智能化GIS狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主IED研究

段繼洲 張永強 葉 瑞 查笑春 王邦健

（西安西電開關電氣有限公司，西安 710077）

目前，在實現(xiàn)基于IEC61850 標準的智能化變電站時，面向過程層和元件的設計思想使得現(xiàn)有IED數(shù)量增多，各自組網(wǎng)，占用了大量的網(wǎng)絡資源，并在網(wǎng)絡接口能力、整體功能協(xié)同方面有局限性。

根據(jù)IEC61850 標準的要求，如果要實現(xiàn)網(wǎng)絡冗余，那么過程層IED 需配置2 個以太網(wǎng)接口以接入站級總線。此外，為提高過程總線的實時性并實現(xiàn)網(wǎng)絡冗余，還需要配置多個以太網(wǎng)接口與過程級的設備組網(wǎng)通信。要滿足智能化變電站所要求的網(wǎng)絡接口能力，那么IED 的主體硬件結構要改變，軟件系統(tǒng)也要更新，成本將會大幅度提升，開發(fā)周期也會相應加長。

1 系統(tǒng)結構

將所有監(jiān)測IED 的監(jiān)測結果，由一個獨立工作的主IED分析、存儲和上傳站控層，能有效減少接口數(shù)量，使其它監(jiān)測IED 高效工作，不必實時與站控層進行數(shù)據(jù)交互，各監(jiān)測IED 不用改變主體硬件結構。主IED 大幅度減少網(wǎng)絡節(jié)點，減輕網(wǎng)絡流量，簡化網(wǎng)絡結構，解決了以上的現(xiàn)狀問題，提高了系統(tǒng)可靠性。

2 功能

根據(jù)GIS 在線監(jiān)測的特征量，在IEC61850 標準模型基礎上進行信息建模和服務建模。IEC61850規(guī)范了數(shù)據(jù)模型、服務以及建模方法。總體系統(tǒng)圖如圖1所示，GIS 在線監(jiān)測主IED 具備的功能如下：

1）承擔所有監(jiān)測IED 監(jiān)測結果的綜合分析，并存入數(shù)據(jù)庫和文件，通過站控層網(wǎng)絡報告綜合分析結果。

2）站控層通過網(wǎng)絡經(jīng)由主IED 召喚各監(jiān)測IED 的監(jiān)測數(shù)據(jù)；就地：可通過一體工控機液晶觸摸屏顯示在線監(jiān)測結果；遠方：通過站控層后臺顯示綜合分析結果，遠方經(jīng)由主IED 召喚監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3）預留RS-485、光纖等通信口。

圖1 主IED 系統(tǒng)圖

3 硬件結構

因為各監(jiān)測IED 的監(jiān)測結果通過過程層網(wǎng)絡向主IED 報告自評估結果。監(jiān)測功能組主IED 承擔所有監(jiān)測IED 監(jiān)測結果的綜合分析，并與過程層、站控層進行信息互動。所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大、存儲文件多、數(shù)據(jù)上傳實時性高。所以對硬件系統(tǒng)要求很高。為達到系統(tǒng)的性能要求，硬件系統(tǒng)需要有很高的數(shù)據(jù)處理能力、實時響應能力和可靠性。硬件系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 主IED 硬件系統(tǒng)結構圖

3.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用嵌入式PC，有最大1660M 頻率的雙核CPU，支持DDRⅢ內(nèi)存最大到2GB，支持多個串口通信接口和 USB2.0 通信接口，有 2 個10/100M 以太網(wǎng)接口；硬件平臺支持WinCE6.0 或WindowsXPE 嵌入式操作系統(tǒng)，能夠支持CF 卡啟動；具有增強的IDE 總線接口和PC/104 外部擴展接口。

3.2 電源模塊

電源模塊具有交直流兩用、高效率、高可靠性、低功耗、安全隔離等優(yōu)點，供電輸入為DC110、DC220、AC220。能可靠為系統(tǒng)供電，并具有短路保護、低紋波、噪聲特點。

3.3 存儲系統(tǒng)

數(shù)據(jù)存儲選用500G 大容量硬盤,控制系統(tǒng)通過IDE 總線進行數(shù)據(jù)存儲。

3.4 通信接口

雙485 接口與有RS485 總線的監(jiān)測IED 通信，實時讀取數(shù)據(jù)分析、存儲。光纖接口接入交換機，主IED 接收所有監(jiān)測IED 的監(jiān)測結果并分析通過光纖上傳到站控層。硬件支持以太網(wǎng)通信協(xié)議?？刂葡到y(tǒng)分為兩層：第一，與各監(jiān)測設備之間通過IEC61850通信協(xié)議或RS485 總線進行數(shù)據(jù)交換；第二，與服務器之間通過TCP/IP 協(xié)議互相傳送數(shù)據(jù)和文件。

4 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)包括召喚各監(jiān)測IED 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理程序、完成數(shù)據(jù)鏈路層以上的網(wǎng)絡協(xié)議所規(guī)定的通訊功能程序，以及執(zhí)行相應中斷的服務程序。

系統(tǒng)設計不但要實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集，分析整理數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)傳輸給站控層網(wǎng)絡，還要提供配置功能，針對端口顯示通信情況和還原詳細通信報文。軟件系統(tǒng)如圖3所示，用WindowsXPE 嵌入式系統(tǒng)作多任務的調(diào)度，用戶開發(fā)應用程序可以在普通PC機上進行，完成后將其移植到目標系統(tǒng)即可。其內(nèi)置了TCP/IP 協(xié)議棧，不需要移植就可提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信平臺。

4.1 軟件系統(tǒng)框架

軟件系統(tǒng)框架采用面向對象的模塊化結構，由主控模塊、規(guī)約模塊、數(shù)據(jù)控制模塊組成。

1）主控模塊

主控模塊在系統(tǒng)上電時作為一個獨立的進程自動運行，控制和調(diào)度其他模塊進程的運行。主控模 塊讀入用戶的配置文件，根據(jù)設置對系統(tǒng)進行初始化，然后啟動通信進程。

圖3 軟件系統(tǒng)圖

2）通信模塊

通信規(guī)約模塊是主處理模塊，調(diào)用 Net- CoreIDE-61850 開發(fā)包提供的庫函數(shù)，以實現(xiàn)全部的IEC61850 功能。

3）數(shù)據(jù)控制模塊

數(shù)據(jù)控制模塊是獨立的進程運行。同步信號處理模塊能同時進行多任務處理，接收各自獨立的多路數(shù)據(jù)，并對各路數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否發(fā)生畸變進行校驗，以防止提供錯誤數(shù)據(jù)。

4.2 GOOSE 通信機制

IEC61850 標準定義的GOOSE 模型提供了變電站事件快速傳輸機制，可用于跳閘和故障錄波啟動等。GOOSE 采用發(fā)布/訂閱模式，報文延時不得超過4ms。

4.3 協(xié)議實現(xiàn)

協(xié)議實現(xiàn)的本質就是按照IEC61850 規(guī)約的4 個語義層次對其邏輯設備/邏輯接點、數(shù)據(jù)對象、數(shù)據(jù)屬性和數(shù)據(jù)集構建模型。針對不同的數(shù)字接口，在報文發(fā)送時將數(shù)字輸入/輸出設備傳送來的信息從報文中拆解出來，然后通過控制系統(tǒng)與網(wǎng)絡通信模塊進行數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡通信模塊軟件針對智能設備初始化報文及需要協(xié)議的相關包，對數(shù)據(jù)作IEC61850 報文封裝。

5 結論

本論文通過對智能化GIS 所用主IED 軟硬件進行研究，提出了智能化GIS 用監(jiān)測系統(tǒng)主IED 的發(fā) 展趨勢和研究方向。目前，智能化GIS 監(jiān)測系統(tǒng)主IED 的研究尚處于起步階段，對于GIS 設備來說，各種運行參量的綜合分析需要通過各種經(jīng)驗算法，利用主IED 軟硬件的綜合分析功能，最終綜合判斷出GIS 設備各單元的運行狀況及故障趨勢以及發(fā)生故障的概率。對指導用戶進行設備的檢修及運行情況判斷提供一定的參考。

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