专利名称：智能变电站网络化测控系统及其方法
技术领域：
本发明涉及的是一种智能变电站二次控制技术领域的装置及方法，具体是一种智能变电站网络化测控系统及其方法。
背景技术：
IEC61850体系为智能变电站技术工程化推进提供了变电站信息流的架构体系，“三层两网”结构成为智能变电站有别于常规变电站的重要特征，信息“一处采集，全站共享”充分体现了智能变电站信息“按需调用”的便利性，并构成了“自愈”型智能电网的基础。随着智能变电站技术的推进，继电保护装置就地化将成为一种必然的发展趋势，主要原因在于一、二次设备可以在工厂完成联接、测试，对于简化变电站建设过程具有极大现实意义。如果说保护就地化是发展趋势，变电站无人值守模式的推进，常规变电站自动化 系统涉及测控装置、监控后台、远动通信服务器的应用模式面临网络化技术应用的挑战。目前智能变电站二次控制技术主要涉及两个专业领域，其一是继电保护领域，在电网一次设备发生故障时快速隔离故障点，恢复电网正常运行，设备范畴是联接电流、电压互感器的二次回路，继电保护装置本身、联接断路器的跳合闸操作回路(操作箱等)。其二是自动化领域，正常运行的变电站电气操作，检修模式下的间隔之间的防误闭锁、上送电网调度中心的现场变电站的电气量运行信息、执行来自电网调度中心的控制命令等。整个自动化领域设备构成比较复杂，有基于间隔的测控装置、防止误操作的“防误闭锁”系统、负责变电站信息存储、全站应用的监控后台系统、负责远程数据传输的远动通信服务器等。为解决变电站信息同步精度问题，IEC TC57工作组新增了 IEC 61850-90-4标准，作为以太网交换机工程实施导则(Guidelines of Ethernet Network SwitchEngineering)。明确采用IEC 61588(基本引用IEEE1588标准)协议实现网络对时微秒准确度，用IEC 61588通过网络实现全变电站范围时间分布的解决方案，变电站制定网络对时标准提供文件名为“IEEE 1588精确时间协议用于电力系统保护等应用的IEEE标准协议集”。因此，智能变电站通过构建过程层网络，自动化系统可以获得“唯一、同步、标准、全站”的信息，在此基础上，信息应用体现为集成度更高的特征。经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN 201839094U
公开日2011-05-18，记载了一种“变电站主变压器测控装置”，该装置采用多模块结构，特别是采用总线扩展技术，在一套装置中实现大容量的交流采样、状态信号采集、控制信号输出，并通过IEC61850协议和站控层设备进行数据交换，同时还实现了 IRIG-B码精确时间同步。该套测控装置可以进行变电站一台主变压器的高、中、低三侧的交流量采集、开关量采集、主变档位信息采集、主变压器本体信息采集，可以进行主变压器三侧间隔的开关、刀闸的控制，进行主变压器档位的调节、风机控制等，一台测控装置完成了整个主变压器的测控功能。但是该技术仅涵盖单台变压器的三侧测控功能，对于包含多个间隔(如多个变压器)乃至全站则无法实施；该技术是简单物理集成常规变压器各侧的测控，或者说是个常规的大测控，而没有采取网络方式获取变压器各侧的信息并实施控制等功能；该技术未涵盖各侧之间的防误闭锁等防误操作功能；该技术不具备基于全站信息的控制策略优化功能等。中国专利文献号CN 202068235U
公开日2011-12-07，记载了一种“应用智能变电站的站域拓扑五防测控装置”，该技术包括中央处理器、前置处理器、网卡处理芯片、同步时钟输入接口、以太网接口和模块化交换机系统，本装置基于IEC61850标准通信符合智能变电站“三层两网”结构，采用网络化采集，集公共测控和站域拓扑五防等功能为一体，通过提取SCD文件中包含的一次设备物理连接关系形成静态的拓扑模型，并在此基础上采集设备状态实时管理和闭锁网络上的各种开关控制设备，实现实时的拓扑防误系统，同时装置支持IEEE1588标准，通过专用交换机可实现全站I微秒级的同步精度，能满足智能变电站的测控及防误闭锁要求。但是该技术未能涵盖进线测控，作为全站拓扑防误信息采集是不完整的；该技术需要监控后台系统协调工作才能构成站域防误，功能上是不独立的；该技术不能利用全站信息优化站域控制策略。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种智能变电站网络化测控系统及其 方法，针对现有变电站自动化系统的设备及系统配置现状，基于IEC61850体系信息网络化共享机制，功能涵盖了时钟同步、基于间隔的集中式测控装置、防止误操作的“防误闭锁”系统、负责变电站信息存储和全站式功能应用的系统。通过网络化测控可以涵盖多个间隔(如多个变压器)乃至全站，实现智能变电站基于网络化信息共享机制的高度集成化应用，极大地减少了变电站二次系统的联接，实现防误闭锁、程序化控制(顺控)、电压无功控制等功能的装置化。该装置的应用可大幅度减少变电站自动化系统的设备投资，有助于减少系统故障率，提闻系统稳定性。本发明是通过以下技术方案实现的本发明涉及一种变电站网络化测控系统，包括时钟同步模块、过程层网络模块、站控层网络模块、可编程逻辑模块和中央控制模块，其中时钟同步模块与过程层网络模块相连并输出时钟同步输出信息，过程层网络模块分别与可编程逻辑模块和中央控制模块相连并输出各间隔模拟量、开关量信息以及本地实时信息，可编程逻辑模块与中央控制模块相连并输出控制规则算法，站控层网络模块与中央控制模块相连接收防误闭锁规则算法、策略优化算法并输出来自电网调度集控站的SCD文件。本发明涉及上述系统的测控方法，包括以下步骤第一步、基于IEC61850体系的SV和GOOSE过程层网络，采集电流、电压及断路器状态信息，并基于IEEE1588机制同步SV和GOOSE过程层络上的装置。第二步、通过反映变电站一次、二次设备联系的S⑶文件，建立信息之间的对应关系，基于全站实时信息动态设备之间拓扑关系。第三步、依据电气操作原则建立间隔防误闭锁规则，实现间隔、全站“防误闭锁”一体化，装置化，实现基于实时动态防误闭锁逻辑的程序化操作。利用实时动态的防误闭锁逻辑，检查程序化操作命令的缜密性。第四步、利用实时拓扑推演结果，评估按照离线计算形成的控制策略(如电压无功控制、低周减载、备自投等)，实时评估控制策略与电网实际运行状态的匹配度，在线优化控制策略，实现全站控制策略的自适应，以嵌入式组态软件实现全站控制策略的装置化。
第五步、依据实时拓扑单元所提供的间隔实时拓扑对应关系，及过程层网络模块的信息存储单元所获取各间隔模拟量、开关量信息，进行各种參量计算，并将计算结果经站控层网络模块上送电网调度(集控站)；同时，接受来自电网调度(集控站)的操作命令，送至过程层网络模块的采集控制单元，执行控制操作命令。本发明通过提取过程层网络的SV和GOOSE信息，基干“全站、唯一、同步、标准”的信息源，构成集成“测控、防误闭锁、站域控制策略如(电压无功控制、低周减载、备自投等)功能”于一体的装置，充分体现IEC61850体系优化信息流的特征，实现信息“ー处采集、全站共享”。提高了变电站自动化系统的集成度。极大地简化了变电站自动化系统配置方案，使得变电站建设模式具有革命性变化，同时，为未来实现“自愈型”智能电网奠定了基础。
图I为本发明结构示意图。图2为实施例示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例如图I所示，本系统包括时钟同步模块、过程层网络模块、站控层网络模块、可编程逻辑模块和中央控制模块，其中时钟同步模块与过程层网络模块相连并输出时钟同步输出信息，过程层网络模块分别与可编程逻辑模块和中央控制模块相连并输出各间隔模拟量、开关量信息，可编程逻辑模块与中央控制模块相连并输出控制规则算法，站控层网络模块与中央控制模块相连接收防误闭锁规则算法、策略优化算法并输出来自监控后台系统的SCD文件。所述的时钟同步模块包括标准时间授时単元、时钟计算单元和同步信号输出单元，其中标准时间授时単元接收时钟源信号，如GPS、北斗等，作为同步基准源并输出至同步信号计算单元；同步信号计算单元对于所接收的同步基准源进行解码处理并建立基于IEEE1588同步机制；同步信号输出单元依据IEEE1588同步机制输出时钟同步输出信息至过程层网络，实现对于过程层网络模块中IED装置的同歩。所述的过程层网络模块包括采集控制単元、数据解码単元和信息存储单元；其中采集控制単元通过过程层SV网络交换机采集各间隔反映一次电流、电压的SV报文，通过过程层GOOSE网络交换机收集反映断路器、隔离刀闸状态的GOOSE报文；接收来自时钟同步模块的时钟同步输出信息，基于IEEE1588同步机制，实现对于过程层网络上IED设备的同步；接受来自中央控制模块的操作控制命令，送至过程层IED装置执行操作命令；数据解码单元将SV报文及GOOSE报文按照IEC61850标准，解析成对应于各间隔的模拟量和开关量信息；信息存储单元将经解析的各间隔模拟量、开关量信息保留在缓存区，以备调用。所述的站控层网络模块包括数据通信単元、端ロ管理単元和数据传输単元，其中数据通信単元实现站控层与监控后台系统或电网调度(集控站)的信息交互(如S⑶文件等)，上送本地信息，接收下行控制命令等信息；端ロ管理単元实现对于站控层网络的访问控制、阻止非法访问以及安全访问的授权管理；数据传输単元将来自经安全审计的站控层信息送至中央控制模块，并接受的辅助系统IED信息送至监控后台系统。所述的中央控制模块包括第一数据接收单元、模型映射単元、实时拓扑单元、防误闭锁逻辑单元、策略优化单元和综合测控单元，其中第一数据接收单元从过程层网络模块的信息存储单元中获取各间隔模拟量、开关量信息，构成各种功能实现的基础信息源；模型映射单元从站控层网络模块的数据传输单元中获取SCD文件，建立变电站一、二次拓扑关系；实时拓扑单元从第一数据接收单元获取本地实时信息，基于模型映射単元建立的拓扑关系，构建基于间隔的实时拓扑对应关系，并将结果送入综合测控单元；防误闭锁逻辑单元，依据电气操作原理，构建防误闭锁规则算法，并将算法原理经第一数据接收単元送至可编程逻辑模块，并接受可编程逻辑模块的计算结果；据此，对于各种操作命令(如程序化控制等)进行防误闭锁判断，给出许可操作或禁止操作命令；策略优化单元事先存入离线计算获得的控制策略表，依据实时拓扑推演的策略优化算法经第一数据接收単元送至可编程逻辑模块，并接受可编程逻辑模块的计算結果。据此，评估按照离线计算形成的控制策略 (如电压无功控制、低周减载、备自投等)，实时评估控制策略与电网实际运行状态的匹配度；综合测控单元依据实时拓扑单元所提供的间隔实时拓扑对应关系，及过程层网络模块的信息存储单元所获取各间隔模拟量、开关量信息，进行各种參量计算，并将计算结果经站控层网络模块上送监控后台系统及电网调度(集控站)；同时，接受来自监控后台系统或电网调度(集控站)的操作命令，送至过程层网络模块的采集控制单元，执行控制操作命令。所述的可编程逻辑模块包括第二数据接收単元、功能建模单元和逻辑计算单元，其中；第二数据接收単元接收来自中央控制模块的控制规则算法，以及来自过程层网络模块信息存储单元的本地实时信息，构成功能建模所需的算法原理及逻辑计算所需的信息源；功能建模单元根据用户定义的各种算法原理，基于IEC61131建立功能模型，构建逻辑计算单元的算法规则；逻辑计算单元依据所确定的功能模型及实时信息，实现各种用户定义的计算，并将计算结果送至中央控制模块的第一数据接收単元。上述系统通过以下步骤进行检测SlOO :过程层网络模块接收时钟同步模块的同步对时信息，通过基于IEC61850体系的SV和GOOSE过程层网络，实现基于IEEE1588的同步对时；采集同步后的电流、电压及断路器状态信息。使信息具有“全站、唯一、同步、标准”的特征。在本申请实施方法中，过程层网络模块通过过程层的SV网络和GOOSE网络，基于IEEE1588实现各间隔IED的同步对时，并获取全站各间隔的同步信息，为基于全站信息的
应用奠定基础。S200 :中央控制模块通过接收站控层网络模块反映变电站一次、二次设备联系的SCD文件，并经过程层网络模块接收“全站、唯一、同步、标准”的实时信息，建立信息之间的拓扑对应关系。在本申请实施方法中，利用装置获得的“全站、唯一、同步、标准”信息的特点，根据SCD文件所建立的变电站一、二次设备的逻辑关系，构建变电站运行期间设备之间的拓扑关系OS300 :可编程逻辑模块经过程层网络模块获取“全站、唯一、同步、标准”的实时信息，依据中央控制模块所提供的电气操作原则算法，基于IEC61131建立间隔防误闭锁计算规则，并实时计算动态的防误闭锁逻辑，实现间隔、全站防误闭锁一体化，装置化。检查程序化操作命令的缜密性，提高程序化操作的可靠性和效率。S400 :可编程逻辑模块经过程层网络模块获取“全站、唯一、同步、标准”的实时信息，依据中央控制模块所提供的控制策略算法，基于IEC61131建立控制策略计算规则，利用实时拓扑推演结果，评估按照离线计算形成的控制策略(如电压无功控制、低周减载、备自投等)，实时评估控制策略与电网实际运行状态的匹配度，在线优化控制策略。在本申请实施方法中，由可编程逻辑模块经过程层网络模块获取“全站、唯一、同步、标准”的实时信息，依据中央控制模块所提供的控制策略算法，基于IEC61131建立控制策略计算规则，利用实时拓扑推演结果，评估按照离线计算形成的控制策略(如电压无功控制、低周减载、备自投等)与电网实际运行状态的匹配度。在线优化控制策略，实现全站控制策略的自适应，以嵌入式组态软件实现全站控制策略的装置化。
S500:依据实时拓扑单元所提供的间隔实时拓扑对应关系，及过程层网络模块的信息存储单元所获取各间隔模拟量、开关量信息，进行各种參量计算，并将计算结果经站控层网络模块上送监控后台系统及电网调度(集控站)；同时，接受来自监控后台系统或电网调度(集控站)的操作命令，送至过程层网络模块的采集控制单元，执行控制操作命令。如图I所示，在本申请实施方法中，中央控制模块依据实时拓扑单元所提供的间隔实时拓扑对应关系，及过程层网络模块的信息存储单元所获取各间隔模拟量、开关量信息，进行各种參量计算，并将计算结果经站控层网络模块上送监控后台系统及电网调度(集控站)；同时，接受来自监控后台系统或电网调度(集控站)的操作命令，送至过程层网络模块的采集控制単元，执行控制操作命令。由上可见，本申请实施例提供的变电站网络化测控系统，在过程层SV网络和GOOSE网络完成全站信息采集的基础上，可依据基于IEC61850体系的“全站、唯一、同步、标准”信息的特征，依据SCD文件实时推演变电站设备的逻辑关系。实时动态确定防误闭锁规贝1J，实现间隔、全站“防误闭锁” 一体化。动态检查程序化操作命令的缜密性，提高程序化操作的效率。动态检查依据离线计算的全站式控制策略与实际变电站运行情况的匹配度，采取优化技术，实现全站式控制策略(电压无功控制、低周减载、备自投等)的自适应。装置将极大筒化变电站自动化系统的配置方案，提高信息应用的集成度和系统的可靠性。
权利要求
1.ー种变电站网络化测控系统，包括时钟同步模块、过程层网络模块、站控层网络模块、可编程逻辑模块和中央控制模块，其中时钟同步模块与过程层网络模块相连并输出时钟同步输出信息，过程层网络模块分别与可编程逻辑模块和中央控制模块相连并输出各间隔模拟量、开关量信息以及本地实时信息，可编程逻辑模块与中央控制模块相连并输出控制规则算法，站控层网络模块与中央控制模块相连接收防误闭锁规则算法、策略优化算法并输出来自监控后台系统的SCD文件； 所述的中央控制模块包括第一数据接收単元、模型映射単元、实时拓扑单元、防误闭锁逻辑単元、策略优化单元和综合测控单元，其中第一数据接收単元从过程层网络模块的信息存储单元中获取各间隔模拟量、开关量信息，构成各种功能实现的基础信息源；模型映射单元从站控层网络模块的数据传输单元中获取SCD文件，建立变电站一、二次拓扑关系；实时拓扑单元从第一数据接收单元获取本地实时信息，基于模型映射単元建立的拓扑关系，构建基于间隔的实时拓扑对应关系，并将结果送入综合测控单元；防误闭锁逻辑单元，依据电气操作原理，构建防误闭锁规则算法，并将算法原理经第一数据接收単元送至可编程逻辑模块，并接受可编程逻辑模块的计算结果；据此，对于各种操作命令进行防误闭锁判断，给出许可操作或禁止操作命令；策略优化单元事先存入离线计算获得的控制策略表，依据实时拓扑推演的策略优化算法经第一数据接收単元送至可编程逻辑模块，并接受可编程逻辑模块的计算结果，据此，评估按照离线计算形成的控制策略，实时评估控制策略与电网实际运行状态的匹配度；综合测控单元依据实时拓扑单元所提供的间隔实时拓扑对应关系，及过程层网络模块的信息存储单元所获取各间隔模拟量、开关量信息，进行各种參量计算，并将计算结果经站控层网络模块上送监控后台系统及电网调度或集控站；同时接受来自监控后台系统或电网调度或集控站的操作命令，送至过程层网络模块的采集控制单元，执行控制操作命令。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征是，所述的时钟同步模块包括标准时间授时单元、时钟计算单元和同步信号输出单元，其中标准时间授时単元接收时钟源信号，如GPS、北斗等，作为同步基准源并输出至同步信号计算单元；同步信号计算单元对于所接收的同步基准源进行解码处理并建立基于IEEE1588同步机制；同步信号输出单元依据IEEE1588同步机制输出时钟同步输出信息至过程层网络，实现对于过程层网络模块中IED装置的同步。
3.根据权利要求I所述的系统，其特征是，所述的过程层网络模块包括采集控制单元、数据解码単元和信息存储单元；其中采集控制単元通过过程层SV网络交换机采集各间隔反映一次电流、电压的SV报文，通过过程层GOOSE网络交换机收集反映断路器、隔离刀闸状态的GOOSE报文；并接收来自时钟同步模块的时钟同步输出信息，基于IEEE1588同步机制，实现对于过程层网络上IED设备的同步；接受来自中央控制模块的操作控制命令，送至过程层IED装置；数据解码单元将SV报文及GOOSE报文按照IEC61850标准，解析成对应于各间隔的模拟量和开关量信息；信息存储单元将经解析的各间隔模拟量、开关量信息保留在缓存区，以备调用。
4.根据权利要求I所述的系统，其特征是，所述的站控层网络模块包括数据通信单元、端ロ管理単元和数据传输単元，其中数据通信単元实现站控层与监控后台系统、电网调度或集控站的信息交互，上送本地信息，接收下行控制命令等信息；端ロ管理単元实现对于站控层网络的访问控制、阻止非法访问以及安全访问的授权管理；数据传输単元将来自经安全审计的站控层信息送至中央控制模块，并接受来自辅助系统IED信息，经数据通信服务送至监控后台系统。
5.根据权利要求I所述的系统，其特征是，所述的可编程逻辑模块包括第二数据接收单元、功能建模单元和逻辑计算单元，其中；第二数据接收単元接收来自中央控制模块的控制规则算法以及来自过程层网络模块信息存储单元的本地实时信息，构成功能建模所需的算法原理及逻辑计算所需的信息源；功能建模单元根据用户定义的各种算法原理，基于IEC61131建立功能模型，构建逻辑计算単元的算法规则；逻辑计算单元依据所确定的功能模型及实时信息，实现各种用户定义的计算，并将计算结果送至中央控制模块。
6.一种根据上述任ー权利要求所述系统的测控方法，其特征在于，包括以下步骤 第一歩、基于IEC61850体系的SV和GOOSE过程层网络，采集电流、电压及断路器状态信息，并基于IEEE1588机制同步SV和GOOSE过程层络上的装置； 第二步、通过反映变电站一次、二次设备联系的SCD文件，建立信息之间的对应关系，基于全站实时信息动态设备之间拓扑关系； 第三步、依据电气操作原则建立间隔防误闭锁规则，实现间隔、全站防误闭锁一体化，装置化，实现基于实时动态防误闭锁逻辑的程序化操作。利用实时动态的防误闭锁逻辑，检查程序化操作命令的缜密性； 第四步、利用实时拓扑推演结果，评估按照离线计算形成的控制策略，实时评估控制策略与电网实际运行状态的匹配度，在线优化控制策略，实现全站控制策略的自适应，以嵌入式组态软件实现全站控制策略的装置化； 第五步、依据实时拓扑单元所提供的间隔实时拓扑对应关系，及过程层网络模块的信息存储单元所获取各间隔模拟量、开关量信息，进行各种參量计算，并将计算结果经站控层网络模块上送电网调度；同时接受来自监控后台系统或电网调度或集控站的操作命令，送至过程层网络模块的采集控制单元，经过程层网络下送至IED执行控制操作命令。
7.根据权利要求6所述的测控方法，其特征是，所述的控制策略包括电压无功控制、低周减载和备自投。
全文摘要
一种智能变电站二次控制技术领域的智能变电站网络化测控系统及其方法，该系统包括时钟同步模块、过程层网络模块、站控层网络模块、可编程逻辑模块和中央控制模块，时钟同步模块与过程层网络模块相连并输出时钟同步输出信息，过程层网络模块分别与可编程逻辑模块和中央控制模块相连并输出各间隔模拟量、开关量信息以及本地实时信息，可编程逻辑模块与中央控制模块相连并输出控制规则算法，站控层网络模块与中央控制模块相连接收防误闭锁规则算法、策略优化算法并输出来自监控后台系统的SCD文件。本发明通过网络化测控可以涵盖多个间隔乃至全站，实现智能变电站基于网络化信息共享机制的高度集成化应用，有助于优化系统配置方案，减少系统故障率，提高系统的稳定性。
文档编号H02J13/00GK102694420SQ20121018775
公开日2012年9月26日 申请日期2012年6月8日 优先权日2012年6月8日
发明者高翔 申请人:上海毅昊自动化有限公司