提高智能變電站繼電保護可靠性的信息流控制方法和系統的製作方法
2024-03-24 01:38:05
專利名稱：提高智能變電站繼電保護可靠性的信息流控制方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種可提高智能變電站繼電保護可靠性的信息流控制系統。本發明還涉及採用所述控制系統的可提高智能變電站繼電保護可靠性的信息流控制方法。
背景技術：
電力系統繼電保護具有選擇性、速動性、靈敏性、可靠性的四性要求。微機保護變革之後，繼電保護的性能有了較大的提高。二次設備之間通過信息交換來實現一次設備的保護與控制，此時出現了一種具有承載信息功能的流量——信息流。微機保護模式下採用電纜硬連結方式將需要進行信息流交換的設備相連接，每一種信息流具有專屬的通道，並且信息以近光速進行傳遞，信息流的可靠性在微機保護的模式下並沒有與繼電保護的性能要求形成突出的矛盾。
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智能變電站引入乙太網來代替原有的硬連接電纜並以數位化的報文為載體進行設備之間信息的通信，這種變革既節省了電纜的用量，又省去了複雜的接線過程，同時增強了設備之間信息共享水平和設備自身的信息處理能力。但信息流由微機保護模式下的專屬通道傳輸變為不確定的過程層網絡鏈路傳輸，同時由於過程層網絡上諸多不確定因素的影響，也使得信息流的可靠性對繼電保護的性能提出了重大的挑戰。考慮到繼電保護的選擇性和靈敏性主要取決於設備的內部判據，繼電保護受網絡共享方式影響最大的是速動性和可靠性。速動性是指繼電保護功能能夠快速地切除故障，減少用戶在故障狀態的工作時間以及縮小故障元件的損壞程度。而可靠性是指保護裝置規定的保護範圍內發生了它應該動作的故障時，它不應該拒絕動作，而在其他情況下不誤動。信息流傳輸的可靠性直接影響著繼電保護的可靠性。因此，智能變電站是否能夠適用於繼電保護等自動化系統的高可靠性的應用要求，信息流能否實現可靠性的傳輸是研究的重中之重。信息流的網絡載體主要為站控層網絡和過程層網絡，其中站控層網絡上的信息流的可靠性要求相對於過程層網絡要低很多，所以本方法主要針對於過程層網絡。信息流由二次設備產生，通過過程層網絡傳輸到另一臺二次設備，對於大多數二次設備來講，既是信息流的產生者，也是信息流的使用者。信息流能否實時的可靠傳輸一方面取決於過程層網絡自身能夠承受外部幹擾的能力，如繼電保護的組織形態和組網方式是否合理等，另一方面取決於過程層網絡在幹擾下的調節能力，即實現對各種不利因素實現有效的信息流控制。現有技術一的技術方案當乙太網交換控制電路埠工作在半雙工模式時，符合IEEE802. 3協議的載波偵聽多路訪問/衝突檢測(CSMA/CD)算法，可以實現隱式的流量控制，即採用背壓技術(BackPressure)防止緩衝區的溢出，在發送方數據到來前採取某種動作，阻止發送方發送數據。背壓技術是交換控制電路發出一種偽碰撞信號技術。背壓技術通常根據已用緩衝區的容量比例來實現，當已用緩衝區容量達到一個預先設定的比例時，埠將根據這個閾值生成阻塞信號，而當空閒緩衝區容量超過另一個較低的比例時，埠將取消阻塞信號。在擁塞埠所在的網段內，阻塞信號的傳輸可以使該網段裡所有的埠都能檢測到衝突，等待阻塞信號結束後再傳輸數據幀，從而阻止更多的碰撞，暫時中止了數據的傳輸，使緩衝區的空間得到釋放。實現方法有兩種第I種方法是在產生阻塞的埠上強制發出一組由32 96位構成的阻塞信號(Jam Signal)，這組阻塞信號與埠將要接收的幀產生衝突，鏈路發送方發現衝突後，將等待一段後退時間再重新發送幀。如果再次發現衝突，繼續後退等待發送。鏈路發送方如果嘗試發送16次後還未將幀發送出去，會將該幀丟棄。這種方法雖然可以延遲幀的發送，對流量進行控制，但如果在鏈路發送方後退的這段時間內埠的擁塞已經解除，發送方必須等待後退時間過後才能發送幀，這將造成鏈路的空閒。第2種方法是發生擁塞後，擁塞埠發出阻塞信號，鏈路對方檢測到衝突後將暫停幀的發送，當擁塞埠的擁塞狀態撤銷後，擁塞埠停止發送阻塞信號，此時鏈路對方可 以重新開始發送幀。這種方法使發送方能夠及時發送數據幀，避免發送方的後退等待，從而提聞鏈路利用率。但現有的技術一有兩大缺點一是只提供了在流量過大情況下的控制策略，對於其他的非正常狀態則無法採取相應措施；二是這種控制策略是為了應對通信乙太網的正常運行提出來的，主要應用對象並不是智能變電站，所以提出來的控制策略缺乏針對性，無法完全滿足變電站過程層網絡信息流的控制需求。現有技術二的技術方案網絡報文分析儀是一種針對於智能變電站設計的具有GOOSE報文，採樣值等報文的記錄、解析和歷史報告查詢功能的網絡設備。網絡報文分析儀能夠為運行人員提供實時監視網絡報文內容以及流量等信息的窗口，並在事故後為運維人員提供分析的依據。現有技術二的缺點是網絡報文分析儀在網絡中的作用限於記錄和分析報文，並沒有針對不同的網絡狀況做出判斷並實行控制，所以其對繼電保護可靠性的作用是一個開環的過程，不利於可靠性的提高。以下是文中用到的一些縮略語和關鍵術語定義GOOSE-通用面向變電站事件對象，SV-採樣值，IED-智能電子設備，APPID應用標識，LD-邏輯設備，GoCB-GOOSE控制塊，stNum-事件序號，sqNum-發送序號。
發明內容
本發明所要解決的第一個技術問題，就是提供一種提高智能變電站繼電保護可靠性的信息流控制系統。本發明所要解決的第二個技術問題，就是提供採用上述控制系統的提高智能變電站繼電保護可靠性的信息流控制方法。本發明的提高智能變電站繼電保護可靠性的信息流控制方法和系統，在流量過大情況以及其他的非正常狀態都可採取相應措施，且提出來的控制策略具有針對性，完全滿足變電站過程層網絡信息流的控制需求，使過程層網絡在發生異常的情況下，可依據不同的網絡狀態採取相應的控制措施維持系統穩定，仍能夠儘可能的保持其可靠性，保證信息流整體上的實時和可靠傳輸，進而滿足繼電保護的性能需求。解決上述第一個技術問題，本發明的提高智能變電站繼電保護可靠性的信息流控制系統，其特徵是包括依次以數據線連接的報文捕獲模塊、特徵量解析模塊和故障模式識別模塊，其中特徵量解析模塊還外接資料庫模塊、故障模式識別模塊外接特徵量定值整定模塊和資料庫模塊，故障模式識別模塊分別輸出控制模塊和告警模塊；報文捕獲模塊用於捕捉網絡上的報文，並通過接口將捕獲到的報文傳送給特徵量解析模塊；特徵量解析模塊用於根據資料庫模塊提供的信息來解析網絡上的各種報文，獲取相關的報文信息作為特徵量，並將各特徵量的值存入到資料庫模塊當中，供故障模式識 別模塊調用分析；故障模式識別模塊用於通過分析資料庫模塊中的信息，對各種報文的故障模式做出評定並將模式信息存入資料庫模塊，故障模式的識別靠的是對特徵量值的判斷；特徵量定值整定模塊用於為模式判別提供依據，控制模塊根據模式信息決定需要採取 的控制策略，或者通過告警模塊向運行人員告警。所述的報文捕獲模塊的連接採用如下兩種方式之一一是集成在交換機內部，報文捕獲模塊與交換機的每一個埠相連接；二是獨立並與交換機的鏡像埠相連接，交換機將其他所有埠接收到的報文複製一份到鏡像埠。所述的特徵量解析模塊包括報文類型判別子模塊、GOOSE相關特徵量解析子模塊和採樣值相關特徵量解析模塊，報文類型判別子模塊接收報文捕獲模塊的輸出，之後分別輸出給GOOSE相關特徵量解析子模塊和採樣值相關特徵量解析模塊；特徵量解析模塊用於對過程層網絡中傳輸的GOOSE報文和SV報文進行解析以獲取特徵量的值。所述的故障模式識別模塊包括依次連接的流量異常判斷子模塊以及事件序號、發送序號以及採樣值計數判別子模塊；流量異常判斷子模塊外接特徵量定值整定模塊；流量異常判斷子模塊的輸入連接GOOSE相關特徵量解析子模塊和採樣值相關特徵量解析模塊的輸出；事件序號、發送序號以及採樣值計數判別子模塊的輸出則分別連接控制模塊和告警1吳塊。解決上述第二個技術問題，採用上述控制系統的提高智能變電站繼電保護可靠性的信息流控制方法，包括以下步驟SI控制系統依賴交換機的報文捕獲模塊報文交換功能接收GOOSE報文和SV報文；S2控制系統根據資料庫模塊中記錄的解析方法，特徵量解析模塊對這兩種報文所攜帶的APPID、報文計數信息以及所引用的控制塊信息進行解析，最終形成特徵量信息表，存入資料庫模塊中；S3控制系統的故障模式識別模塊首先通過判斷流量是否在整定的閾值之內來判斷是否有流量異常的情況，若發生流量異常則進一步通過內容來判斷過流量還是低流量，若為過流量狀態，則進行過流量保護，保護操作結束後，將結果報告給運行人員；若為低流量保護，則進行低流量保護，保護操作結束後，將結果報告給運行人員；S4若流量正常，則判斷報文是否發生不連續的情況，若發現報文不連續，則進一步判斷不連續的是GOOSE報文還是SV報文，若為GOOSE報文，則向運行人員告警，若為SV報文的話，則通過拉格朗日插值定理，根據之前的採樣值信息對缺少的報文攜帶的採樣值信息進行估算，然後告警；S5若報文連續，則結束本次控制操作循環，開始下一個控制操作循環。所述的步驟S2中所述的兩種報文所攜帶的APPID和報文的計數信息是指，GOOSE報文和SV報文均含有APPID，GOOSE報文的APPID在0x0到0x3FFF之間，唯一地標識了一路GOOSE，SV報文的APPID在在0x4000到0x7FFF之間，唯一地標識了一路採用值，APPID是形成息表的主鍵；所述的特徵量解析模塊解析包括以下內容對GOOSE報文按IEC 61850規定採用重發機制進行發送，分兩種情況⑴在無變電站事件發生的情況下，GOOSE報文以單位常數時間間隔重發GOOSE報文，每一條報文的內容相同，不同的是報文中的發送序號sqNum屬性隨著每次重發報文而 逐步遞增；⑵當有新的變電站事件發生後，在Tl時刻發出第一條更新後的GOOSE報文，報文中除了相應的狀態信息發生變化之外，事件序號stNum屬性增加I, sqNum清零並重新計數，然後報文以間隔tS=2NX S (N=0, I, 2···，S=Ims)重發具有相同信息、但序列計數不同的GOOSE 報文，即 Tl=lms，T2=2ms，T3=4ms，......，直到間隔穩定為 T0=500ms ；例如對SV報文發送頻率根據不同的採樣率進行發送，每送一條SV報文會有相應的計數操作，計數的範圍與採樣率相關，採樣計數從O到採樣頻率遞增，每整秒歸零；在每周波採樣80點，50HZ頻率下採樣計數在0->3999遞增；每整秒採樣計數為0，每秒傳輸4000條SV報文；解析GOOSE報文的控制塊路徑和SV報文的採樣值ID GOOSE控制塊路徑是從LD開始的全名路徑，是LLNO作用域內GoCB唯一路徑名，標明了發送該條GOOSE報文的邏輯設備；採樣值ID是採樣值緩衝區的唯一標識，與採樣值刷新有關，標明了發送該條SV報文的邏輯設備。這些信息方便控制系統通過解析報文對發送報文的設備進行控制。對以上三部分信息解析完成之後便可以形成如表I所示的信息，存入資料庫模塊。表I報文解析信息表(a) GOOSE報文信息表
報文APPro 事件序號StNum發送斤號GOOSE控制塊
sqNum引用
GOOSEl6104----
GOOSE2__9__56__
GOQSEn_[10_[η__(b) SV報文信息表
權利要求
1.一種提高智能變電站繼電保護可靠性的信息流控制系統，其特徵是包括 依次以數據線連接的報文捕獲模塊、特徵量解析模塊和故障模式識別模塊，其中特徵量解析模塊還外接資料庫模塊、故障模式識別模塊外接特徵量定值整定模塊和資料庫模塊，故障模式識別模塊分別輸出控制模塊和告警模塊； 所述的報文捕獲模塊用於捕捉網絡上的報文，並通過接口將捕獲到的報文傳送給特徵量解析模塊；特徵量解析模塊用於根據資料庫模塊提供的信息來解析網絡上的各種報文，獲取相關的報文信息作為特徵量，並將各特徵量的值存入到資料庫模塊當中，供故障模式識別模塊調用分析；故障模式識別模塊用於通過分析資料庫模塊中的信息，對各種報文的故障模式做出評定並將模式信息存入資料庫模塊，故障模式的識別靠的是對特徵量值的判斷；特徵量定值整定模塊用於為模式判別提供依據，控制模塊根據模式信息決定需要採取的控制策略，或者通過告警模塊向運行人員告警。
2.根據權利要求I所述的提高智能變電站繼電保護可靠性的信息流控制系統，其特徵是所述的報文捕獲模塊的連接採用如下兩種方式之一一是集成在交換機內部，報文捕獲模塊與交換機的每一個埠相連接；二是獨立並與交換機的鏡像埠相連接，交換機將其他所有埠接收到的報文複製一份到鏡像埠。
3.根據權利要求2所述的提高智能變電站繼電保護可靠性的信息流控制系統，其特徵是所述的特徵量解析模塊包括報文類型判別子模塊、GOOSE相關特徵量解析子模塊和採樣值相關特徵量解析模塊，報文類型判別子模塊接收報文捕獲模塊的輸出，之後分別輸出給GOOSE相關特徵量解析子模塊和採樣值相關特徵量解析模塊；特徵量解析模塊用於對過程層網絡中傳輸的GOOSE報文和SV報文進行解析以獲取特徵量的值。
4.根據權利要求3所述的提高智能變電站繼電保護可靠性的信息流控制系統，其特徵是所述的故障模式識別模塊包括依次連接的流量異常判斷子模塊以及事件序號、發送序號以及採樣值計數判別子模塊；流量異常判斷子模塊外接特徵量定值整定模塊；流量異常判斷子模塊的輸入連接GOOSE相關特徵量解析子模塊和採樣值相關特徵量解析模塊的輸出；事件序號、發送序號以及採樣值計數判別子模塊的輸出則分別連接控制模塊和告警模塊。
5.一種採用如權利要求I至4中任一項所述的控制系統的提高智能變電站繼電保護可靠性的信息流控制方法，包括以下步驟 SI控制系統依賴交換機的報文捕獲模塊報文交換功能接收GOOSE報文和SV報文； S2控制系統根據資料庫模塊中記錄的解析方法，特徵量解析模塊對這兩種報文所攜帶的APPID、報文計數信息以及所引用的控制塊信息進行解析，最終形成特徵量信息表，存入資料庫模塊中； S3控制系統的故障模式識別模塊首先通過判斷流量是否在整定的閾值之內來判斷是否有流量異常的情況，若發生流量異常則進一步通過內容來判斷過流量還是低流量，若為過流量狀態，則進行過流量保護，保護操作結束後，將結果報告給運行人員；若為低流量保護，則進行低流量保護，保護操作結束後，將結果報告給運行人員； S4若流量正常，則判斷報文是否發生不連續的情況，若發現報文不連續，則進一步判斷不連續的是GOOSE報文還是SV報文，若為GOOSE報文，則向運行人員告警，若為SV報文的話，則通過拉格朗日插值定理，根據之前的採樣值信息對缺少的報文攜帶的採樣值信息進行估算，然後告警； S5若報文連續，則結束本次控制操作循環，開始下一個控制操作循環。
6.根據權利要求5所述的提高智能變電站繼電保護可靠性的信息流控制方法，其特徵是步驟S2中所述的兩種報文所攜帶的APPID和報文計數信息是指，GOOSE報文和SV報文均含有APPID，GOOSE報文的APPID在0x0到0x3FFF之間，唯一地標識了一路GOOSE，SV報文的APPID在0x4000到0x7FFF之間，唯一地標識了一路採用值，APPID是形成信息表的主鍵； 所述的特徵量解析模塊解析包括以下內容 對GOOSE報文按IEC 61850規定採用重發機制進行發送，分兩種情況 ⑴在無變電站事件發生的情況下，GOOSE報文以單位常數時間間隔重發GOOSE報文，每一條報文的內容相同，不同的是報文中的發送序號sqNum屬性隨著每次重發報文而逐步遞增； ⑵當有新的變電站事件發生後，在Tl時刻發出第一條更新後的GOOSE報文，報文中除了相應的狀態信息發生變化之外，事件序號StNum屬性增加I，sqNum清零並重新計數，然後報文以間隔tS=2NXS(N=0，I, 2···，S=Ims)重發具有相同信息、但序列計數不同的GOOSE報文，即 Tl=Ims, T2=2ms, T3=4ms,......，直到間隔穩定為 T0=500ms ； 解析GOOSE報文的控制塊路徑和SV報文的採樣值ID GOOSE控制塊路徑是從LD開始的全名路徑，是LLNO作用域內GoCB唯一路徑名，標明了發送該條GOOSE報文的邏輯設備；採樣值ID是採樣值緩衝區的唯一標識，與採樣值刷新有關，標明了發送該條SV報文的邏輯設備。
7.根據權利要求6所述的提高智能變電站繼電保護可靠性的信息流控制方法，其特徵是所述的步驟S3中，故障模式識別模塊的故障識別包括以下內容 通過特徵量解析模塊的解析結果同時結合事先整定的正常流量閾值不斷對以下5種模式進行判別，若發生不正常的流量狀態則將狀態信息發送給控制模塊，由該模塊執行相應的控制操作 信息流模式共分為3大類，流量異常、流量正常但報文不連續、正常狀態，下列的模式1、2屬於流量異常，模式3、4屬於流量正常但報文不連續，模式5屬於正常狀態 1)事件序號StNum變化過快，或者發送序號sqNum以超過正常頻率的方式增加，導致設備發送的信息流量過大；採樣計數以超過正常頻率的方式增加，導致設備發送的信息流量過大；流量高於正常流量的閾值，該狀態稱作信息過流量， 2)發送序號sqNum以低於正常頻率的方式增加而且計數連續，或不增加，導致信息流量過低；採樣計數以低於正常頻率的方式增加而且計數連續，或不增加，導致信息流量過低；流量低於正常流量的閾值，該狀態稱作信息低流量； 3)事件序號StNum或者發送序號sqNum出現跳躍變化，信息流不連續，該狀態稱作GOOSE流不連續； 4)採樣計數出現跳躍變化，信息流不連續，該狀態稱作SV流不連續； 5)stNum, sqNum和採樣計數正常遞增，信息流正常。
8.根據權利要求7所述的提高智能變電站繼電保護可靠性的信息流控制方法，其特徵是所述的保護操作和告警由控制模塊和告警模塊負責根據不同的模式進行相應的控制和/或告警操作 對於模式1)，將發送異常流量的設備從網絡中暫時切除掉，這裡的切除採用如下方式之一①一種可以不是像斷路器那樣物理地將設備與網絡隔離，而是邏輯上利用生成樹協議斷開該條路徑或者通過模仿ARP攻擊的方式使得設備的報文無法發送到網絡上去；②另一種是啟動繼電器切斷設備電源，從而起到自動、迅速、有選擇性的將故障元件從網絡中切除，保證其他無故障部分迅速恢復正常工作；過流量保護查詢GOOSE控制塊路徑判斷異常的高流量是由哪個IED的哪個邏輯設備引起的，從而切斷該邏輯設備的埠流量； 對於模式2),交換機發送一個簡單的request報文給IED設備,如果在規定的時間之內，沒有收到response報文，則可以判斷這條鏈路或者這個IED設備發生了故障，並發出警告，通知運維人員對該線路和設備進行檢修； 對於模式3)，將該狀態通過告警的方式發送給運行人員，不同的告警信號構成出口數據集； 對於模式4)，若SV報文的信息流發生不連續的情況，則控制系統需通過拉格朗日插值定理，根據之前的採樣值信息對缺少的報文攜帶的採樣值信息進行估算，以便將報文不連續產生的影響降到最低。
9.根據權利要求7所述的提高智能變電站繼電保護可靠性的信息流控制方法，其特徵是所述發送序號sqNum以超過正常頻率的方式增加中的正常頻率是指每秒傳輸4000條SV報文；採樣計數以超過正常頻率的方式增加中的正常頻率是指在每周波採樣80點；正常流量的閾值是指有變電站事件GOOSE產生，且所有可能發生的跳閘信號、控制信號和設備狀態信息的變電站事件GOOSE報文在同一時刻以周期TN —起發送，SV報文仍以固定周期發送，此時信息流量為過程層網絡正常穩態運行時的最大值，乘以裕度係數即為正常流量的閾值。
全文摘要
本發明涉及提高智能變電站繼電保護可靠性的信息流控制方法和系統系統包括依次以數據線連接的報文捕獲模塊、特徵量解析模塊和故障模式識別模塊，其中特徵量解析模塊還外接資料庫模塊、故障模式識別模塊外接特徵量定值整定模塊和資料庫模塊，故障模式識別模塊分別輸出控制模塊和告警模塊。本發明能夠為通過判斷過程層網絡信息流所處於的故障模式，並根據不同的模式信息採取控制措施，有助於提高過程層網絡信息流傳輸的可靠性，進而提高智能變電站繼電保護設備的各項性能，提高二次系統的自動化水平，為智能變電站的安全運行提供了有利的條件。
文檔編號H04L12/801GK102932167SQ20121038292
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月10日 優先權日2012年10月10日
發明者蔡澤祥, 曾耿暉, 陳志光, 張延旭, 黃明輝, 丁修玲, 邵向潮, 李一泉, 張弛 申請人:華南理工大學, 廣東電網公司電力調度控制中心