beef2,beef3,…,beefk；
S4：分析新功能模块的分布情况，优化各功能模块间的通信组网方式；
S5：设置能效提升率η目标值N，根据步骤S1、S2、S3、S4，计算能效提升率η，若η大于N，表明牵引变电站数字化与组网优化方案合格，可执行该方案，若η小于N，表明牵引变电站数字化与组网优化方案不合格，返回步骤S1，直至合格；
所述步骤S2中，得到的牵引变电站新分层架构模型为站控层和新间隔层，新间隔层的约束为包含原有间隔层及过程层功能；
所述步骤S3中，添加的新功能模块为合并单元、智能终端与数字化保护三种智能装置的集合，该集合为新数字化保护装置，得到的新数字化保护装置包含所述合并单元、智能终端与数字化保护的全部功能；
所述的新数字化保护装置包括数字化保护模块、合并单元模块与智能终端模块，所述的新数字化保护装置包括CPU与FPGA插件、AC/DC兼容输入电源插件、GOOSE插件、SV插件、交流量采集插件及出口插件，所述CPU与FPGA插件通过背板分别与GOOSE插件、SV插件、交流量采集插件、出口插件连接，所述AC/DC兼容输入电源插件分别与CPU、FPGA插件、AC/DC兼容输入电源插件、GOOSE插件、SV插件、交流量采集插件、出口插件连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于能效提升的牵引变电站数字化与组网优化方法，其特征在于：步骤S1中获取的牵引变电站分层架构模型包括站控层、间隔层、过程层，过程层分别与站孔层、间隔层连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于能效提升的牵引变电站数字化与组网优化方法，其特征在于：所述步骤S1中，功能模块包括管理机、站域保护、后台监控、数字化保护装置、合并单元、智能终端、互感器及断路器。
4.根据权利要求1所述的一种基于能效提升的牵引变电站数字化与组网优化方法，其特征在于：所述步骤S1中，各功能模块间的组网方式包括管理机、站域保护、后台监控与数字化保护装置间通过MMS站控层网络组网通信，数字化保护装置与合并单元、智能终端以点对点光纤连接方式组网通信，或通过GOOSE和SV网络进行数据共享与交互，合并单元与互感器通过电缆组网相连，智能终端与断路器通过电缆组网相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于能效提升的牵引变电站数字化与组网优化方法，其特征在于：所述步骤S4中，优化各功能模块间的通信组网方式包括：管理机、站域保护、后台监控与新数字化保护装置间通过MMS站控层网络组网通信，新数字化保护装置间通过GOOSE和SV网络进行数据共享与交互，新数字化保护装置与互感器和断路器通过电缆组网相连。
6.根据权利要求1所述的一种基于能效提升的牵引变电站数字化与组网优化方法，其特征在于：所述步骤S5中，设置能效提升率η目标值N的数值区间为10％≤N≤30％。
7.根据权利要求1所述的一种基于能效提升的牵引变电站数字化与组网优化方法，其特征在于：所述步骤S5中利用的能效提升率的计算过程为：
S91：分别计算所有功能模块的总能耗Ea和新添加功能模块Eb：
Ea＝∑aeefk＝aeef1+aeef+aeef3+…+aeefk
Eb＝∑beefk＝beef1+beef+beef3+…+beefk；
S92：求能耗差值ΔE：
ΔE＝Ea-Eb；
S93：求牵引变电站数字与组网优化后的能效提升率η：
Figure FDA0003926880850000031
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