一种应用于变电站的开放式数字化综合自动化系统的制作方法
【专利摘要】本发明一种应用于变电站的开放式数字化综合自动化系统，主要由设备层、间隔层、通信层和站控层组成；设备层主要由多个一次设备组成；间隔层主要由多个二次设备组成，用于检测变电站电力设备运行的实时电气量、在线监测与统计运行设备状态参数以及执行与驱动操作控制；通信层用于汇总间隔层实时数据信息、保护控制一次设备、实施操作同期控制、承上启下的通信以及优先级别转发数据的采集、统计、计算及控制命令；站控层用于汇总全站的实时数据信息、不断刷新实时数据库、按时登陆历史数据库、发送有关数据信息给调度层或控制中心以及接收调度或控制中心有关控制命令并转发间隔层执行。该系统完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等功能。
【专利说明】
一种应用于变电站的开放式数字化综合自动化系统
技术领域
[0001]本发明涉及智能变电站系统的技术领域，尤其是一种应用于变电站的开放式数字化综合自动化系统。
【背景技术】
[0002]随着我国变电站技术的不断发展，当前我国变电站自动化水平已经达到一定的水平，大部分新建变电站均采用综合自动化系统，这种技术的大范围使用，不仅大幅度提升我国电网建设的整体水平，同时也降低变电站建设和运营成本。
[0003]近年来，随着通信技术和计算机技术不断进步，一次运行设备智能化状态检测、一体化平台系统构建等技术相继问世并逐步趋于成熟，变电站中相应信息获取、传送和处理的过程开始迈向智能化的时代，智能化变电站已经成为变电站新的发展趋势。
[0004]在充分考虑实用性及与现有先进技术基础上进行融合下，将变电站建设成为智能电网的一个智能节点，使其具有设备信息化、功能集成化、结构紧凑化、状态可视化特点，实现支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级智能化功能。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是:提供一种应用于变电站的开放式数字化综合自动化系统，采用先进、可靠、集成的智能设备分层组网，以全站信息数字化、通信平台标准化、信息共享网络化为基础，完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等功能，实现变电站高度智能化、运行维护高效化。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种应用于变电站的开放式数字化综合自动化系统，该自动化系统主要由设备层、间隔层、通信层和站控层组成;所述的设备层主要由多个一次设备组成；间隔层主要由多个二次设备组成，用于检测变电站电力设备运行的实时电气量、在线监测与统计运行设备状态参数以及执行与驱动操作控制;通信层用于汇总间隔层实时数据信息、保护控制一次设备、实施操作同期控制、承上启下的通信以及优先级别转发数据的采集、统计、计算及控制命令;站控层用于汇总全站的实时数据信息、不断刷新实时数据库、按时登陆历史数据库、发送有关数据信息给调度层或控制中心以及接收调度或控制中心有关控制命令并转发间隔层执行。
[0007]进一步具体地说，上述技术方案中所述的设备层主要由主变变压器、多个不同电压等级的开关柜、无功补偿装置、控制保护屏、消弧线圈接地装置、磁控电抗器、组合互感器、隔离开关和断路器组成。
[0008]进一步具体地说，上述技术方案中所述的间隔层主要由测量单元、控制单元、保护单元、计量单元和监测单元组成。
[0009]进一步具体地说，上述技术方案中所述的通信层主要由通信管理机、网络交换设备、路由器、交换机组、集中器、集线器、通信服务器和网络线路组成。
[0010]进一步具体地说，上述技术方案中所述的站控层主要由操作员站、打印机、工程师站和服务器组成。
[0011]进一步具体地说，上述技术方案中所述的综合在线监测装置IED主要由电源模块、FLASH模块、人机接口 MMI模块、SDRAM模块、通信模块、GPS对时模块、主CPU模块、通讯模块、采集监测模块、模拟量输入输出模块和开关量输入输出模块组成;综合在线监测装置IED用于配置变压器综合在线监测模块、GIS综合在线监测模块、SF6环境综合在线监测模块、开关柜在线监测模块和断路器综合在线监测模块。
[0012]本发明的有益效果是:本发明在变电站系统中融合智能化一次设备、数字化网络化二次设备、自动化运行管理系统等数字化技术采用IEC61850标准体系基础上实现采集全站SCADA、保护信息、录波、计量、在线监测数据，满足智能变电站在信息数字化、功能集成化、状态可视化方面的要求，自动完成信息采集、计量、测量、控制、保护和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动化控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的开放式数字化综合自动化变电站。
【附图说明】
[0013]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0014]图1是本发明的结构层次图；
[0015]图2是本发明中综合在线监测装置的模块图。
【具体实施方式】
[0016]见图1，一种应用于变电站的开放式数字化综合自动化系统，该自动化系统主要由设备层、间隔层、通信层和站控层组成；设备层主要由多个智能化一次设备组成；间隔层主要由多个数字化网络化二次设备组成，用于检测变电站电力设备运行的实时电气量、在线监测与统计运行设备状态参数以及执行与驱动操作控制;通信层用于汇总间隔层实时数据信息、保护控制智能化一次设备、实施操作同期控制、承上启下的通信以及优先级别转发数据的采集、统计、计算及控制命令;站控层通过高速网络IEC61850用于汇总全站的实时数据信息、不断刷新实时数据库、按时登陆历史数据库、发送有关数据信息给调度层或控制中心以及接收调度或控制中心有关控制命令并转发间隔层执行。
[0017]设备层主要由主变变压器、变压器局放、GIS、多个不同电压等级的开关柜、断路器、无功补偿装置、互感器、电源、SF6、控制保护屏、消弧线圈接地装置、磁控电抗器和隔离开关等组成，具体可根据需求进行自由组合配置。
[0018]间隔层为二次设备与一次设备的结合，采用一种可配置的综合在线监测装置及环境、视频、机器人等先进技术作为站内辅助系统实现实时采集各种一次设备的参数，运行设备状态参数在线监测与统计、实现站内信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等功能。间隔层主要由由测量单元、控制单元、保护单元、计量单元和监测单元组成，如五防设备、电表、综合在线监测装置、变电站保护设备和测控设备等。
[0019]通信层主要由通信管理机、网络交换设备、路由器、交换机组、集中器、集线器、通信服务器和网络线路等组成。通信层将间隔层中带有智能化接口的二次设备进行IEC61850标准化网络组网，可以使得对整个站内各种设备进行数据采集、监测。间隔层组网后通过网络层的网络交换设备、路由器、交换机组、集中器、集线器、通信服务器和网络线路光纤等设备进行网络传输，将间隔层收集到各类设备采集监测的数据上传到站控层的操作员站、工程师站及上级监控系统及调度中心，及将上层的控制命令进行转发到下层的间隔层去操控各种智能化设备，通信层通信管理机，集线器等通信设备在整个系统中起到了承上启下的关键性的作用。
[0020]站控层主要由操作员站、打印机、工程师站和服务器等组成。站控层将通过通信层接收到的间隔层的各种智能二次设备的采集数据存储到实时数据服务器、历史数据库、关系数据库中。站控层的报警服务器实时监控系统的采集数据，当变电站系统通过各种任何环节出现故障或异常，及通过变电站的视频辅助系统及机器人巡检系统进行图像分析处理确认为报警后，站控层报警服务器能够自动发出各种报警提示，同时将报警信息包括报警事件、站点信息、告警类别、告警描述等同时存到历史、关系数据库中，可以提供给操作人员及工程人员按时间、地点、报警类型、描述等做复杂的关键字组合及进行复杂的统计，检索查询。站控层将采集到的智能化二次设备的间隔层的各种数据以报表、曲线、棒图、柱状图、饼图、各种界面形式展示，这样操作及运维人员可通过操作员站、工程师站、远程服务器、上级监控系统等方式远程监测整个变电站内的各个设备的运行情况，并将采集到的实时数据及历史数据库的数据存入到服务器中，为智能化远程运维根系提供了科学的管理依据。
[0021]其中，站控层的智能设备IED都带有IEC61850接口，变电站智能化系统通过抽象通信服务接口(ACSI)建立一个应用层上的抽象模型，描述各接口间的数据交换，给出各种对象统一的逻辑模型。本系统通过这种分层分布，由分布位于逻辑设备LD上的逻辑节点LN共同协调完成，LN之间由逻辑连接LC连接，通讯信息明确描述出LN之间的交换信息和通信要求。IED中的LN通过IED内部的服务器接口被其它LN访问。过程层数字式设备向间隔层IED传送数据，并接受控制命令操作一次设备。在变电站智能化系统中，采用这种模块化分层分布方式将不同厂家的IED，或同一厂家不同型号IED保证高可靠性的同时实现对系统的可扩展性，互操作和系统无缝集成。
[0022]通过采用这种分层架构的综合智能化系统，建立变电站内全景式数字信息平台，以模块化的设计思想，实现变电站运行监视系统化，调整控制分层化，保证变电站的安全性的同时实现变电站的综合智能化。
[0023]间隔层中各种数字化网络化二次设备采用IEC61850数字建模及数据模板的智能转换技术，实现传统规约转换装置向标准化智能型转变。对变电站内变压器、GIS、开关柜、无功补偿等设备及直流屏、电度表、巡检、电源、风机、空调、消防等子系统进行数据收集整合和IEC61850标准规范建模，实现变电站实时集成监控和优化管理，对外主要采用MMS通讯服务为其它站控系统提供数据，对整个变电站实现控制、监视、保护功能的同时实现不同厂家的设备信息快速互动及共享，为变电站系统的互操作性、可扩展性和高可靠性要求提供依据。
[0024]间隔层监测单元包含一种采用运行环境的智能监测，整合视频系统和变电站监控系统，视频监控子系统通过可见光电荷耦合器件(CCD)和红外热像仪分别获取变电站中变电设备的可见光图像和红外图像，红外图像可提供现场运行设备的运行状态。可见光图像包含着丰富的纹理信息，可提供变电设备的轮廓、位置、外观等相关数据。通过特征匹配和图像融合技术，实现变电设备的可见光图像和红外图像的有效融合。通过融合后的图像不仅可发现现场变电设备的内部过热缺陷、外部机械或电动故障、异物缺陷等，而且可实现故障设备的定位，同时为运行检修人员提供电力设备运行中的事故隐患和故障先兆的相关数据，进一步实现变电设备的在线运行诊断报告。实现运行环境远程监测与综合自动化系统、辅助系统等的智能联动，通过摄像头快速定位报警设备，避免人为的现场定位不准确问题，通过图像分析处理功能，发现变电设备漏油、异物缺陷，采集断路器、隔离开关的分合闸位置，对变电运行巡视及程序化操作提供智能辅助判断；同时实现视频系统与安防系统、照明控制系统的智能联动，实现人员非法入侵的全天候监视;运行环境智能监测集成户内外环境温湿度、变电站内各个房间环境、气象监测功能并与空调、排风、排水等系统智能联动，实现变电站内温湿度的自动控制和调节，并根据气象环境如雨量及场区水位自动启动排水系统等。
[0025]间隔层监测单元采用机器人技术对变电站进行智能化巡检，通过在变电站三维模型上规划巡视路线的功能，系统以自主或遥控方式控制在巡视路线上的机器人，根据巡视作业指导书所要求的巡视内容进行巡检，将巡检的结果实时传回站控层综合监控平台，实现在模拟线路上虚拟现实自动巡视的功能，并通过图像识别技术及时发现电力线路及设备的各种异常故障现象。采用的机器人巡检技术整体结构包括基站、移动体控制系统以及由可见光图像摄像机、红外图像摄像机和传声器MIC等组成的电站监测系统。移动体是整个机器人系统的移动载体和信息采集控制载体，主要包括移动车体、移动体运动控制系统和通信系统。对于移动体还需要进行有效的监视控制和管理，需要建立一个移动机器人监控的基站，基站与移动体之间通过无线网桥组成一个无线局域网，可见光图像和红外图像通过视频服务器的视频流数据和移动体控制系统信息等数据汇集到网络集线器后经无线网桥，网络集线器一起通过电力系统内部网络传到运行监控中心。连接到电力系统局域网上的计算机可根据访问权限实时浏览变电站设备的可见光和红外视频图像、机器人本身运行情况等相关信息。移动机器人结合自身全球定位系统(GPS)定位信息和激光雷达传感器的探测技术，采取比例-积分-微分PID直线跟踪算法和采取VPH避障算法来实现自主运动巡检，由三维模型上规划巡视路线提供相应的地图信息和任务信息，按照路径最短、转弯最少、综合最优等策略实时规划移动机器人的巡检行为，包括直线跟踪、避障、转向、调节移动速度、停车等，完成对机器人的控制导航，实现移动机器人的自动驾驶。借助激光雷达和GPS自主完成变电站设备的巡检工作，通过携带的可见光CCD摄像机、远程红外热成像摄像机、高性能定向MIC等传感器，完成变电站设备的图像巡检、设备仪表的自动识别、一次设备的红外检测以及移动物体侦测等，并记录相关信息，提供异常报警。操作人员只需通过后台基站计算机收到的实时数据、图像等信息，即可完成变电站的设备巡检工作。
[0026]见图2，综合在线监测装置IED，按硬件采用模块化设计方案，按功能划分为不同的模块，主要由电源模块、FLASH模块、人机接口 MMI模块、SDRAM模块、通信模块、GPS对时模块、主CPU模块、通讯模块、采集监测模块、模拟量输入输出模块和开关量输入输出模块组成。模块与模块之间的数据通信通过内部高速总线实现，由于各模块都有一定的智能化处理能力，可以对信号的输入输出进行一定的预处理，减轻主模块的负担，各个子监测模块可以专注于数据处理，故障判断和任务调度。采用这种模块化硬件设计使得综合在线监测装置IED具有可扩展性，可以根据需求后期扩展模块。IED的软件部分也采用模块化软件设计，使得软件具有可裁剪性，也便于功能扩充。综合在线监测装置采用一种可配置监测功能的变电站综合在线监测装置，实现各个子系统的在线监测，综合在线监测装置IED用于配置变压器综合在线监测模块、GIS综合在线监测模块、SF6环境综合在线监测模块、开关柜在线监测模块、断路器综合在线监测模块和避雷器综合在线监测模块等，这些模块可以通过软件进行加载删除，从而实现各个在线监测功能模块自由配置。
[0027]系统采用一个元件对应一个间隔的分布式设计，各间隔功能独立，按回路体现不同的功能，如测量功能、控制功能、保护功能、计量功能和监测功能，数字化网络化智能仪表二次设备安装在智能化一次设备上，每台智能设备均有通讯接口，通过通信网络与监控主机通信，监控主机实时监测系统的运行情况，将所收集到的信息进行分类存储和管理，每台智能设备的操作控制均可以在站控层的监控主机上集中监测控制。
[0028]采用这种变电站综合智能化系统可以采集全站SCADA、保护信息、录波、计量、在线监测的数据，满足智能变电站在信息数字化、功能集成化、结构紧凑化、状态可视化方面的要求。研究完善变电站全景式数据信息平台、故障信息综合分析决策系统、告警及故障自动处理系统和设备状态分析系统，实现变电站运行监视全景化、安全分析前瞻化、调整控制动态化，同时从时间、空间、业务等多个层面和维度实现变电站全方位实时监视和在线故障诊断，真正实现变电站无人值守，降低变电站运维成本、优化资源配置、提升运行指标的目的。
[0029]以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要如权利要求范围来确定其技术性范围。
【主权项】
1.一种应用于变电站的开放式数字化综合自动化系统，其特征是:该自动化系统主要由设备层、间隔层、通信层和站控层组成;所述的设备层主要由多个一次设备组成；间隔层主要由多个二次设备组成，用于检测变电站电力设备运行的实时电气量、在线监测与统计运行设备状态参数以及执行与驱动操作控制;通信层用于汇总间隔层实时数据信息、保护控制一次设备、实施操作同期控制、承上启下的通信以及优先级别转发数据的采集、统计、计算及控制命令;站控层用于汇总全站的实时数据信息、不断刷新实时数据库、按时登陆历史数据库、发送有关数据信息给调度层或控制中心以及接收调度或控制中心有关控制命令并转发间隔层执行。2.如权利要求1所述的一种应用于变电站的开放式数字化综合自动化系统，其特征是:所述的设备层主要由主变变压器、多个不同电压等级的开关柜、无功补偿装置、控制保护屏、消弧线圈接地装置、磁控电抗器、组合互感器、隔离开关和断路器组成。3.如权利要求1所述的一种应用于变电站的开放式数字化综合自动化系统，其特征是:所述的间隔层主要由测量单元、控制单元、保护单元、计量单元和监测单元组成。4.如权利要求1所述的一种应用于变电站的开放式数字化综合自动化系统，其特征是:所述的通信层主要由通信管理机、网络交换设备、路由器、交换机组、集中器、集线器、通信服务器和网络线路组成。5.如权利要求1所述的一种应用于变电站的开放式数字化综合自动化系统，其特征是:所述的站控层主要由操作员站、打印机、工程师站和服务器组成。6.如权利要求3所述的一种应用于变电站的开放式数字化综合自动化系统，其特征是:所述的综合在线监测装置IED主要由电源模块、FLASH模块、人机接口MMI模块、SDRAM模块、通信模块、GPS对时模块、主CPU模块、通讯模块、采集监测模块、模拟量输入输出模块和开关量输入输出模块组成;综合在线监测装置IED用于配置变压器综合在线监测模块、GIS综合在线监测模块、SF6环境综合在线监测模块、开关柜在线监测模块和断路器综合在线监测模块。
【文档编号】H02J13/00GK105871071SQ201610406930
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】蒋亚峰, 沈伟, 唐建中, 刘子龙, 王沂江
【申请人】上海南华兰陵电气有限公司