CN112769240A - 一种发电厂电气设备统一系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种发电厂电气设备统一系统，包括站控层、间隔层以及过程层，站控层连接间隔层，间隔层连接过程层，站控层、间隔层以及过程层之间通过预先设定的通信协议进行通信，站控层包括多台核心交换机，多台核心交换机向上连接站控层设备，多台核心交换机向下连接间隔层网络交换机，间隔层包括网络交换机，网络交换机向上连接多台核心交换机，向下连接间隔层内部的保护、测控和其他智能电子设备，用于间隔层内部信息交换，过程层包括过程层内部装置，过程层内部装置连接间隔层内部的保护装置、测控装置和智能电子设备。

Description

一种发电厂电气设备统一系统
技术领域
本申请涉及分布式能源设备监控管理领域，尤其涉及一种发电厂电气设备统一系统。
背景技术
目前发电厂的自动化控制系统还是人为的割裂为机组分散控制系统(Distributed Control System，DCS)和发电厂升压站网络控制系统(Networked ControlSystem，NCS)与厂用电气监控管理系统(FECS)三个部分。DCS部分主要负责机组(汽机、锅炉及其辅助系统)的自动化控制，NCS与FECS分别负责升压站及厂用电部分的控制及设备的管理，三者间通过硬接线或OPC/Modbus等方式进行少量信息交换，这样在发电厂信息化过程中，就人为将过程自动化设备和电气自动化设备的管理割裂开来，这阻碍了全厂管控一体化平台的实现。另外，发电厂厂用电气监控管理系统通常由发电机－变压器组控制系统、励磁系统、同期系统、厂用电快切等多个子系统组成，这些子系统之间相对独立，FECS为接入这些具有各种不同通信接口的设备设置了大量通信规约转换软件和硬件，信息交互性差，大量信息无法共享，在通信信息量较大时，实时性和可靠性也无法保证，给电厂设计、施工、运行与维护带来了不便。
发明内容
本申请实施例所要解决的技术问题在于，解决现有发电厂厂用电气监控管理系统各组成子系统之间相对独立，在通信信息量较大时，实时性和可靠性也无法保证，给电厂设计、施工、运行与维护带来了不便的问题。
为解决上述问题，本申请实施例提供一种发电厂电气设备统一系统，包括站控层、间隔层以及过程层，所述站控层连接间隔层，所述间隔层连接所述过程层，所述站控层、间隔层以及过程层之间通过预先设定的通信协议进行通信；
所述站控层包括多台核心交换机，所述多台核心交换机向上连接站控层设备，所述多台核心交换机向下连接间隔层网络交换机；
所述间隔层包括所述网络交换机，所述网络交换机向上连接所述多台核心交换机，向下连接间隔层内部的保护、测控和其他智能电子设备，用于间隔层内部信息交换；
所述过程层包括过程层内部装置，所述过程层内部装置连接所述间隔层内部的保护装置、测控装置和智能电子设备。
进一步地，所述预先设定的通信协议为IEC61850标准协议。
进一步地，所述站控层内部的网络采用双星型结构，网络采用双网双工方式运行。
进一步地，所述过程层内部的网络采用GOOSE网与SV网共网形式，用于负责实现过程层内部装置与间隔层内部设备之间的通信，传输GOOSE报文及SV采样值报文。
进一步地，所述过程层内部采用星型网络结构。
进一步地，所述间隔层内部的网络速度大于或等于100Mbps，所述站控层内部的网络速度大于或等于100Mbps，所述过程层内部的网络速度大于或等于100Mbps。
进一步地，所述过程层内部配置双套物理独立的单网。
进一步地，所述保护装置与所述智能终端设备之间采用点对点通信方式。
与现有技术相比，本实施例一种发电厂电气设备统一系统，包括站控层、间隔层以及过程层，站控层连接间隔层，间隔层连接过程层，站控层、间隔层以及过程层之间通过预先设定的通信协议进行通信，站控层包括多台核心交换机，多台核心交换机向上连接站控层设备，多台核心交换机向下连接间隔层网络交换机，间隔层包括网络交换机，网络交换机向上连接多台核心交换机，向下连接间隔层内部的保护、测控和其他智能电子设备，用于间隔层内部信息交换，过程层包括过程层内部装置，过程层内部装置连接间隔层内部的保护装置、测控装置和智能电子设备。通过本申请实施例的结构连接关系以及通过预先设定的通信协议进行通信，在通信信息量较大时，保证了实时性和可靠性，给电厂设计、施工、运行与维护带来了便利。
附图说明
图1是一实施例提供的一种发电厂电气设备统一系统的示意图；
图2是一实施例提供的又一种发电厂电气设备统一系统的示意图；
图3是一实施例提供的一种控制系统通信网络示意图；
图4是又一实施例提供的一种通信交互过程模型原理示意图；
图5是又一实施例提供的一种控制系统对象化数据管理过程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
传统发电厂中，以热工自动化为龙头的发电厂分散控制系统(DCS)已得到成熟发展和广泛应用，但DCS主要侧重于汽机和锅炉，发电厂电气系统采用物理硬接线、变送器、I/O卡件等大量硬件设备与DCS系统进行控制和信息交换，受DCS系统及电缆投资限制，大量电气元件运行管理信息未送入DCS系统，对电气设备的监控基本还处于人工记录、抄表、人为规定、定期检修更换的状态，电气系统的监测、运行维护和检修仍处于较落后的水平，浪费了大量的人力物力，无法满足减员增效以及现代化电厂的管理要求。
此外，由于传统和使用习惯的影响，目前发电厂的自动化控制系统还是人为的割裂为DCS(机组分散控制系统)和发电厂升压站网络控制系统(NCS)与厂用电气监控管理系统(FECS)三个部分。DCS部分主要负责机组(汽机、锅炉及其辅助系统)的自动化控制，NCS与FECS分别负责升压站及厂用电部分的控制及设备的管理，三者间通过硬接线或OPC/Modbus等方式进行少量信息交换，这样在发电厂信息化过程中，就人为将过程自动化设备和电气自动化设备的管理割裂开来，这阻碍了全厂管控一体化平台的实现。另外，发电厂厂用电气监控管理系统通常由发电机－变压器组控制系统、励磁系统、同期系统、厂用电快切等多个子系统组成，这些子系统之间相对独立，FECS为接入这些具有各种不同通信接口的设备设置了大量通信规约转换软件和硬件，信息交互性差，大量信息无法共享，在通信信息量较大时，实时性和可靠性也无法保证，给电厂设计、施工、运行与维护带来了不便。
因此，发电厂电气设备的控制管理有必要采用基于统一的、开放性的通信规约以促进不同厂家设备之间的互联互通和有效集成，将电气设备以全数字接入的方式集成，实现全厂电气仪表、控制、保护及自动化系统共享统一操作平台和数据库，并在此基础上实现真正意义的智能化电厂。
为解决上述问题，如图1以及图2所示，是一实施例提供的一种发电厂电气设备统一系统的示意图，包括站控层、间隔层以及过程层，所述站控层连接间隔层，所述间隔层连接所述过程层，所述站控层、间隔层以及过程层之间通过预先设定的通信协议进行通信；
智能电气监控管理系统(ECMS)内包含各种形态的智能化一次设备和网络化二次设备采用开放式分层分布结构：在传统孤立的系统管理模式下引入预先设定的通信协议(如IEC 61850标准规范)，由站控层、间隔层、过程层设备以及网络和安全防护设备组成，站控层设备、间隔层设备一般布置在主厂房电气继电器室及GIS楼继电器室内，过程层设备安装布置于所在间隔的智能控制柜中，智能控制柜应满足二次设备的工作环境要求。按照能源站全站电气设备信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化、运行状态可视化的基本要求，通过合理的网络拓扑结构与系统信息交互功能支撑，实现ECMS能源站电气设备信息的统一接入、统一存储和统一展示，并具备对电气设备的运行监视、操作与控制、信息综合分析与智能告警、运行管理和辅助应用等功能，进而提高整个电站电气设备运行安全性、可靠性及经济性。
所述站控层包括多台核心交换机，所述多台核心交换机向上连接站控层设备，所述多台核心交换机向下连接间隔层网络交换机；
所述站控层网络主要用于实现站控层各电气设备之间的通信以及站控层与间隔层设备之间的通信，站控层网络选择的结构、传输速率和主要连接设备描述如下：
a)站控层网络采用双星型结构，冗余配置2台核心交换机，网络采用双网双工方式运行，提高网络冗余度，能实现通信网络数据交换的无缝切换；
b)站控层网络采用100Mbps或更高速度的工业以太网，网络自治应能力强和资源共享能力强；
c)站控层核心交换机向上连接站控层设备，向下连接间隔层网络交换机，实现平滑切换。
所述间隔层包括所述网络交换机，所述网络交换机向上连接所述多台核心交换机，向下连接间隔层内部的保护、测控和其他智能电子设备，用于间隔层内部信息交换；
所述ECMS系统间隔层网络负责实现间隔层设备之间、相邻间隔层以及间隔层与站控层之间的数据通信，传输以MMS报文、GOOSE报文结构传输。间隔层设备通过过程层GOOSE网实现本层设备之间的横向通信(主要是联闭锁、保护之间的配合等)、通过GOOSE网和SV网与过程层设备(智能终端、合并单元)实现纵向通信；在站控层网络失效的情况下，间隔层应能独立完成就地数据采集和控制功能。间隔层网络连接站控层网络，一般采用星型结构，传输速率和主要连接设备描述如下：
1)间隔层网络采用100Mbps或更高速度的工业以太网；
2)间隔层网络交换机向上连接站控层核心交换机，向下连接间隔内的保护、测控和其他智能电子设备，用于间隔内信息交换。
所述过程层包括过程层内部装置，所述过程层内部装置连接所述间隔层内部的保护装置、测控装置和智能电子设备。
所述ECMS系统过程层网络采用GOOSE网与SV网共网形式，负责实现过程层装置与间隔层设备之间的通信，传输GOOSE报文及SV采样值报文。
a)采用100Mbps或更高速度的工业以太网；
b)用于间隔层和过程层设备之间的数据交换；
c)过程层应采用星型网络结构，各电压等级的过程层网络宜独立配置；
d)过程层网络配置双套物理独立的单网，当一个网络异常或退出时，任何设备不应影响另一个网络的运行；
e)保护装置与本间隔的智能终端设备之间采用点对点通信方式。
f)双重化配置的保护及安全自动装置分别接入不同的过程层网络；单套配置的保护及安全自动装置、测控装置同时接入两套不同的过程层网络，采用相互独立的数据接口控制器。
在本申请一实施例中，所述预先设定的通信协议为IEC61850标准协议。
在本申请一实施例中，所述站控层内部的网络采用双星型结构，网络采用双网双工方式运行。
在本申请一实施例中，所述过程层内部的网络采用GOOSE网与SV网共网形式，用于负责实现过程层内部装置与间隔层内部设备之间的通信，传输GOOSE报文及SV采样值报文。
在本申请一实施例中，所述过程层内部采用星型网络结构。
在本申请一实施例中，所述间隔层内部的网络速度大于或等于100Mbps，所述站控层内部的网络速度大于或等于100Mbps，所述过程层内部的网络速度大于或等于100Mbps。
在本申请一实施例中，所述过程层内部配置双套物理独立的单网。
在本申请一实施例中，所述保护装置与所述智能终端设备之间采用点对点通信方式。
在本申请一实施例中，ECMS系统结构采用的分层分区式控制架构，为了匹配其数据传输的功能性，系统对应的通信网络拓扑也具备分层分区的特性，从纵向上划分为主站层、终端层和过程层，如图3所示：ECMS系统各个逻辑控制功能间采用IEC61850信息总线方式进行准实时的双向信息交互，实现非标准化电气设备的集成式管控。过程层设备包含各个功能自治区，由于不同区域中的设备非同一厂家或按照统一标准生产，因此通信接口均为非标状态，区域内采集上的数据无法形成统一的信息模型。因此需按照统一的报文格式和抽象化数据映射关系构建标准数据模型，模型转换过程主要在终端层执行。利用IEC61850标准中对象式设备信息交互方式，以设备功能为主线定义不同的逻辑节点及数据属性，依据数据间的关系映射，设计通信过程配置文件。通过ACSI抽象化服务接口和SCSM特定通信服务映射服务，将终端层的数据通信协议转换成以IEC61850为标准的信息模型。进行通信协议转换后，过程层中电气设备的原始数据均抽象成对象化数据格式。在主站层是以IEC61968标准可识别的模型为基础，消息经过协议一致性转换，利用数据总线方式完成控制数据的下放与展示，完成各类型控制主站对现场设备的实时监控。针对自身满足IEC61850/61968标准协议的电气设备，可直接通过终端层的接收前置机进行完成通信协议的映射，完成设备的实时监控。
根据ECMS各级控制管理单元的具体功能和通信需求，结合本发明中设计数据对象化信息建模方法，按照分层模式设计服务器、逻辑设备、逻辑节点及数据属性等数据对象类。以设备控制服务为起始点，根据服务内容涉及到的设备，定义出多个逻辑设备，每个逻辑设备会自带有配套的服务数据属性，形成分叉树型结构，每一簇可表示为服务实例。在树形结构中，数与属性之间是存在一对一映射关系。在系统分层结构中设备属性及功能特点，分别定义数据类内容：
(1)就地控制管理单元的功能主要包括实时运行电气量的采集、设备运行状态的监测与控制命令的执行和通信控制命令等。运行电气量的采样分为电气量和非电气量采样：
电气量采集包括直流侧每一条汇流箱进线和交流侧三相电气量，交流侧逻辑节点定义为ACLN，直流侧逻辑节点定义为DCLN；
非电气量采集包括电气设备环境监测、变压器温度、互感器温度和隔离开关温度等信息量通过传感器等智能终端将监控参量采集到控制单元。环境监测定义为ENMO，温度监控逻辑节点定义为TEME，湿度监控逻辑节点定义为为HUME，电磁量监控逻辑节点为EQMO；
电气量测量是指能源站内发电电量计量，其中包括三相发电系统定义为TPPG，单相定义为SPPG，由站内智能电表、集中器等计量设备完成测量工作；
非电气量测量是指采集的监控参量统一上传经过网关等中继设备，上传到就地化控制单元，并将多参量采集信息分类存储，采用不同的计量规则对参量进行统计。
设备就地化控制单元主要是指将区域控制管理单元下发的关键逻辑节点管控信息分配到分布式控制节点中，完成设备运行状态的监控、检测、评估及自调整过程。其中包括开关参量监控与调试SPMD，智能终端控制ITCO，合并单元延时调整DAMU，保护动作启动PRAS等。
通信控制命令是指本地化数据传输过程的控制信息，就地化控制信息一般包括两类，一类是向下的本地数据采集通信，微功率无线通信定义为MWCC，载波通信定义为CACC等；另一类是向区域控制单元传输数据，一般选择modbus通信方式定义为MOCC。
(2)间隔层区域控制管理单元
区域控制管理单元主要功能包括：远程监控功能、电厂发电功能、终端通信功能和区域控制管理功能等。
远程监控功能，用于厂站运维及管理人员对电气设备根据就地化上传的采集信息进行远程监视和控制，在后台通过控制命令信息直接对现场设备进行调试。相关的逻辑节点包括远程控制消息下发RCMS，远程控制执行消息RCEM，远程控制消息接口RCMI等。
电厂发电控制功能，对现场变压器、互感器等发电变电设备功能进行评估，判断其发电量与需求量是否存在差异，实时产生调整方案，保持发电功能的最佳状态。互感器测量监控MMTR，升压站控制BSCO，变压器电压变换量监控TVCM等。
终端通信功能满足上下行通信的连接、断开等操作，获取设备关联服务器的数据模型信息，并将站控层控制、日志等功能数据下发给区域电气设备，完成数据传输的信息建模，主要包括远传通信控制RCCU和本地化接入通信控制单元LACU。
区域控制管理功能主要通过集成了设备运行逻辑优化分析算法，通过对采集的现场数据及历史自学习参考数据，对厂站内能源负荷进行预期，形成自治优化控制决策方法，其中包括控制曲线分析图CCAC，接入优先级顺序APOR，设备限控方案TECP。
所有的数据均以抽象化的对象数据类表示，依照服务需求，快速从数据库中建立接入点和服务器，通过树型结构中数与数之间的映射连接关系，定位具体的控制服务数据集合，根据数据执行规则完成控制与调试过程。交互信息模型非常适合ECMS系统的管控，管控过程流程繁琐，设备类型及数量庞大，一个流程会引入多种类型设备及服务，将设备功能抽象化提取后，即平滑了设备间非重要参数的差异性，也加速了数据关联聚合效率。
以图4通信交互过程模型原理为基础，结合ECMS系统监控业务的传输需求，设计符合厂站设备运行控制的分层式配置文件交互执行规则，具体如图5所示：按照先上行后下行的顺序对数据交互过程进行描述。本地化通信接口1是将各种电气设备的监控及计量参量采集到控制单元，根据采集参量类型特点转换成功能逻辑节点，21和22接口是完成采集参量的分类测量与统计，实现本地化统一存储；23接口对应的逻辑单元反映就地控制功能，能对厂站发电系统实时监控，将分布式电源并/离网操作控制状态的更新。25接口是远程通信接口，将区域管理单元中获取的控制命令及时存储在控制信息缓冲区，按照主站要求合理分配分布式电源调配策略。每一个通信节点可以对应多个数据服务，例如计量数据采样服务会涉及到电气量数据的采集、测量与存储逻辑单元，每个逻辑单元中又包含了对象数据及数据过程属性，形成多对象数据的组合、分离、计算、自分析一系列过程，将处理结论数据通过通信接口3上传到区域管控客户端。本地化信息管控全过程采用ECMS通信服务映射过程标准，解析/转换本地化通信服务，完成响应主站下发调控的指令。
区域管理与本地化管理过程类似，但控制数据处理过程相对更加繁琐，它会将主站下发的所有设备相关的信息进行一次过滤，最终下发到本地化管控单元的信息基本是细颗粒度的直接性控制数据，因此在区域管理中增加配置文件的解析及处理过程。从主站通过通信接口5接收的E-DCI配置文件，配置文件解析过程将文件解析成具体电气设备的ID号与对应的控制策略数据CID文件。通信接口45实现配置文件与控制文件单元输入输出逻辑节点对接，42接口执行内部控制数据参量的整理与评估，联合区域内同类型设备的协同运行标准，比较设备运行的限制条件，针对超出门限值条件的运行设备提出控制策略更新指令，在通过LACU通信单元将指令下发到就地化控制单元，完成设备的自调试功能。例如发电量接入以超过潮流安全上限值，通过及时调整或关闭发电机组行为调整网络平衡，整个过程均由配置文件的内部流转自动化完成，无需人工操作，整个监控体系智能化反映特性显著，自适应能力强，借助数据类对象表示形式的灵活性，可根据业务的拓展要求增加或删除逻辑功能数据类型，在不给系统增加太多工程负担前提下，快速调整业务与信息模型间的映射拓扑结构。
与现有技术相比，本实施例一种发电厂电气设备统一系统，包括站控层、间隔层以及过程层，站控层连接间隔层，间隔层连接过程层，站控层、间隔层以及过程层之间通过预先设定的通信协议进行通信，站控层包括多台核心交换机，多台核心交换机向上连接站控层设备，多台核心交换机向下连接间隔层网络交换机，间隔层包括网络交换机，网络交换机向上连接多台核心交换机，向下连接间隔层内部的保护、测控和其他智能电子设备，用于间隔层内部信息交换，过程层包括过程层内部装置，过程层内部装置连接间隔层内部的保护装置、测控装置和智能电子设备。通过本申请实施例的结构连接关系以及通过预先设定的通信协议进行通信，在通信信息量较大时，保证了实时性和可靠性，给电厂设计、施工、运行与维护带来了便利。
以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

Claims (8)

1.一种发电厂电气设备统一系统，其特征在于，包括站控层、间隔层以及过程层，所述站控层连接所述间隔层，所述间隔层连接所述过程层，所述站控层、间隔层以及过程层之间通过预先设定的通信协议进行通信；
所述站控层包括多台核心交换机，所述多台核心交换机向上连接站控层设备，所述多台核心交换机向下连接间隔层网络交换机；
所述间隔层包括所述网络交换机，所述网络交换机向上连接所述多台核心交换机，向下连接间隔层内部的保护、测控和其他智能电子设备，用于间隔层内部信息交换；
所述过程层包括过程层内部装置，所述过程层内部装置连接所述间隔层内部的保护装置、测控装置和智能电子设备。
2.根据权利要求1所述的发电厂电气设备统一系统，其特征在于，所述预先设定的通信协议为IEC61850标准协议。
3.根据权利要求1所述的发电厂电气设备统一系统，其特征在于，所述站控层内部的网络采用双星型结构，网络采用双网双工方式运行。
4.根据权利要求1所述的发电厂电气设备统一系统，其特征在于，所述过程层内部的网络采用GOOSE网与SV网共网形式，用于负责实现过程层内部装置与间隔层内部设备之间的通信，传输GOOSE报文及SV采样值报文。
5.根据权利要求1所述的发电厂电气设备统一系统，其特征在于，所述过程层内部采用星型网络结构。
6.根据权利要求1所述的发电厂电气设备统一系统，其特征在于，所述间隔层内部的网络速度大于或等于100Mbps，所述站控层内部的网络速度大于或等于100Mbps，所述过程层内部的网络速度大于或等于100Mbps。
7.根据权利要求1所述的发电厂电气设备统一系统，其特征在于，所述过程层内部配置双套物理独立的单网。
8.根据权利要求1所述的发电厂电气设备统一系统，其特征在于，所述保护装置与所述智能终端设备之间采用点对点通信方式。
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