一種電氣化鐵路數位化牽引變電站的集成控制方法
2023-10-20 02:33:27
一種電氣化鐵路數位化牽引變電站的集成控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種電氣化鐵路數位化牽引變電站的集成控制方法，通過應用本發明的技術方案，在深入理解IEC61850框架的基礎上，實現了全面響應IEC61850的綜合自動化系統，每個一次設備間隔所對應的處理設備將自身所對應的一次設備間隔中的一次設備所接收的信號進行數位化處理，並且各個一次設備間隔所對應的處理設備分別將各自數位化處理後的信息上報給同一個集成控制設備，以使所述集成控制設備完成對所有一次設備間隔的保護測控功能。從而，基於IEC61850標準解決了電氣化鐵路數位化牽引變電站的集成管理問題，實現了牽引變電站的保護、測量、控制、信號、故障錄波、諧波分析、故障測距等功能，達到高速電氣化鐵路牽引變電站的綜合自動化管理。
【專利說明】—種電氣化鐵路數位化牽引變電站的集成控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及通信【技術領域】，特別涉及一種電氣化鐵路數位化牽引變電站的集成控制方法。
【背景技術】
[0002]高速鐵路牽引變電站自動化系統對於高速鐵路的正常運營，起著非常重要的作用，是高速鐵路安全運行不可分割的重要部分。
[0003]目前我國牽引變電站自動化系統存在著信息共享程度低、信息傳輸可靠性差、信息交流沒有標準化等導致的系統可靠性低和建成後期維護成本高的諸多問題，主要體現在以下方面:
[0004]( I)變電站信息的交流和共享
[0005]目前變電站的模擬信息靠電纜連接，從間隔層到變電站層的信息交互目前主要採用現場總線或乙太網完成，其交流的信息內容為遠動所要求的四遙數據量及保護動作報文和基本的配置數據，所以交流數據少、實時性不高，可靠性要求也不是很高。來自同一個一次設備間隔的數據經不同的IED上傳到變電站層可能不一致或相互矛盾，而且這個矛盾往往被忽視而不是解決掉，不同IED反映的一個斷路器矛盾的開關狀態也是被忽略或人工處理的。橫向不同的IED之間以及一次設備與不同的IED間信息傳遞是以電纜的方式傳遞的，沒有信息的共享，一次設備之間的信息是沒有交互的。複雜的電纜連接也帶來系統可靠性降低，在不增加裝置時沒有辦法進行功能的擴展而缺乏靈活性。比如電纜連接可能帶來電纜端子接線鬆動、發熱、開路和短路的危險，也會引起電磁幹擾、傳輸過電壓及二次迴路兩點接地的可能性。
[0006]( 2 )信息交流的標準化
[0007]目前在我國大量應用的牽引變電站自動化的信息沒有實現共享，而國外幾個大的製造廠家橫向以通訊方式實現一定的信息共享，但缺乏一個全所或調度系統統一的信息交流共享的標準。自動化設備生產廠家多、品種多，不同廠家設備間需要規約轉發裝置，市場化程度低。
[0008]( 3 )跨間隔自動化設備及牽弓I變電站自動化功能的擴展
[0009]目前運行的牽引變電站自動化系統不同的自動化產品由於對過程層設備無法進行信息共享，所以每當有跨間隔的設備安裝和新的功能需要擴展都要重新接很多數量的電纜，當然也需要增加新間隔層設備。
[0010]另一方面，IEC61850標準是基於通用網絡通信平臺的變電站自動化系統唯一國際標準，制定了電力系統遠動無縫通信系統基礎，能大幅度改善信息技術和自動化技術的設備數據集成，減少工程量、現場驗收、運行、監視、診斷和維護等費用，節約大量時間，增加了自動化系統使用期間的靈活性。它解決了變電站自動化系統產品的互操作性和協議轉換問題。採用該標準還可使變電站自動化設備具有自描述、自診斷和即插即用(Plug and Play)的特性，極大的方便了系統的集成，其定義的自我描述能顯著降低數據管理費用、簡化數據維護、減少由於配置錯誤而弓I起的系統停機時間。
[0011]在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術至少存在以下問題:
[0012]雖然對IEC61850標準的研究進行了很多，也有不少廠商對外宣稱己經有IEC61850的試點項目投運，但大部分都是部分實現了 IEC61850標準或只是提供了一個代理用於支持IEC61850標準而已。IEC61850標準並不是一個簡單的通信規約。一個完全基於IEC61850標準的變電站自動化系統從系統結構、模型設計、系統資料庫設計、通信實現、智能電子設備生產等方面都必須重新研究設計，而不是舊的設備和系統經過簡單改造可以實現的。
[0013]因此，現階段的技術方案對IEC61850標準的應用還存在巨大的缺陷和不足。
【發明內容】
[0014]本發明提供一種電氣化鐵路數位化牽引變電站的集成控制方法，用以解決IEC61850標準與電氣化鐵路數位化牽引變電站的綜合自動化系統的結合問題。
[0015]為達到上述目的，本發明一方面提供了一種電氣化鐵路數位化牽引變電站的集成控制方法，應用於包括多個一次設備間隔的電氣化鐵路牽引變電站控制系統中，所述電氣化鐵路牽引變電站控制系統基於IEC61850標準進行配置，所述方法至少包括以下步驟:
[0016]每個一次設備間隔所對應的處理設備將自身所對應的一次設備間隔中的一次設備所接收的信號進行數位化處理；
[0017]各個一次設備間隔所對應的處理設備分別將各自數位化處理後的信息上報給同一個集成控制設備，以使所述集成控制設備完成對所有一次設備間隔的保護測控功能。
[0018]優選的，所述每個一次設備間隔所對應的處理設備將自身所對應的一次設備間隔中的一次設備所接收的信號進行數位化處理，具體包括:
[0019]所述每個一次設備間隔所對應的處理設備根據IEC61850進行變電站建模；
[0020]所述每個一次設備間隔所對應的處理設備對自身所對應的一次設備間隔的電壓互感器、電流互感器、開關量、控制量、其它模擬量信息按IEC 61850-9-2及GOOSE規約格式數位化。
[0021]優選的，所述每個一次設備間隔所對應的處理設備，具體還可以配置以下功能:
[0022]電流、電壓信號的採集；
[0023]數位訊號的採集；
[0024]對開關、電動刀閘的控制功能；
[0025]具有與其他一次設備間隔所對應的處理設備的同步功能；
[0026]以IEC618509-2和GOOSE格式通過兩路FX 100光纖乙太網與智能設備通訊。
[0027]優選的，所述每個一次設備間隔所對應的處理設備根據IEC61850進行變電站建模，還包括:
[0028]所述每個一次設備間隔所對應的處理設備根據建模結果，生成SCL文件，實現設備的自動配置和自識別。
[0029]優選的，所述各個一次設備間隔所對應的處理設備分別將各自數位化處理後的信息上報給同一個集成控制設備，以使所述集成控制設備完成對所有一次設備間隔的保護測控功能，具體包括:
[0030]所述各個一次設備間隔所對應的處理設備，部署於所述各個一次設備間隔所對應的過程層中，各所述過程層分別通過光交換機接入位於間隔層的同一個集成控制設備中，所述各個一次設備間隔所對應的處理設備分別將各自數位化處理後的信息發送給所述光交換機，並由所述光交換機上報給所述集成控制設備；
[0031]所述間隔層通過另一個光交換機接入變電站層，所述集成控制設備將根據接收到的數位化處理後的信息所得到的處理結果通過所述另一個光交換機上報給所述變電站層。
[0032]優選的，
[0033]所述過程層、所述間隔層和所述變電站層均基於IEC61850標準進行配置。
[0034]優選的，所述集成控制設備，具體包括:
[0035]內嵌雙乙太網的高速處理器。
[0036]優選的，各所述過程層分別通過光交換機接入位於間隔層的同一個集成控制設備中，具體包括:
[0037]當一次設備間隔小於16個小時時，所述各個一次設備間隔所對應的過程層分別通過光交換機接入位於間隔層的同一個集成控制設備中；
[0038]當一次設備間隔大於16個小時時，所有對應10千伏的一次設備間隔的過程層通過一個交換機接入第一集成控制設備，對應主變和高壓主進的一次設備間隔的過程層通過另一個交換機接入第二集成控制設備；
[0039]其中，所述第一集成控制設備完成10千伏所對應的所有設備的保護測控功能，所述第二集成控制設備完成變壓器的保護測控功能。
[0040]優選的，各所述過程層分別通過光交換機接入位於間隔層的同一個集成控制設備中的同時，還包括:
[0041]位於各所述過程層的處理設備分別通過另一個光交換機接入位於間隔層的另一個集成控制設備中，對各所述過程層分別通過光交換機接入位於間隔層的同一個集成控制設備形成冗餘配置；
[0042]其中，所述冗餘配置所對應的雙方為自動投切，且所述冗餘配置中的所有設備採用統一的同步信號。
[0043]優選的，
[0044]所述電氣化鐵路牽引變電站控制系統的硬體結構中包括:
[0045]模擬量採集及轉換插件，包括電流、電壓輸入端子、電流互感器、電壓互感器、模擬信號調理單元、A/D轉換單元、QSPI接口 ；
[0046]基本I/O及電源插件，包括電源變換監控復位單元、RS232接口，BDM單元，還可以包括RS485接口 ；
[0047]擴展輸出及操作迴路插件，包括光電隔離開入電路、開入端子、光電隔離開出電路、繼電器、開出端子；
[0048]主板，包括兩個10/100M乙太網通訊控制模塊和硬體加密模塊，一個增強型乘加運算單元，以及64KB片內靜態存儲器和用戶可定義的16kB片內高速緩存；
[0049]背板；和/或，
[0050]所述電氣化鐵路牽引變電站控制系統的軟體結構，具體為VxWorks作業系統平臺下，結合IEC61850分層、分布式的體系結構，採用統一的對象建模，採用面向對象及模塊化軟體設計方法設計。
[0051]與現有技術相比，本發明實施例所提出的技術方案具有以下優點:
[0052]通過應用本發明的技術方案，在深入理解IEC61850框架的基礎上，實現了全面響應IEC61850的綜合自動化系統，每個一次設備間隔所對應的處理設備將自身所對應的一次設備間隔中的一次設備所接收的信號進行數位化處理，並且各個一次設備間隔所對應的處理設備分別將各自數位化處理後的信息上報給同一個集成控制設備，以使所述集成控制設備完成對所有一次設備間隔的保護測控功能。從而，基於IEC61850標準解決了電氣化鐵路數位化牽引變電站的集成管理問題，實現了牽引變電站的保護、測量、控制、信號、故障錄波、諧波分析、故障測距等功能，達到高速電氣化鐵路牽引變電站的綜合自動化管理。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0053]圖1為本發明實施例提出的一種電氣化鐵路數位化牽引變電站的集成控制方法的流程示意圖；
[0054]圖2為本發明實施例所提出的一種在一次設備間隔小於16個小時的場景下的系統拓撲結構示意圖；
[0055]圖3為本發明實施例所提出的一種在一次設備間隔大於16個小時的場景下的系統拓撲結構示意圖；
[0056]圖4為本發明實施例所提出的一種所述電氣化鐵路牽引變電站控制系統的硬體結構的不意圖；
[0057]圖5為本發明實施例所提出的一種電氣化鐵路牽引變電站控制系統的軟體整體信號流的示意圖；
[0058]圖6為本發明實施例所提出的一種發布者/訂閱者通信結構的示意圖；
[0059]圖7為本發明實施例所提出的一種配置過程信息流參考模型的示意圖；
[0060]圖8為IEC61850通信集框架的示意圖；
[0061]圖9為LD_DIS簡單建模的示意圖；
[0062]圖10為LLNO信息建模模型的示意圖；
[0063]圖11為LPHD信息模型的示意圖。
【具體實施方式】
[0064]如【背景技術】所述，現階段的技術方案對IEC61850標準的應用還存在巨大的缺陷和不足，還存在巨大的發展空間和技術欠缺。
[0065]本發明正是基於此問題而提出，目的在於設計並開發出基於IEC61850標準的高速電氣化鐵路牽引變電站綜合自動化系統，並通過對其的研究開發，實現鐵路數位化牽引變電站綜合自動化的應用技術，這個系統包括變電站層、間隔層和過程層，三部分皆滿足IEC61850標準，並採用「就地數位化」和「集成」保護方案，實現變電站信息在實時、可靠基礎上最大程度共享。「就地數位化」是指在一次設備間隔附近安裝「就地數位化」設備，將一次設備接收的信息就地數位化；「集成保護」方案是指所有間隔的過程層通過光交換機接入一個集成IED，即由一個集成IED完成所有間隔的保護測控功能。
[0066]如圖1所示，為本發明實施例提出的一種電氣化鐵路數位化牽引變電站的集成控制方法的流程示意圖，應用於包括多個一次設備間隔的電氣化鐵路牽引變電站控制系統中，所述電氣化鐵路牽引變電站控制系統基於IEC61850標準進行配置，該方法具體包括以下步驟:
[0067]步驟S101、每個一次設備間隔所對應的處理設備將自身所對應的一次設備間隔中的一次設備所接收的信號進行數位化處理。
[0068]本步驟的處理過程即是為了實現信號的「就地數位化」處理。具體的應用場景中，可以在一次設備間隔附近安裝「就地數位化」設備，將一次設備接收的信息就地數位化。
[0069]通過這樣的處理，僅用一臺裝置完成了一個間隔的合併單元和智能終端的功能，輸出僅為一根光纜連到控制室。
[0070]在實際的應用場景中，本步驟的處理過程，具體包括:
[0071]步驟A、所述每個一次設備間隔所對應的處理設備根據IEC61850進行變電站建模。
[0072]在具體的應用場景中，本步驟的處理還進一步包括所述每個一次設備間隔所對應的處理設備根據建模結果，生成SCL文件，實現設備的自動配置和自識別。
[0073]具體的，本步驟的變電站建模模型如表1所示。
[0074]表1
[0075]
【權利要求】
1.一種電氣化鐵路數位化牽引變電站的集成控制方法，其特徵在於，應用於包括多個一次設備間隔的電氣化鐵路牽引變電站控制系統中，所述電氣化鐵路牽引變電站控制系統基於IEC61850標準進行配置，所述方法至少包括以下步驟: 每個一次設備間隔所對應的處理設備將自身所對應的一次設備間隔中的一次設備所接收的信號進行數位化處理； 各個一次設備間隔所對應的處理設備分別將各自數位化處理後的信息上報給同一個集成控制設備，以使所述集成控制設備完成對所有一次設備間隔的保護測控功能。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述每個一次設備間隔所對應的處理設備將自身所對應的一次設備間隔中的一次設備所接收的信號進行數位化處理，具體包括: 所述每個一次設備間隔所對應的處理設備根據IEC61850進行變電站建模； 所述每個一次設備間隔所對應的處理設備對自身所對應的一次設備間隔的電壓互感器、電流互感器、開關量、控制量、其它模擬量信息按IEC61850-9-2及GOOSE規約格式數位化。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述每個一次設備間隔所對應的處理設備，具體還可以配置以下功能: 電流、電壓信號的採集； 數位訊號的採集； 對開關、電動刀閘的控制功能； 具有與其他一次設備間隔所對應的處理設備的同步功能； 以IEC618509-2和GOOSE格式通過兩路FX100光纖乙太網與智能設備通訊。
4.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述每個一次設備間隔所對應的處理設備根據IEC61850進行變電站建模，還包括: 所述每個一次設備間隔所對應的處理設備根據建模結果，生成SCL文件，實現設備的自動配置和自識別。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述各個一次設備間隔所對應的處理設備分別將各自數位化處理後的信息上報給同一個集成控制設備，以使所述集成控制設備完成對所有一次設備間隔的保護測控功能，具體包括: 所述各個一次設備間隔所對應的處理設備，部署於所述各個一次設備間隔所對應的過程層中，各所述過程層分別通過光交換機接入位於間隔層的同一個集成控制設備中，所述各個一次設備間隔所對應的處理設備分別將各自數位化處理後的信息發送給所述光交換機，並由所述光交換機上報給所述集成控制設備； 所述間隔層通過另一個光交換機接入變電站層，所述集成控制設備將根據接收到的數位化處理後的信息所得到的處理結果通過所述另一個光交換機上報給所述變電站層。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於， 所述過程層、所述間隔層和所述變電站層均基於IEC61850標準進行配置。
7.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述集成控制設備，具體包括: 內嵌雙乙太網的高速處理器。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，各所述過程層分別通過光交換機接入位於間隔層的同一個集成控制設備中，具體包括: 當一次設備間隔小於16個小時時，所述各個一次設備間隔所對應的過程層分別通過光交換機接入位於間隔層的同一個集成控制設備中； 當一次設備間隔大於16個小時時，所有對應10千伏的一次設備間隔的過程層通過一個交換機接入第一集成控制設備，對應主變和高壓主進的一次設備間隔的過程層通過另一個交換機接入第二集成控制設備； 其中，所述第一集成控制設備完成10千伏所對應的所有設備的保護測控功能，所述第二集成控制設備完成變壓器的保護測控功能。
9.如權利要求5或8所述的方法，其特徵在於，各所述過程層分別通過光交換機接入位於間隔層的同一個集成控制設備中的同時，還包括: 位於各所述過程層的處理設備分別通過另一個光交換機接入位於間隔層的另一個集成控制設備中，對各所述過程層分別通過光交換機接入位於間隔層的同一個集成控制設備形成冗餘配置； 其中，所述冗餘配置所對應的雙方為自動投切，且所述冗餘配置中的所有設備採用統一的同步信號。
10.如權利要求1至8中任意一項所述的方法，其特徵在於， 所述電氣化鐵路牽引變電站控制系統的硬體結構中包括: 模擬量採集及轉換插件，包括電流、電壓輸入端子、電流互感器、電壓互感器、模擬信號調理單元、A/D轉換單元、QSPI接口 ； 基本I/O及電源插件，包括電源變換監控復位單元、RS232接口，BDM單元，還可以包括RS485 接 口 ； 擴展輸出及操作迴路插件，包括光電隔離開入電路、開入端子、光電隔離開出電路、繼電器、開出端子； 主板，包括兩個10/100M乙太網通訊控制模塊和硬體加密模塊，一個增強型乘加運算單元，以及64KB片內靜態存儲器和用戶可定義的16kB片內高速緩存； 背板；和/或， 所述電氣化鐵路牽引變電站控制系統的軟體結構，具體為VxWorks作業系統平臺下，結合IEC61850分層、分布式的體系結構，採用統一的對象建模，採用面向對象及模塊化軟體設計方法設計。
【文檔編號】H02J13/00GK104184207SQ201310200406
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年5月27日 優先權日:2013年5月27日
【發明者】陳劍雲, 吳輝, 陳秋琳, 李天亮 申請人:北京太格時代自動化系統設備有限公司