牽引變電所集中式保護控制系統及該系統的運行方法
2023-06-28 21:34:01 3
牽引變電所集中式保護控制系統及該系統的運行方法
【專利摘要】本發明公開了牽引變電所集中式保護控制系統，包括系統總線及連接在系統總線上的智能操作模塊、GOOSE報文接收解碼模塊、GOOSE報文發送模塊、備自投模塊、開關閉鎖模塊、通信模塊及人機互動模塊，本發明還公開了牽引變電所集中式保護控制系統及該系統的運行方法，採用本發明控制牽引變電所運行時便於信息共享、且能提高整體協調性，操作方便。
【專利說明】牽引變電所集中式保護控制系統及該系統的運行方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及牽引變電所，具體是牽引變電所集中式保護控制系統及該系統的運行方法。
【背景技術】
[0002]牽引變電所為電力牽引的專用變電所，其是向電氣化鐵道或城市軌道交通電力牽引等提供電能和變換、分配電能的電氣裝置與設施，其功能是將電力系統的三相交流電經降壓、整流或變頻後供電力機車或動車組使用。牽引變電所的保護控制系統作為牽引變電所的控制中心，其用於分析接收的信息數據並發出相應指令，其在牽引變電所的智能化控制中扮演著重要的角色。現有牽引變電所的保護控制系統主要採用分層分布式結構，面向間隔，功能獨立，可靠性較高，但存在信息不能共享、缺乏整體的協調性等不足。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供了一種便於信息共享、且能提高整體協調性的牽引變電所集中式保護控制系統及該系統的運行方法。
[0004]本發明的目的主要通過以下技術方案實現:
牽引變電所集中式保護控制系統，包括系統總線及連接在系統總線上的智能操作模塊、G00SE報文接收解碼模塊、G00SE報文發送模塊、備自投模塊、開關閉鎖模塊、通信模塊及人機互動模塊，其中:
G00SE報文接收解碼模塊用於接收智能操作模塊發送的開關位置的G00SE報文並對其進行解析，再將解析得到的信息發送給備自投模塊和開關閉鎖模塊；
G00SE報文發送模塊用於發送跳閘、合閘信息給智能操作模塊；
備自投模塊根據斷路器和隔離開關的位置信息識別牽引變電所的工作方式，對變壓器故障、進線有壓及進線失壓進行判斷，並發出控制斷路器和開關開合的信號至智能操作模塊；
開關閉鎖模塊接收G00SE報文接收解碼模塊解碼後的開關、斷路器位置信息，並判斷是否進行閉鎖操作後把判斷結果發送至G00SE報文發送模塊；
通信模塊用於對備自投模塊和開關閉鎖模塊與人機互動模塊之間進行信息的傳遞；
人機互動模塊用於信息的錄入和輸出；
智能操作模塊用於向G00SE報文接收解碼模塊發送當前的開關位置信息，接收備自投模塊發送的控制斷路器和開關開合的信號，以及接收並解析開關閉鎖模塊發送的閉鎖信息，進而發出相應的控制指令。
[0005]本發明創造中備自投功能主要包括自投運行方式判別並根據配置文件完成主變故障備用變壓器自動投入、進線失壓備用電源自動投入等備自投功能。執行備自投邏輯的過程中，如果開關不能正常的閉合或斷開、聯絡信號出現故障，備自投邏輯自動中斷，並給出故障信息。本發明中備自投功能的實現主要通過變壓器主保護裝置、後備保護裝置、主變測控裝置以及智能接口單元等相互配合實現。本發明創造中開關閉鎖模塊所依賴的防誤閉鎖裝置可以有效的防止由於誤操作正在運行的電氣設備而引發的人身和重大設備事故。本發明創造所依賴的可操作的一次設備主要包括斷路器、隔離開關、接地線或者地刀。所謂閉鎖邏輯，實際上就是為斷路器、隔離開關和地刀或者接地線設定操作條件，以便滿足「五防」要求:(1)防止誤分、誤合斷路器；(2)防止帶負荷分、合隔離開關；(3)防止誤入帶電間隔；
(4)防止帶電合地刀或者接地線；(5)防止帶地刀或者接地線合閘。
[0006]本發明創造中米用G00SE(GenericObject Oriented Substat1n Events通用面向對象變電站事件的略稱)的基本目的是為了傳輸控制信號、跳閘信號、備自投開合閘信號等快速通用變電站事件，需要極高的實時性和可靠性，所以對於實時性，按照IEC61850-8-1中的映射規定，報文經過ASN.1編碼後直接映射到IS0/IEC8802-3乙太網。而並非採用常規的基於TCP/IP協議的四層網絡結構。該協議結構複雜，建立握手連接，封包傳輸及接收解析等需要佔用大量時間，故無法滿足實時性要求。G00SE網絡通信架構基於物理層和鏈路層兩層結構，採用IS08802.2 LLC1協議通信。在傳輸中主要採用多播交換方式，接收終端只需判明報文的目的地址即可，節省了大量時間。
[0007]本發明創造中通信模塊的任務是與集中式保護控制進行通信並完成信息的交互，也可完成巡檢及人機互動模塊的通信功能。通信模塊將集中式保護控制裝置的各種信息按規約傳送到人機互動模塊；同時，通信模塊還要完成遙測與遙信信息的上傳以及接收上位機傳送的遙控信息。人機互動模塊的主要功能是與後臺、液晶、工具軟體、RTU以及通信任務模塊進行信息的交換。其中，人機互動模塊與液晶的連接通常採用串口的方式通信，而與工具軟體、後臺及RTU通常採用光纖乙太網進行通信。
[0008]牽引變電所集中式保護控制系統的運行方法，包括以下步驟:
步驟一、保護控制系統初始化；
步驟二、智能操作模塊獲取當前開關位置信息後按照G00SE編碼開關位置信息，並將編碼後的開關位置信息發送至G00SE報文接收解碼模塊；
步驟三、G00SE報文接收解碼模塊將接收到的開關位置信息進行解析後發送至備自投模塊和開關閉鎖模塊；
步驟四、備自投模塊對收到的開關位置信息進行識別和判斷，並經判斷後發出控制斷路器和開關開合的信息至G00SE報文發送模塊，開關閉鎖模塊對收到的開關位置信息進行判斷後將判斷結果發送至G00SE報文發送模塊；
步驟五、G00SE報文發送模塊將接收到的備自投模塊發送的信息和開關閉鎖模塊發送的信息進行編碼，再將編碼後的信息發送至智能操作模塊，並由智能操作模塊發出控制指令。本發明在未收到軟體系統運行的停止命令時，重複進行步驟二至步驟五。
[0009]所述步驟一中對智能操作模塊進行初始化處理包括設定開關和斷路器的個數、設定集中式保護控制系統的APPID幀信息及設定各斷路器和開關的初始狀態。
[0010]所述步驟二至步驟五中智能操作模塊處理斷路器和開關開合的信息包括以下步驟:
步驟a、解析接收到的G00SE報文APPID幀信息；
步驟b、判斷是否是訂閱的APPID幀信息，若是則進行下一步，若否則處理結束；
步驟c、解析接收到的G00SE報文數據集； 步驟d、獲取當前開關和智能斷路器的開合閘命令；
步驟e、將獲取的開合閘命令循環比對其與命令前各開關或智能斷路器的開合閘狀態；
步驟f、判斷命令中該開關或智能斷路器狀態與命令前狀態是否不同，若不同則進行步驟g，若相同則跳過步驟g直接進入步驟h ；
步驟g、將該開關或智能斷路器信息加入自定義的狀態變化量；
步驟h、判斷是否所有開關和智能斷路器遍歷完成，若是則進行下一步驟，否則返回步驟e;
步驟1、判斷開關或智能斷路器是否正常工作，若是則進入步驟j，若否直接處理結束； 步驟j、發送當前開關和智能斷路器的位置狀態GOOSE報文，發送完成後處理結束。
[0011]G00SE模型中允許訂閱者以C/S的通信模式讀取或設置發布者的控制塊屬性，G00SE 的控制塊的定義屬性名包括 GoCBNam、GoEna、GoCBRef、DatSet、ConfRev、AppID 及NdsCom，其中，GOOSE控制塊名GoCBName是唯一標識在LLNO作用域內的GoCB，GOOSE控制塊屬性GoCBRef是LLN0作用域內GoCB唯一路徑名，G00SE是否發送由G00SE使能GoEna決定，當屬性為TRUE時表示當前能發送G00SE報文，反之則表示停止發送G00SE報文，應用標識示APPID作為變電站作用域內各個設備的內部標識，訂閱者可以通過匹配APPID方式來判斷G00SE報文是否為自己需要的報文。DatSet屬性代表DATA-SET引用，DATA-SET成員值正在被傳送。配置版本ConfRev屬性表示DATA-SET配置是否改變，當DATA-SET成員發生改變，會引起ConfRev的數值改變。是否重新配置NdsCom屬性表示是否需要配置GoCB，GOOSE正常通信時NdsCom屬性為FALSE，若DatSet屬性值為NULL時，NdsCom值為TRUE，表示 GoCB 需要配置。GOOSE服務定義為 SendGOOSEMessage、GetGoReference、GetGoCBValues、GetGOOSEElementNumber.SetGoCBValues 5 類。其中 SendGOOSEMessage 被用於 G00SE 報文傳輸，其他4類均是用於G00SE控制塊屬性。客戶通過GetGoReference、GetGoCBValues、GetGOOSEElementNumber可以讀取GOOSE控制塊相應的參數，而SetGoCBValues服務可以修改G00SE控制塊中GoEna和AppID等屬性，從而改變G00SE報文傳輸特性。需要說明的是，在GoCB使能時，必須先設置GoEna為FALSE，否則設置將失敗。
[0012]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:(1)本發明包括系統總線及連接在系統總線上的智能操作模塊、G00SE報文接收解碼模塊、G00SE報文發送模塊、備自投模塊、開關閉鎖模塊、通信模塊及人機互動模塊，本發明整體結構簡單，便於實現，且本發明運行時將全部信息集中於一個計算機系統中，實現控制一體化和全所數據的實時共享，進而可提高整體的協調性，且能避免硬體重複配置。
[0013](2)本發明在進行過程中G00SE報文接收解碼任務、G00SE報文編碼發送任務、備自投任務、開關閉鎖任務及通信任務均在同一個進程內進行，這能減小本發明運行時所基於的Windows作業系統內存開銷，且能避免多個進程間進行通訊所存在的操作難度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明實施例的保護控制系統的結構示意圖；
圖2為本發明實施例的保護控制系統運行方法流程圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合實施例及附圖對本發明作進一步的詳細說明，但本發明的實施方式不限於此。
[0016]實施例:
如圖1所示，牽引變電所集中式保護控制系統，包括系統總線及連接在系統總線上的智能操作模塊、G00SE報文接收解碼模塊、G00SE報文發送模塊、備自投模塊、開關閉鎖模塊、通信模塊及人機互動模塊。其中，G00SE報文接收解碼模塊用於接收智能操作模塊發送的開關位置的G00SE報文並對其進行解析，再將解析得到的信息發送給備自投模塊和開關閉鎖模塊。G00SE報文發送模塊用於發送跳閘、合閘信息給智能操作模塊。備自投模塊根據斷路器和隔離開關的位置信息識別牽引變電所的工作方式，對變壓器故障、進線有壓及進線失壓進行判斷，並發出控制斷路器和開關開合的信號至智能操作模塊。開關閉鎖模塊接收G00SE報文接收解碼模塊解碼後的開關、斷路器位置信息，並判斷是否進行閉鎖操作後把判斷結果發送至G00SE報文發送模塊。通信模塊用於對備自投模塊和開關閉鎖模塊與人機互動模塊之間進行信息的傳遞。人機互動模塊用於信息的錄入和輸出。智能操作模塊用於向G00SE報文接收解碼模塊發送當前的開關位置信息，接收備自投模塊發送的控制斷路器和開關開合的信號，以及接收並解析開關閉鎖模塊發送的閉鎖信息，進而發出相應的控制指令。
[0017]如圖2所示，牽引變電所集中式保護控制系統的運行方法，包括以下步驟:保護控制系統初始化、智能操作模塊獲取開關位置信息並編碼後發送、解析編碼後的開關位置信息並將解析後信息發送至備自投模塊和開關閉鎖模塊、備自投模塊和開關閉鎖模塊判斷開關位置信息後發出相應指令、智能操作模塊執行判斷後指令，保護控制系統運行過程中在初始化後。其中，保護控制系統初始化中對智能操作模塊進行初始化處理包括設定開關和斷路器的個數、設定集中式保護控制系統的APPID幀信息及設定各斷路器和開關的初始狀態。智能操作模塊獲取開關位置信息並編碼後發送的具體過程為:智能操作模塊獲取當前開關位置信息後按照G00SE編碼開關位置信息，並將編碼後的開關位置信息發送至G00SE報文接收解碼模塊。解析編碼後的開關位置信息並將解析後信息發送至備自投模塊和開關閉鎖模塊的具體過程為:G00SE報文接收解碼模塊將接收到的開關位置信息進行解析後發送至備自投模塊和開關閉鎖模塊。備自投模塊和開關閉鎖模塊判斷開關位置信息後發出相應指令的具體過程為:備自投模塊對收到的開關位置信息進行識別和判斷，並經判斷後發出控制斷路器和開關開合的信息至G00SE報文發送模塊，開關閉鎖模塊對收到的開關位置信息進行判斷後將判斷結果發送至G00SE報文發送模塊。智能操作模塊執行判斷後指令的具體過程為:G00SE報文發送模塊將接收到的備自投模塊發送的信息和開關閉鎖模塊發送的信息進行編碼，再將編碼後的信息發送至智能操作模塊，並由智能操作模塊發出控制指令。
[0018]智能操作模塊處理斷路器和開關開合的信息包括以下步驟:步驟a、解析接收到的G00SE報文APPID幀信息；步驟b、判斷是否是訂閱的APPID幀信息，若是則進行下一步，若否則處理結束；步驟c、解析接收到的G00SE報文數據集；步驟d、獲取當前開關和智能斷路器的開合閘命令；步驟e、將獲取的開合閘命令循環比對其與命令前各開關或智能斷路器的開合閘狀態；步驟f、判斷命令中該開關或智能斷路器狀態與命令前狀態是否不同，若不同則進行步驟g，若相同則跳過步驟g直接進入步驟h;步驟g、將該開關或智能斷路器信息加入自定義的狀態變化量；步驟h、判斷是否所有開關和智能斷路器遍歷完成，若是則進行下一步驟，否則返回步驟e ;步驟1、判斷開關或智能斷路器是否正常工作，若是則進入步驟j，若否直接處理結束；步驟j、發送當前開關和智能斷路器的位置狀態GOOSE報文，發送完成後處理結束。
[0019]牽引變電所集中式保護控制系統運行時基於WINCAP的乙太網通信，ffinpcap是基於Windows平臺的，可以用以抓包和分析的工具，它可以繞過協議棧捕獲並傳送網絡數據包。winpcap提供了兩個不同的動態連結庫packet, dll和wpcap.dll。其中packet,dll提供了一個底層的應用程式接口(API)，通過API可以直接訪問網絡設備驅動，而與Microsoft作業系統沒有關係；wpcap.dll是一個高層的強大捕獲程序庫，與Uinx下的libpcap兼容，它獨立於下層的網絡硬體和作業系統。Winpcap捕獲系統需要佔用作業系統的協議棧，這樣才能訪問通過網絡的原始數據。因此需要有部分內容運行在作業系統內核中，能夠直接訪問網絡接口驅動。這部分內容對系統的依賴性很強，在winpcap中，它被稱為 Netgroup Packet Filter ( NPF)。
[0020]根據IEC 61850標準，G00SE報文在數據鏈路層上採用ISO/ IEC 8802.3協議(即乙太網協議)，但在標準的乙太網報文頭加入了一個Tag，Tag中包含了 12 bit的虛擬區域網標識碼和3 bit的報文優先級碼。因為G00SE報文是從應用層直接映射到數據鏈路層的，而報文內容是數據鏈路層的數據，並不包含諸如TCP和UDP等協議報文頭，其數據是根據製造報文規範和ASN.1標準進行編碼的。在編碼中，G00SE傳送的數據allData所反映的信息直接決定相應執行器的動作，是G00SE報文中至關重要的內容。
[0021]本實施例中G00SE報文編碼過程中首先獲取本機MAC地址，之後獲取本機乙太網網卡名稱，以便啟動一個WinPcap會話，打開一個WinPcap會話，準備開始發送乙太網報文，將allData域的緩衝區指針傳遞給編碼函數以便計算各個部分所需要的長度值，若傳入的緩衝區過大，超過乙太網報文最大字節數，則返回失敗碼，再將廣播或多播地址放入乙太網首部的前面6個字節，即目的地址，而本機地址則放入隨後的6位元組，sqNum從0x00000000開始遞增，每發送一次G00SE報文遞增1，配置版本confRev由用戶指定，預設值為0x00000001。若軟體實現備自投功能，G00SE報文編碼發送多路跳合閘命令，對G00SE跳合閘報文選擇SPC可控單點類，一個SPC對象控制一路斷路器或隔離開關的跳合閘。alldata域包涵13路斷路器和隔離開關跳合閘信息,true表示跳閘，false表示合閘，跳閘編碼為0x83-01-01，合閘編碼為0x83-01-00，若和之前的狀態保持不變則編碼方式和之前的一致。
[0022]本實施例中G00SE報文解碼時首先獲取本機MAC地址和本機乙太網網卡內部名稱，並對網卡名稱進行一定的修飾，再根據修飾後的名稱打開一個WinPcap通信會話，若無法獲得有效的會話句柄，則可能是網卡未連接或網卡工作故障，程序顯示錯誤信息並退出，若會話句柄有效，則接收報文，通過解析收到報文的目的MAC地址判斷是否為多播或廣播報文，通過解析其優先級tag以及乙太網類型判斷是不是合法的G00SE報文。若是合法的G00SE報文，則解析應用層定義協議數據單元PDU首部，解碼獲取該報文的APPID，判斷是否是本設計感興趣的G00SE報文，若不是則直接進入下一循環；若是感興趣的報文則解碼獲取報文的生存時間和發送時間，判斷報文是否過期，若未過期，則提取該報文的allData域。在GOOSE報文解碼的過程中，需要注意:要先訂閱G00SE，才能接收GOOSE信號，可以訂閱多個MAC地址下的信息。
[0023]如上所述，則能很好的實現本發明。
【權利要求】
1.牽引變電所集中式保護控制系統，其特徵在於，包括系統總線及連接在系統總線上的智能操作模塊、GOOSE報文接收解碼模塊、GOOSE報文發送模塊、備自投模塊、開關閉鎖模塊、通信模塊及人機互動模塊，其中: GOOSE報文接收解碼模塊用於接收智能操作模塊發送的開關位置的GOOSE報文並對其進行解析，再將解析得到的信息發送給備自投模塊和開關閉鎖模塊； GOOSE報文發送模塊用於發送跳閘、合閘信息給智能操作模塊； 備自投模塊根據斷路器和隔離開關的位置信息識別牽引變電所的工作方式，對變壓器故障、進線有壓及進線失壓進行判斷，並發出控制斷路器和開關開合的信號至智能操作模塊； 開關閉鎖模塊接收GOOSE報文接收解碼模塊解碼後的開關、斷路器位置信息，並判斷是否進行閉鎖操作後把判斷結果發送至GOOSE報文發送模塊； 通信模塊用於對備自投模塊和開關閉鎖模塊與人機互動模塊之間進行信息的傳遞； 人機互動模塊用於信息的錄入和輸出； 智能操作模塊用於向GOOSE報文接收解碼模塊發送當前的開關位置信息，接收備自投模塊發送的控制斷路器和開關開合的信號，以及接收並解析開關閉鎖模塊發送的閉鎖信息，進而發出相應的控制指令。
2.如權利要求1所述的牽引變電所集中式保護控制系統的運行方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟一、保護控制系統初始化； 步驟二、智能操作模塊獲取當前開關位置信息後按照GOOSE編碼開關位置信息，並將編碼後的開關位置信息發送至GOOSE報文接收解碼模塊； 步驟三、GOOSE報文接收解碼模塊將接收到的開關位置信息進行解析後發送至備自投模塊和開關閉鎖模塊； 步驟四、備自投模塊對收到的開關位置信息進行識別和判斷，並經判斷後發出控制斷路器和開關開合的信息至GOOSE報文發送模塊，開關閉鎖模塊對收到的開關位置信息進行判斷後將判斷結果發送至GOOSE報文發送模塊； 步驟五、GOOSE報文發送模塊將接收到的備自投模塊發送的信息和開關閉鎖模塊發送的信息進行編碼，再將編碼後的信息發送至智能操作模塊，並由智能操作模塊發出控制指令。
3.根據權利要求2所述的牽引變電所集中式保護控制系統的運行方法，其特徵在於，所述步驟一中對智能操作模塊進行初始化處理包括設定開關和斷路器的個數、設定集中式保護控制系統的APPID幀信息及設定各斷路器和開關的初始狀態。
4.根據權利要求2所述的牽引變電所集中式保護控制系統的運行方法，其特徵在於，所述步驟二至步驟五中智能操作模塊處理斷路器和開關開合的信息包括以下步驟: 步驟a、解析接收到的GOOSE報文APPID幀信息； 步驟b、判斷是否是訂閱的APPID幀信息，若是則進行下一步，若否則處理結束； 步驟C、解析接收到的GOOSE報文數據集； 步驟d、獲取當前開關和智能斷路器的開合閘命令； 步驟e、將獲取的開合閘命令循環比對其與命令前各開關或智能斷路器的開合閘狀態； 步驟f、判斷命令中該開關或智能斷路器狀態與命令前狀態是否不同，若不同則進行步驟g，若相同則跳過步驟g直接進入步驟h; 步驟g、將該開關或智能斷路器信息加入自定義的狀態變化量； 步驟h、判斷是否所有開關和智能斷路器遍歷完成，若是則進行下一步驟，否則返回步驟e ; 步驟1、判斷開關或智能斷路器是否正常工作，若是則進入步驟j，若否直接處理結束； 步驟j、發送當前開關和智能斷路器的位置狀態GOOSE報文，發送完成後處理結束。
【文檔編號】H02J13/00GK104426241SQ201310396845
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年9月4日 優先權日:2013年9月4日
【發明者】龔伶 申請人:龔伶