一种电气化铁路数字化牵引变电站的集成控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种电气化铁路数字化牵引变电站的集成控制方法，通过应用本发明的技术方案，在深入理解IEC61850框架的基础上，实现了全面响应IEC61850的综合自动化系统，每个一次设备间隔所对应的处理设备将自身所对应的一次设备间隔中的一次设备所接收的信号进行数字化处理，并且各个一次设备间隔所对应的处理设备分别将各自数字化处理后的信息上报给同一个集成控制设备，以使所述集成控制设备完成对所有一次设备间隔的保护测控功能。从而，基于IEC61850标准解决了电气化铁路数字化牵引变电站的集成管理问题，实现了牵引变电站的保护、测量、控制、信号、故障录波、谐波分析、故障测距等功能，达到高速电气化铁路牵引变电站的综合自动化管理。
【专利说明】—种电气化铁路数字化牵引变电站的集成控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及通信【技术领域】，特别涉及一种电气化铁路数字化牵引变电站的集成控制方法。
【背景技术】
[0002]高速铁路牵引变电站自动化系统对于高速铁路的正常运营，起着非常重要的作用，是高速铁路安全运行不可分割的重要部分。
[0003]目前我国牵引变电站自动化系统存在着信息共享程度低、信息传输可靠性差、信息交流没有标准化等导致的系统可靠性低和建成后期维护成本高的诸多问题，主要体现在以下方面:
[0004]( I)变电站信息的交流和共享
[0005]目前变电站的模拟信息靠电缆连接，从间隔层到变电站层的信息交互目前主要采用现场总线或以太网完成，其交流的信息内容为远动所要求的四遥数据量及保护动作报文和基本的配置数据，所以交流数据少、实时性不高，可靠性要求也不是很高。来自同一个一次设备间隔的数据经不同的IED上传到变电站层可能不一致或相互矛盾，而且这个矛盾往往被忽视而不是解决掉，不同IED反映的一个断路器矛盾的开关状态也是被忽略或人工处理的。横向不同的IED之间以及一次设备与不同的IED间信息传递是以电缆的方式传递的，没有信息的共享，一次设备之间的信息是没有交互的。复杂的电缆连接也带来系统可靠性降低，在不增加装置时没有办法进行功能的扩展而缺乏灵活性。比如电缆连接可能带来电缆端子接线松动、发热、开路和短路的危险，也会引起电磁干扰、传输过电压及二次回路两点接地的可能性。
[0006]( 2 )信息交流的标准化
[0007]目前在我国大量应用的牵引变电站自动化的信息没有实现共享，而国外几个大的制造厂家横向以通讯方式实现一定的信息共享，但缺乏一个全所或调度系统统一的信息交流共享的标准。自动化设备生产厂家多、品种多，不同厂家设备间需要规约转发装置，市场化程度低。
[0008]( 3 )跨间隔自动化设备及牵弓I变电站自动化功能的扩展
[0009]目前运行的牵引变电站自动化系统不同的自动化产品由于对过程层设备无法进行信息共享，所以每当有跨间隔的设备安装和新的功能需要扩展都要重新接很多数量的电缆，当然也需要增加新间隔层设备。
[0010]另一方面，IEC61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准，制定了电力系统远动无缝通信系统基础，能大幅度改善信息技术和自动化技术的设备数据集成，减少工程量、现场验收、运行、监视、诊断和维护等费用，节约大量时间，增加了自动化系统使用期间的灵活性。它解决了变电站自动化系统产品的互操作性和协议转换问题。采用该标准还可使变电站自动化设备具有自描述、自诊断和即插即用(Plug and Play)的特性，极大的方便了系统的集成，其定义的自我描述能显著降低数据管理费用、简化数据维护、减少由于配置错误而弓I起的系统停机时间。
[0011]在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题:
[0012]虽然对IEC61850标准的研究进行了很多，也有不少厂商对外宣称己经有IEC61850的试点项目投运，但大部分都是部分实现了 IEC61850标准或只是提供了一个代理用于支持IEC61850标准而已。IEC61850标准并不是一个简单的通信规约。一个完全基于IEC61850标准的变电站自动化系统从系统结构、模型设计、系统数据库设计、通信实现、智能电子设备生产等方面都必须重新研究设计，而不是旧的设备和系统经过简单改造可以实现的。
[0013]因此，现阶段的技术方案对IEC61850标准的应用还存在巨大的缺陷和不足。
【发明内容】
[0014]本发明提供一种电气化铁路数字化牵引变电站的集成控制方法，用以解决IEC61850标准与电气化铁路数字化牵引变电站的综合自动化系统的结合问题。
[0015]为达到上述目的，本发明一方面提供了一种电气化铁路数字化牵引变电站的集成控制方法，应用于包括多个一次设备间隔的电气化铁路牵引变电站控制系统中，所述电气化铁路牵引变电站控制系统基于IEC61850标准进行配置，所述方法至少包括以下步骤:
[0016]每个一次设备间隔所对应的处理设备将自身所对应的一次设备间隔中的一次设备所接收的信号进行数字化处理；
[0017]各个一次设备间隔所对应的处理设备分别将各自数字化处理后的信息上报给同一个集成控制设备，以使所述集成控制设备完成对所有一次设备间隔的保护测控功能。
[0018]优选的，所述每个一次设备间隔所对应的处理设备将自身所对应的一次设备间隔中的一次设备所接收的信号进行数字化处理，具体包括:
[0019]所述每个一次设备间隔所对应的处理设备根据IEC61850进行变电站建模；
[0020]所述每个一次设备间隔所对应的处理设备对自身所对应的一次设备间隔的电压互感器、电流互感器、开关量、控制量、其它模拟量信息按IEC 61850-9-2及GOOSE规约格式数字化。
[0021]优选的，所述每个一次设备间隔所对应的处理设备，具体还可以配置以下功能:
[0022]电流、电压信号的采集；
[0023]数字信号的采集；
[0024]对开关、电动刀闸的控制功能；
[0025]具有与其他一次设备间隔所对应的处理设备的同步功能；
[0026]以IEC618509-2和GOOSE格式通过两路FX 100光纤以太网与智能设备通讯。
[0027]优选的，所述每个一次设备间隔所对应的处理设备根据IEC61850进行变电站建模，还包括:
[0028]所述每个一次设备间隔所对应的处理设备根据建模结果，生成SCL文件，实现设备的自动配置和自识别。
[0029]优选的，所述各个一次设备间隔所对应的处理设备分别将各自数字化处理后的信息上报给同一个集成控制设备，以使所述集成控制设备完成对所有一次设备间隔的保护测控功能，具体包括:
[0030]所述各个一次设备间隔所对应的处理设备，部署于所述各个一次设备间隔所对应的过程层中，各所述过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备中，所述各个一次设备间隔所对应的处理设备分别将各自数字化处理后的信息发送给所述光交换机，并由所述光交换机上报给所述集成控制设备；
[0031]所述间隔层通过另一个光交换机接入变电站层，所述集成控制设备将根据接收到的数字化处理后的信息所得到的处理结果通过所述另一个光交换机上报给所述变电站层。
[0032]优选的，
[0033]所述过程层、所述间隔层和所述变电站层均基于IEC61850标准进行配置。
[0034]优选的，所述集成控制设备，具体包括:
[0035]内嵌双以太网的高速处理器。
[0036]优选的，各所述过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备中，具体包括:
[0037]当一次设备间隔小于16个小时时，所述各个一次设备间隔所对应的过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备中；
[0038]当一次设备间隔大于16个小时时，所有对应10千伏的一次设备间隔的过程层通过一个交换机接入第一集成控制设备，对应主变和高压主进的一次设备间隔的过程层通过另一个交换机接入第二集成控制设备；
[0039]其中，所述第一集成控制设备完成10千伏所对应的所有设备的保护测控功能，所述第二集成控制设备完成变压器的保护测控功能。
[0040]优选的，各所述过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备中的同时，还包括:
[0041]位于各所述过程层的处理设备分别通过另一个光交换机接入位于间隔层的另一个集成控制设备中，对各所述过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备形成冗余配置；
[0042]其中，所述冗余配置所对应的双方为自动投切，且所述冗余配置中的所有设备采用统一的同步信号。
[0043]优选的，
[0044]所述电气化铁路牵引变电站控制系统的硬件结构中包括:
[0045]模拟量采集及转换插件，包括电流、电压输入端子、电流互感器、电压互感器、模拟信号调理单元、A/D转换单元、QSPI接口 ；
[0046]基本I/O及电源插件，包括电源变换监控复位单元、RS232接口，BDM单元，还可以包括RS485接口 ；
[0047]扩展输出及操作回路插件，包括光电隔离开入电路、开入端子、光电隔离开出电路、继电器、开出端子；
[0048]主板，包括两个10/100M以太网通讯控制模块和硬件加密模块，一个增强型乘加运算单元，以及64KB片内静态存储器和用户可定义的16kB片内高速缓存；
[0049]背板；和/或，
[0050]所述电气化铁路牵引变电站控制系统的软件结构，具体为VxWorks操作系统平台下，结合IEC61850分层、分布式的体系结构，采用统一的对象建模，采用面向对象及模块化软件设计方法设计。
[0051]与现有技术相比，本发明实施例所提出的技术方案具有以下优点:
[0052]通过应用本发明的技术方案，在深入理解IEC61850框架的基础上，实现了全面响应IEC61850的综合自动化系统，每个一次设备间隔所对应的处理设备将自身所对应的一次设备间隔中的一次设备所接收的信号进行数字化处理，并且各个一次设备间隔所对应的处理设备分别将各自数字化处理后的信息上报给同一个集成控制设备，以使所述集成控制设备完成对所有一次设备间隔的保护测控功能。从而，基于IEC61850标准解决了电气化铁路数字化牵引变电站的集成管理问题，实现了牵引变电站的保护、测量、控制、信号、故障录波、谐波分析、故障测距等功能，达到高速电气化铁路牵引变电站的综合自动化管理。
【专利附图】
【附图说明】
[0053]图1为本发明实施例提出的一种电气化铁路数字化牵引变电站的集成控制方法的流程示意图；
[0054]图2为本发明实施例所提出的一种在一次设备间隔小于16个小时的场景下的系统拓扑结构示意图；
[0055]图3为本发明实施例所提出的一种在一次设备间隔大于16个小时的场景下的系统拓扑结构示意图；
[0056]图4为本发明实施例所提出的一种所述电气化铁路牵引变电站控制系统的硬件结构的不意图；
[0057]图5为本发明实施例所提出的一种电气化铁路牵引变电站控制系统的软件整体信号流的示意图；
[0058]图6为本发明实施例所提出的一种发布者/订阅者通信结构的示意图；
[0059]图7为本发明实施例所提出的一种配置过程信息流参考模型的示意图；
[0060]图8为IEC61850通信集框架的示意图；
[0061]图9为LD_DIS简单建模的示意图；
[0062]图10为LLNO信息建模模型的示意图；
[0063]图11为LPHD信息模型的示意图。
【具体实施方式】
[0064]如【背景技术】所述，现阶段的技术方案对IEC61850标准的应用还存在巨大的缺陷和不足，还存在巨大的发展空间和技术欠缺。
[0065]本发明正是基于此问题而提出，目的在于设计并开发出基于IEC61850标准的高速电气化铁路牵引变电站综合自动化系统，并通过对其的研究开发，实现铁路数字化牵引变电站综合自动化的应用技术，这个系统包括变电站层、间隔层和过程层，三部分皆满足IEC61850标准，并采用“就地数字化”和“集成”保护方案，实现变电站信息在实时、可靠基础上最大程度共享。“就地数字化”是指在一次设备间隔附近安装“就地数字化”设备，将一次设备接收的信息就地数字化；“集成保护”方案是指所有间隔的过程层通过光交换机接入一个集成IED，即由一个集成IED完成所有间隔的保护测控功能。
[0066]如图1所示，为本发明实施例提出的一种电气化铁路数字化牵引变电站的集成控制方法的流程示意图，应用于包括多个一次设备间隔的电气化铁路牵引变电站控制系统中，所述电气化铁路牵引变电站控制系统基于IEC61850标准进行配置，该方法具体包括以下步骤:
[0067]步骤S101、每个一次设备间隔所对应的处理设备将自身所对应的一次设备间隔中的一次设备所接收的信号进行数字化处理。
[0068]本步骤的处理过程即是为了实现信号的“就地数字化”处理。具体的应用场景中，可以在一次设备间隔附近安装“就地数字化”设备，将一次设备接收的信息就地数字化。
[0069]通过这样的处理，仅用一台装置完成了一个间隔的合并单元和智能终端的功能，输出仅为一根光缆连到控制室。
[0070]在实际的应用场景中，本步骤的处理过程，具体包括:
[0071]步骤A、所述每个一次设备间隔所对应的处理设备根据IEC61850进行变电站建模。
[0072]在具体的应用场景中，本步骤的处理还进一步包括所述每个一次设备间隔所对应的处理设备根据建模结果，生成SCL文件，实现设备的自动配置和自识别。
[0073]具体的，本步骤的变电站建模模型如表1所示。
[0074]表1
[0075]
【权利要求】
1.一种电气化铁路数字化牵引变电站的集成控制方法，其特征在于，应用于包括多个一次设备间隔的电气化铁路牵引变电站控制系统中，所述电气化铁路牵引变电站控制系统基于IEC61850标准进行配置，所述方法至少包括以下步骤: 每个一次设备间隔所对应的处理设备将自身所对应的一次设备间隔中的一次设备所接收的信号进行数字化处理； 各个一次设备间隔所对应的处理设备分别将各自数字化处理后的信息上报给同一个集成控制设备，以使所述集成控制设备完成对所有一次设备间隔的保护测控功能。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述每个一次设备间隔所对应的处理设备将自身所对应的一次设备间隔中的一次设备所接收的信号进行数字化处理，具体包括: 所述每个一次设备间隔所对应的处理设备根据IEC61850进行变电站建模； 所述每个一次设备间隔所对应的处理设备对自身所对应的一次设备间隔的电压互感器、电流互感器、开关量、控制量、其它模拟量信息按IEC61850-9-2及GOOSE规约格式数字化。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述每个一次设备间隔所对应的处理设备，具体还可以配置以下功能: 电流、电压信号的采集； 数字信号的采集； 对开关、电动刀闸的控制功能； 具有与其他一次设备间隔所对应的处理设备的同步功能； 以IEC618509-2和GOOSE格式通过两路FX100光纤以太网与智能设备通讯。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述每个一次设备间隔所对应的处理设备根据IEC61850进行变电站建模，还包括: 所述每个一次设备间隔所对应的处理设备根据建模结果，生成SCL文件，实现设备的自动配置和自识别。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各个一次设备间隔所对应的处理设备分别将各自数字化处理后的信息上报给同一个集成控制设备，以使所述集成控制设备完成对所有一次设备间隔的保护测控功能，具体包括: 所述各个一次设备间隔所对应的处理设备，部署于所述各个一次设备间隔所对应的过程层中，各所述过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备中，所述各个一次设备间隔所对应的处理设备分别将各自数字化处理后的信息发送给所述光交换机，并由所述光交换机上报给所述集成控制设备； 所述间隔层通过另一个光交换机接入变电站层，所述集成控制设备将根据接收到的数字化处理后的信息所得到的处理结果通过所述另一个光交换机上报给所述变电站层。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于， 所述过程层、所述间隔层和所述变电站层均基于IEC61850标准进行配置。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述集成控制设备，具体包括: 内嵌双以太网的高速处理器。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，各所述过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备中，具体包括: 当一次设备间隔小于16个小时时，所述各个一次设备间隔所对应的过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备中； 当一次设备间隔大于16个小时时，所有对应10千伏的一次设备间隔的过程层通过一个交换机接入第一集成控制设备，对应主变和高压主进的一次设备间隔的过程层通过另一个交换机接入第二集成控制设备； 其中，所述第一集成控制设备完成10千伏所对应的所有设备的保护测控功能，所述第二集成控制设备完成变压器的保护测控功能。
9.如权利要求5或8所述的方法，其特征在于，各所述过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备中的同时，还包括: 位于各所述过程层的处理设备分别通过另一个光交换机接入位于间隔层的另一个集成控制设备中，对各所述过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备形成冗余配置； 其中，所述冗余配置所对应的双方为自动投切，且所述冗余配置中的所有设备采用统一的同步信号。
10.如权利要求1至8中任意一项所述的方法，其特征在于， 所述电气化铁路牵引变电站控制系统的硬件结构中包括: 模拟量采集及转换插件，包括电流、电压输入端子、电流互感器、电压互感器、模拟信号调理单元、A/D转换单元、QSPI接口 ； 基本I/O及电源插件，包括电源变换监控复位单元、RS232接口，BDM单元，还可以包括RS485 接 口 ； 扩展输出及操作回路插件，包括光电隔离开入电路、开入端子、光电隔离开出电路、继电器、开出端子； 主板，包括两个10/100M以太网通讯控制模块和硬件加密模块，一个增强型乘加运算单元，以及64KB片内静态存储器和用户可定义的16kB片内高速缓存； 背板；和/或， 所述电气化铁路牵引变电站控制系统的软件结构，具体为VxWorks操作系统平台下，结合IEC61850分层、分布式的体系结构，采用统一的对象建模，采用面向对象及模块化软件设计方法设计。
【文档编号】H02J13/00GK104184207SQ201310200406
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2013年5月27日 优先权日:2013年5月27日
【发明者】陈剑云, 吴辉, 陈秋琳, 李天亮 申请人:北京太格时代自动化系统设备有限公司