牵引变电所集中式保护控制系统及该系统的运行方法
【专利摘要】本发明公开了牵引变电所集中式保护控制系统，包括系统总线及连接在系统总线上的智能操作模块、GOOSE报文接收解码模块、GOOSE报文发送模块、备自投模块、开关闭锁模块、通信模块及人机交互模块，本发明还公开了牵引变电所集中式保护控制系统及该系统的运行方法，采用本发明控制牵引变电所运行时便于信息共享、且能提高整体协调性，操作方便。
【专利说明】牵引变电所集中式保护控制系统及该系统的运行方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及牵引变电所，具体是牵引变电所集中式保护控制系统及该系统的运行方法。
【背景技术】
[0002]牵引变电所为电力牵引的专用变电所，其是向电气化铁道或城市轨道交通电力牵引等提供电能和变换、分配电能的电气装置与设施，其功能是将电力系统的三相交流电经降压、整流或变频后供电力机车或动车组使用。牵引变电所的保护控制系统作为牵引变电所的控制中心，其用于分析接收的信息数据并发出相应指令，其在牵引变电所的智能化控制中扮演着重要的角色。现有牵引变电所的保护控制系统主要采用分层分布式结构，面向间隔，功能独立，可靠性较高，但存在信息不能共享、缺乏整体的协调性等不足。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种便于信息共享、且能提高整体协调性的牵引变电所集中式保护控制系统及该系统的运行方法。
[0004]本发明的目的主要通过以下技术方案实现:
牵引变电所集中式保护控制系统，包括系统总线及连接在系统总线上的智能操作模块、G00SE报文接收解码模块、G00SE报文发送模块、备自投模块、开关闭锁模块、通信模块及人机交互模块，其中:
G00SE报文接收解码模块用于接收智能操作模块发送的开关位置的G00SE报文并对其进行解析，再将解析得到的信息发送给备自投模块和开关闭锁模块；
G00SE报文发送模块用于发送跳闸、合闸信息给智能操作模块；
备自投模块根据断路器和隔离开关的位置信息识别牵引变电所的工作方式，对变压器故障、进线有压及进线失压进行判断，并发出控制断路器和开关开合的信号至智能操作模块；
开关闭锁模块接收G00SE报文接收解码模块解码后的开关、断路器位置信息，并判断是否进行闭锁操作后把判断结果发送至G00SE报文发送模块；
通信模块用于对备自投模块和开关闭锁模块与人机交互模块之间进行信息的传递；
人机交互模块用于信息的录入和输出；
智能操作模块用于向G00SE报文接收解码模块发送当前的开关位置信息，接收备自投模块发送的控制断路器和开关开合的信号，以及接收并解析开关闭锁模块发送的闭锁信息，进而发出相应的控制指令。
[0005]本发明创造中备自投功能主要包括自投运行方式判别并根据配置文件完成主变故障备用变压器自动投入、进线失压备用电源自动投入等备自投功能。执行备自投逻辑的过程中，如果开关不能正常的闭合或断开、联络信号出现故障，备自投逻辑自动中断，并给出故障信息。本发明中备自投功能的实现主要通过变压器主保护装置、后备保护装置、主变测控装置以及智能接口单元等相互配合实现。本发明创造中开关闭锁模块所依赖的防误闭锁装置可以有效的防止由于误操作正在运行的电气设备而引发的人身和重大设备事故。本发明创造所依赖的可操作的一次设备主要包括断路器、隔离开关、接地线或者地刀。所谓闭锁逻辑，实际上就是为断路器、隔离开关和地刀或者接地线设定操作条件，以便满足“五防”要求:(1)防止误分、误合断路器；(2)防止带负荷分、合隔离开关；(3)防止误入带电间隔；
(4)防止带电合地刀或者接地线；(5)防止带地刀或者接地线合闸。
[0006]本发明创造中米用G00SE(GenericObject Oriented Substat1n Events通用面向对象变电站事件的略称)的基本目的是为了传输控制信号、跳闸信号、备自投开合闸信号等快速通用变电站事件，需要极高的实时性和可靠性，所以对于实时性，按照IEC61850-8-1中的映射规定，报文经过ASN.1编码后直接映射到IS0/IEC8802-3以太网。而并非采用常规的基于TCP/IP协议的四层网络结构。该协议结构复杂，建立握手连接，封包传输及接收解析等需要占用大量时间，故无法满足实时性要求。G00SE网络通信架构基于物理层和链路层两层结构，采用IS08802.2 LLC1协议通信。在传输中主要采用多播交换方式，接收终端只需判明报文的目的地址即可，节省了大量时间。
[0007]本发明创造中通信模块的任务是与集中式保护控制进行通信并完成信息的交互，也可完成巡检及人机交互模块的通信功能。通信模块将集中式保护控制装置的各种信息按规约传送到人机交互模块；同时，通信模块还要完成遥测与遥信信息的上传以及接收上位机传送的遥控信息。人机交互模块的主要功能是与后台、液晶、工具软件、RTU以及通信任务模块进行信息的交换。其中，人机交互模块与液晶的连接通常采用串口的方式通信，而与工具软件、后台及RTU通常采用光纤以太网进行通信。
[0008]牵引变电所集中式保护控制系统的运行方法，包括以下步骤:
步骤一、保护控制系统初始化；
步骤二、智能操作模块获取当前开关位置信息后按照G00SE编码开关位置信息，并将编码后的开关位置信息发送至G00SE报文接收解码模块；
步骤三、G00SE报文接收解码模块将接收到的开关位置信息进行解析后发送至备自投模块和开关闭锁模块；
步骤四、备自投模块对收到的开关位置信息进行识别和判断，并经判断后发出控制断路器和开关开合的信息至G00SE报文发送模块，开关闭锁模块对收到的开关位置信息进行判断后将判断结果发送至G00SE报文发送模块；
步骤五、G00SE报文发送模块将接收到的备自投模块发送的信息和开关闭锁模块发送的信息进行编码，再将编码后的信息发送至智能操作模块，并由智能操作模块发出控制指令。本发明在未收到软件系统运行的停止命令时，重复进行步骤二至步骤五。
[0009]所述步骤一中对智能操作模块进行初始化处理包括设定开关和断路器的个数、设定集中式保护控制系统的APPID帧信息及设定各断路器和开关的初始状态。
[0010]所述步骤二至步骤五中智能操作模块处理断路器和开关开合的信息包括以下步骤:
步骤a、解析接收到的G00SE报文APPID帧信息；
步骤b、判断是否是订阅的APPID帧信息，若是则进行下一步，若否则处理结束；
步骤c、解析接收到的G00SE报文数据集； 步骤d、获取当前开关和智能断路器的开合闸命令；
步骤e、将获取的开合闸命令循环比对其与命令前各开关或智能断路器的开合闸状态；
步骤f、判断命令中该开关或智能断路器状态与命令前状态是否不同，若不同则进行步骤g，若相同则跳过步骤g直接进入步骤h ；
步骤g、将该开关或智能断路器信息加入自定义的状态变化量；
步骤h、判断是否所有开关和智能断路器遍历完成，若是则进行下一步骤，否则返回步骤e;
步骤1、判断开关或智能断路器是否正常工作，若是则进入步骤j，若否直接处理结束； 步骤j、发送当前开关和智能断路器的位置状态GOOSE报文，发送完成后处理结束。
[0011]G00SE模型中允许订阅者以C/S的通信模式读取或设置发布者的控制块属性，G00SE 的控制块的定义属性名包括 GoCBNam、GoEna、GoCBRef、DatSet、ConfRev、AppID 及NdsCom，其中，GOOSE控制块名GoCBName是唯一标识在LLNO作用域内的GoCB，GOOSE控制块属性GoCBRef是LLN0作用域内GoCB唯一路径名，G00SE是否发送由G00SE使能GoEna决定，当属性为TRUE时表示当前能发送G00SE报文，反之则表示停止发送G00SE报文，应用标识示APPID作为变电站作用域内各个设备的内部标识，订阅者可以通过匹配APPID方式来判断G00SE报文是否为自己需要的报文。DatSet属性代表DATA-SET引用，DATA-SET成员值正在被传送。配置版本ConfRev属性表示DATA-SET配置是否改变，当DATA-SET成员发生改变，会引起ConfRev的数值改变。是否重新配置NdsCom属性表示是否需要配置GoCB，GOOSE正常通信时NdsCom属性为FALSE，若DatSet属性值为NULL时，NdsCom值为TRUE，表示 GoCB 需要配置。GOOSE服务定义为 SendGOOSEMessage、GetGoReference、GetGoCBValues、GetGOOSEElementNumber.SetGoCBValues 5 类。其中 SendGOOSEMessage 被用于 G00SE 报文传输，其他4类均是用于G00SE控制块属性。客户通过GetGoReference、GetGoCBValues、GetGOOSEElementNumber可以读取GOOSE控制块相应的参数，而SetGoCBValues服务可以修改G00SE控制块中GoEna和AppID等属性，从而改变G00SE报文传输特性。需要说明的是，在GoCB使能时，必须先设置GoEna为FALSE，否则设置将失败。
[0012]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:(1)本发明包括系统总线及连接在系统总线上的智能操作模块、G00SE报文接收解码模块、G00SE报文发送模块、备自投模块、开关闭锁模块、通信模块及人机交互模块，本发明整体结构简单，便于实现，且本发明运行时将全部信息集中于一个计算机系统中，实现控制一体化和全所数据的实时共享，进而可提高整体的协调性，且能避免硬件重复配置。
[0013](2)本发明在进行过程中G00SE报文接收解码任务、G00SE报文编码发送任务、备自投任务、开关闭锁任务及通信任务均在同一个进程内进行，这能减小本发明运行时所基于的Windows操作系统内存开销，且能避免多个进程间进行通讯所存在的操作难度。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明实施例的保护控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的保护控制系统运行方法流程图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0016]实施例:
如图1所示，牵引变电所集中式保护控制系统，包括系统总线及连接在系统总线上的智能操作模块、G00SE报文接收解码模块、G00SE报文发送模块、备自投模块、开关闭锁模块、通信模块及人机交互模块。其中，G00SE报文接收解码模块用于接收智能操作模块发送的开关位置的G00SE报文并对其进行解析，再将解析得到的信息发送给备自投模块和开关闭锁模块。G00SE报文发送模块用于发送跳闸、合闸信息给智能操作模块。备自投模块根据断路器和隔离开关的位置信息识别牵引变电所的工作方式，对变压器故障、进线有压及进线失压进行判断，并发出控制断路器和开关开合的信号至智能操作模块。开关闭锁模块接收G00SE报文接收解码模块解码后的开关、断路器位置信息，并判断是否进行闭锁操作后把判断结果发送至G00SE报文发送模块。通信模块用于对备自投模块和开关闭锁模块与人机交互模块之间进行信息的传递。人机交互模块用于信息的录入和输出。智能操作模块用于向G00SE报文接收解码模块发送当前的开关位置信息，接收备自投模块发送的控制断路器和开关开合的信号，以及接收并解析开关闭锁模块发送的闭锁信息，进而发出相应的控制指令。
[0017]如图2所示，牵引变电所集中式保护控制系统的运行方法，包括以下步骤:保护控制系统初始化、智能操作模块获取开关位置信息并编码后发送、解析编码后的开关位置信息并将解析后信息发送至备自投模块和开关闭锁模块、备自投模块和开关闭锁模块判断开关位置信息后发出相应指令、智能操作模块执行判断后指令，保护控制系统运行过程中在初始化后。其中，保护控制系统初始化中对智能操作模块进行初始化处理包括设定开关和断路器的个数、设定集中式保护控制系统的APPID帧信息及设定各断路器和开关的初始状态。智能操作模块获取开关位置信息并编码后发送的具体过程为:智能操作模块获取当前开关位置信息后按照G00SE编码开关位置信息，并将编码后的开关位置信息发送至G00SE报文接收解码模块。解析编码后的开关位置信息并将解析后信息发送至备自投模块和开关闭锁模块的具体过程为:G00SE报文接收解码模块将接收到的开关位置信息进行解析后发送至备自投模块和开关闭锁模块。备自投模块和开关闭锁模块判断开关位置信息后发出相应指令的具体过程为:备自投模块对收到的开关位置信息进行识别和判断，并经判断后发出控制断路器和开关开合的信息至G00SE报文发送模块，开关闭锁模块对收到的开关位置信息进行判断后将判断结果发送至G00SE报文发送模块。智能操作模块执行判断后指令的具体过程为:G00SE报文发送模块将接收到的备自投模块发送的信息和开关闭锁模块发送的信息进行编码，再将编码后的信息发送至智能操作模块，并由智能操作模块发出控制指令。
[0018]智能操作模块处理断路器和开关开合的信息包括以下步骤:步骤a、解析接收到的G00SE报文APPID帧信息；步骤b、判断是否是订阅的APPID帧信息，若是则进行下一步，若否则处理结束；步骤c、解析接收到的G00SE报文数据集；步骤d、获取当前开关和智能断路器的开合闸命令；步骤e、将获取的开合闸命令循环比对其与命令前各开关或智能断路器的开合闸状态；步骤f、判断命令中该开关或智能断路器状态与命令前状态是否不同，若不同则进行步骤g，若相同则跳过步骤g直接进入步骤h;步骤g、将该开关或智能断路器信息加入自定义的状态变化量；步骤h、判断是否所有开关和智能断路器遍历完成，若是则进行下一步骤，否则返回步骤e ;步骤1、判断开关或智能断路器是否正常工作，若是则进入步骤j，若否直接处理结束；步骤j、发送当前开关和智能断路器的位置状态GOOSE报文，发送完成后处理结束。
[0019]牵引变电所集中式保护控制系统运行时基于WINCAP的以太网通信，ffinpcap是基于Windows平台的，可以用以抓包和分析的工具，它可以绕过协议栈捕获并传送网络数据包。winpcap提供了两个不同的动态链接库packet, dll和wpcap.dll。其中packet,dll提供了一个底层的应用程序接口(API)，通过API可以直接访问网络设备驱动，而与Microsoft操作系统没有关系；wpcap.dll是一个高层的强大捕获程序库，与Uinx下的libpcap兼容，它独立于下层的网络硬件和操作系统。Winpcap捕获系统需要占用操作系统的协议栈，这样才能访问通过网络的原始数据。因此需要有部分内容运行在操作系统内核中，能够直接访问网络接口驱动。这部分内容对系统的依赖性很强，在winpcap中，它被称为 Netgroup Packet Filter ( NPF)。
[0020]根据IEC 61850标准，G00SE报文在数据链路层上采用ISO/ IEC 8802.3协议(即以太网协议)，但在标准的以太网报文头加入了一个Tag，Tag中包含了 12 bit的虚拟局域网标识码和3 bit的报文优先级码。因为G00SE报文是从应用层直接映射到数据链路层的，而报文内容是数据链路层的数据，并不包含诸如TCP和UDP等协议报文头，其数据是根据制造报文规范和ASN.1标准进行编码的。在编码中，G00SE传送的数据allData所反映的信息直接决定相应执行器的动作，是G00SE报文中至关重要的内容。
[0021]本实施例中G00SE报文编码过程中首先获取本机MAC地址，之后获取本机以太网网卡名称，以便启动一个WinPcap会话，打开一个WinPcap会话，准备开始发送以太网报文，将allData域的缓冲区指针传递给编码函数以便计算各个部分所需要的长度值，若传入的缓冲区过大，超过以太网报文最大字节数，则返回失败码，再将广播或多播地址放入以太网首部的前面6个字节，即目的地址，而本机地址则放入随后的6字节，sqNum从0x00000000开始递增，每发送一次G00SE报文递增1，配置版本confRev由用户指定，缺省值为0x00000001。若软件实现备自投功能，G00SE报文编码发送多路跳合闸命令，对G00SE跳合闸报文选择SPC可控单点类，一个SPC对象控制一路断路器或隔离开关的跳合闸。alldata域包涵13路断路器和隔离开关跳合闸信息,true表示跳闸，false表示合闸，跳闸编码为0x83-01-01，合闸编码为0x83-01-00，若和之前的状态保持不变则编码方式和之前的一致。
[0022]本实施例中G00SE报文解码时首先获取本机MAC地址和本机以太网网卡内部名称，并对网卡名称进行一定的修饰，再根据修饰后的名称打开一个WinPcap通信会话，若无法获得有效的会话句柄，则可能是网卡未连接或网卡工作故障，程序显示错误信息并退出，若会话句柄有效，则接收报文，通过解析收到报文的目的MAC地址判断是否为多播或广播报文，通过解析其优先级tag以及以太网类型判断是不是合法的G00SE报文。若是合法的G00SE报文，则解析应用层定义协议数据单元PDU首部，解码获取该报文的APPID，判断是否是本设计感兴趣的G00SE报文，若不是则直接进入下一循环；若是感兴趣的报文则解码获取报文的生存时间和发送时间，判断报文是否过期，若未过期，则提取该报文的allData域。在GOOSE报文解码的过程中，需要注意:要先订阅G00SE，才能接收GOOSE信号，可以订阅多个MAC地址下的信息。
[0023]如上所述，则能很好的实现本发明。
【权利要求】
1.牵引变电所集中式保护控制系统，其特征在于，包括系统总线及连接在系统总线上的智能操作模块、GOOSE报文接收解码模块、GOOSE报文发送模块、备自投模块、开关闭锁模块、通信模块及人机交互模块，其中: GOOSE报文接收解码模块用于接收智能操作模块发送的开关位置的GOOSE报文并对其进行解析，再将解析得到的信息发送给备自投模块和开关闭锁模块； GOOSE报文发送模块用于发送跳闸、合闸信息给智能操作模块； 备自投模块根据断路器和隔离开关的位置信息识别牵引变电所的工作方式，对变压器故障、进线有压及进线失压进行判断，并发出控制断路器和开关开合的信号至智能操作模块； 开关闭锁模块接收GOOSE报文接收解码模块解码后的开关、断路器位置信息，并判断是否进行闭锁操作后把判断结果发送至GOOSE报文发送模块； 通信模块用于对备自投模块和开关闭锁模块与人机交互模块之间进行信息的传递； 人机交互模块用于信息的录入和输出； 智能操作模块用于向GOOSE报文接收解码模块发送当前的开关位置信息，接收备自投模块发送的控制断路器和开关开合的信号，以及接收并解析开关闭锁模块发送的闭锁信息，进而发出相应的控制指令。
2.如权利要求1所述的牵引变电所集中式保护控制系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一、保护控制系统初始化； 步骤二、智能操作模块获取当前开关位置信息后按照GOOSE编码开关位置信息，并将编码后的开关位置信息发送至GOOSE报文接收解码模块； 步骤三、GOOSE报文接收解码模块将接收到的开关位置信息进行解析后发送至备自投模块和开关闭锁模块； 步骤四、备自投模块对收到的开关位置信息进行识别和判断，并经判断后发出控制断路器和开关开合的信息至GOOSE报文发送模块，开关闭锁模块对收到的开关位置信息进行判断后将判断结果发送至GOOSE报文发送模块； 步骤五、GOOSE报文发送模块将接收到的备自投模块发送的信息和开关闭锁模块发送的信息进行编码，再将编码后的信息发送至智能操作模块，并由智能操作模块发出控制指令。
3.根据权利要求2所述的牵引变电所集中式保护控制系统的运行方法，其特征在于，所述步骤一中对智能操作模块进行初始化处理包括设定开关和断路器的个数、设定集中式保护控制系统的APPID帧信息及设定各断路器和开关的初始状态。
4.根据权利要求2所述的牵引变电所集中式保护控制系统的运行方法，其特征在于，所述步骤二至步骤五中智能操作模块处理断路器和开关开合的信息包括以下步骤: 步骤a、解析接收到的GOOSE报文APPID帧信息； 步骤b、判断是否是订阅的APPID帧信息，若是则进行下一步，若否则处理结束； 步骤C、解析接收到的GOOSE报文数据集； 步骤d、获取当前开关和智能断路器的开合闸命令； 步骤e、将获取的开合闸命令循环比对其与命令前各开关或智能断路器的开合闸状态； 步骤f、判断命令中该开关或智能断路器状态与命令前状态是否不同，若不同则进行步骤g，若相同则跳过步骤g直接进入步骤h; 步骤g、将该开关或智能断路器信息加入自定义的状态变化量； 步骤h、判断是否所有开关和智能断路器遍历完成，若是则进行下一步骤，否则返回步骤e ; 步骤1、判断开关或智能断路器是否正常工作，若是则进入步骤j，若否直接处理结束； 步骤j、发送当前开关和智能断路器的位置状态GOOSE报文，发送完成后处理结束。
【文档编号】H02J13/00GK104426241SQ201310396845
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年9月4日 优先权日:2013年9月4日
【发明者】龚伶 申请人:龚伶