基于集成智能终端的智能变电站二次系统通信框架设计方法及系统与流程

1.本发明涉及电力系统仿真技术领域，尤其涉及一种基于集成智能终端的智能变电站二次系统通信框架设计方法及系统。


背景技术：

2.近年来，智能变电站运维高级应用技术不断发展，基于二次设备信息的功能如二次设备状态在线监视等由于二次设备间关系不明，导致设备间状态信息的数据混乱，设备配置效率低，且容易发生错误。变电站配置描述(scd)在iec
‑
61850智能变电站中发挥着重要作用。
3.智能变电站是智能电网的一个关键组成部分。目前，智能变电站主要基于iec61850标准，采用“三层两网”架构框架，实现变电站信息数字化和高级应用功能。“三层”是指站控层、间隔层、过程层的设备配置。虽然智能变电站解决了信息共享等问题，但由于早期的变电站在建设理念、技术创新和标准制定等方面还不够成熟，尤其是智能变电站内许多系统功能较为分散，主要体现在与变电站保护、测量、控制和数据采集相关的设备上。随着智能变电站技术的不断发展，尤其是基于二次设备信息的智能站运维等高级技术的应用，设备模型基础的薄弱越来越成为阻碍变电站智能化技术发展的主要问题。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术存在的缺陷和不足，提出一种基于集成智能终端的智能变电站二次系统通信框架设计方法及系统，分析了scd的应用，并提出了一种有效的基于集成智能终端的智能变电站二次系统通信的解决方案，采用了可靠的scd模型。基于完整的scd模型，实现智能变电站的各种高级应用的管理，提高信息交互效率，简化工程配置工作。通过将过程层各设备信息集中在一个硬件平台上，以实现最佳的变电站设备信息交互和保护控制，使变电站能为电力系统提供更合理的保护和控制策略。
5.其具体采用以下技术方案：
6.一种基于集成智能终端的智能变电站二次系统通信框架设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.步骤s1：给定电力系统模型设计信息，包括一次系统的主接线图及其建模数据；在iec61970
‑
cim的基础上建立数字变电站的一次系统，通过uml进行描述并存储在数据库中；
8.步骤s2：对每个ied在主系统的模型上进行配置，每个设备都配置一个由制造商提供的icd文件；
9.步骤s3：通过主系统和icd文件的通用信息模型cim形成ied的配置信息；
10.步骤s4：建立基于虚拟二次线路连接ied之间信号的虚拟终端，信号连接基于的电路包括：电流电路、电压电路、控制电路和信号监测电路；
11.步骤s5：根据已完成的二次系统信号回路，生成电网中所配置的ied之间的互操作
关系，同时自动生成scd文件；
12.步骤s6：利用功能互操作模块描述设备和通信网络之间的关系，通信网络与互操作模块保持一致。
13.进一步地，在步骤s2中，根据设备的类型，建立初始的ied设计模板，实现基于设备的原始保护配置；在保护类型的基础上建立初始icd模板的逻辑节点ln实例，ln被配置为数据对象do；并列举所有的功能描述和do实例描述，这些实例的描述从语义定义数据库中选择，按照iec61850项目的继电保护应用模型建模，对于不同电压等级的同一保护类型，在建立保护类型时，对电压等级进行区分；保护配置完成后，导入厂家提供的icd文件，进行模板匹配；每个icd文件都有数据类型的模板。
14.进一步地，icd文件的导入方式采用合并相同数据类型的方式，在导入时，检查icd文件的数据类型，重复的数据类型不导入；将初始的ied设计模板应与制造商的icd文件相关联，参数的调整在制造商提供的icd文件中进行，模板匹配采用自动或手动模式。
15.进一步地，在步骤s4中，定义智能二次设备与其应用相关的属性，以实现虚拟电路的自动关联，定义的属性包括：应用的电压等级、主接线形式、间隔和保护类型；通过ied命名实现设备标准化，ied的命名表明ied名称字段的定义，其中包括：ied信息、间隔信息、电压等级和间隔号。
16.进一步地，在步骤s5中，scd文件中的逻辑回路的自动设计分为两个步骤，包括：建立标准连接专家库和虚拟电路连接。
17.以及，基于集成智能终端的智能变电站二次系统通信框架设计方法的系统，其特征在于，包括：相连接的虚拟终端配置模块、虚拟终端连接模块、智能设备连接模块和功能互操作模块，用于描述智能变电站二次系统的整体配置和结构；
18.所述虚拟终端配置模块根据icd文件获得，用于显示设备的虚拟终端，所述虚拟终端描述的是由ied所提供的功能信息；
19.所述虚拟终端连接模块在虚拟终端配置模块上绘制形成，用于描述智能设备之间的信号连接；
20.所述功能互操作模块通过对虚拟终端连接模块中信号的提取和功能归纳获得，用于显示智能设备在功能上的逻辑关系；
21.所述智能设备连接模块根据设计要求和通信方式形成。
22.进一步地，通过端口映射，将所述虚拟终端的逻辑连接端口映射到具体的智能设备端口，将智能变电站的逻辑拓扑与智能设备连接构建联系，并根据虚拟终端配置模块和智能设备连接模块，得到变电站通信网络模块，用于描述数字变电站的通信结构。
23.进一步地，采用标准间隔构成变电站的标准化单元，包括：线路间距、母线间距和变压器间距；对同一电压等级、同一接线方式、同一间隔类型，进行保护配置标准化；并通过变电站主接线类型和设备类型的组合形成固定的间隔类型；通过标准间隔形成相应的标准二次设备虚拟电路连接模板；在构建标准的二次虚拟电路连接库时，首先建立标准二次设备和二次设备终端信息，然后将虚拟终端关联起来，形成标准间隔连接库；在创建二次设备时，添加的设备按照标准设备定义ied名称字段命名，该设备有自己的电压等级和设备类型。
24.进一步地，根据国家、行业和电网企业标准形成的标准连接专家库，进行智能二次
设备之间的虚拟终端连接和物理端口智能配置的设计，生成scd文件；通过添加设备的ied名称，与专家库中的标准设备匹配，根据专家库中标准二次设备的虚拟电路连接模板，通过虚拟终端定义描述及其参考地址，设计获得虚拟终端。
25.进一步地，在过程层中，构建集成智能终端iit，用于替代传统智能变电站中使用的mu和it设备，
26.利用面向对象的通用变电站事件goose网络完成信息采集和控制操作，将所述智能终端获取的信号进行压缩处理，并引入两个参数：压缩系数和均方误差百分比；其中，压缩系数定义为原始文件的大小与压缩信号的大小之间的比率：
[0027][0028]
均方误差百分比则定义为：
[0029][0030]
其中，和分别为原始信号和压缩信号；
[0031]
电流、电压等信号包括在数据包中，数据包流速如下式所示：
[0032]
d＝nl
m
f
t (3)
[0033]
其中，d为数据流速，单位bits/sec；n为合并单元数量；l
m
为数据长度，单位bit；f
t
为包的传输频率，单位hz；
[0034]
总通信时间根据下式计算：
[0035]
t＝t
mu
t
ied
t
d (4)
[0036]
其中，t
mu
为合并单元处理时间；t
ied
为ied处理时间；t
d
为包延迟时间；
[0037]
延迟时间的构成如下式所示：
[0038]
t
d
＝t
g
t
s
t
l
t
p (5)
[0039]
其中，t
g
为数据生成延迟；t
s
数据发送延迟；t
l
为传输连接延迟；t
p
为数据解析延迟；
[0040]
所述智能终端由四个模块组成：主处理器模块、dsp综合处理模块、fpga数据采集模块和断路器智能控制模块；
[0041]
在间隔层中，通过不同的分立设备实现站区保护、监测、控制、故障录波、电能质量和在线监测。
[0042]
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如上所述的基于集成智能终端的智能变电站二次系统通信框架设计方法的分析方法的步骤。
[0043]
一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于集成智能终端的智能变电站二次系统通信框架设计方法的分析方法的步骤。
[0044]
相较于现有技术，本发明及其优选方案采用了可靠的scd模型，基于完整的scd模型，实现智能变电站的各种高级应用的管理，提高信息交互效率，简化工程配置工作：
[0045]
1、根据二次系统信号回路，设计系统自动生成电网中所配置的ied之间的互操作关系，同时自动生成scd文件，利用功能互操作模块描述设备和通信网络之间的关系。
[0046]
2、根据具体的逻辑功能，将iit分为合并单元、智能终端等功能模块。iit采用高性能的通用硬件平台，可以根据不同的功能灵活配置，实现相应的功能要求，如线路保护、电容器保护、变压器保护等。
[0047]
3、在间隔层中，通过不同的分立设备实现站区保护、监测、控制、故障录波、电能质量、在线检测等功能。
附图说明
[0048]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
[0049]
图1是本发明实施例二次系统设计流程示意图；
[0050]
图2是本发明实施例二次系统各模块关系示意图；
[0051]
图3是本发明实施例初始icd文件与制造商icd文件匹配方法示意图；
[0052]
图4是本发明实施例二次线路连接库的构造方法示意图；
[0053]
图5是本发明实施例简化的通信系统结构示意图。
具体实施方式
[0054]
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：
[0055]
本实施例提供了一种基于集成智能终端的智能变电站二次系统通信框架设计方法及系统的设计方法，包括：
[0056]
步骤s1：给定电力系统模型设计信息，包括一次系统的主接线图及其建模数据。在iec61970
‑
cim的基础上建立数字变电站的一次系统，通过uml(unified modeling language)进行描述并存储在数据库中。
[0057]
步骤s2：对每个ied在主系统的模型上进行配置。每个设备都有一个由制造商提供的icd文件。
[0058]
步骤s3：通过主系统和icd文件通用信息模型(cim)形成ied配置信息。
[0059]
步骤s4：建立基于虚拟二次线路连接ied之间信号的虚拟终端。信号连接基于传统电路，如电流电路、电压电路、控制电路和信号监测电路。
[0060]
步骤s5：根据已完成的二次系统信号回路，设计系统自动生成电网中所配置的ied之间的互操作关系，同时自动生成scd文件。
[0061]
步骤s6：利用功能互操作模块描述设备和通信网络之间的关系，通信网络与互操作模块保持一致。设计流程如图1所示。
[0062]
整个设计过程用四个模块来解释：虚拟终端配置模块、虚拟终端连接模块、智能设备连接模块和功能互操作模块。这四个模块主要由autocad软件绘制，描述了智能变电站二次系统的整体配置和结构。各模块关系如图2所示。
[0063]
通过虚拟终端配置模块来显示设备的虚拟终端。虚拟终端所描述的是一个有ied所提供的功能信息。虚拟终端配置模块根据icd文件自动获得。
[0064]
根据不同功能的实现，在虚拟终端配置模块上绘制虚拟终端连接模块。虚拟终端
连接模块描述了智能设备之间的信号连接。
[0065]
通过对虚拟终端连接模块中信号的提取和功能归纳，得到功能互操作模块，它显示了智能设备在功能上的逻辑关系。
[0066]
根据设计要求和通信方式，形成智能变电站的智能设备连接模块。
[0067]
本实施例通过端口映射，将虚拟终端的逻辑连接端口映射到具体的智能设备端口，将数字变电站的逻辑拓扑与智能设备连接联系起来。同时，根据虚拟终端配置模块和智能设备连接模块，得到变电站通信网络模块。它描述了数字变电站的通信结构。
[0068]
本实施例根据设备的类型，建立初始的ied设计模板，实现基于当前主流制造商生产的设备的原始保护配置。
[0069]
在保护类型的基础上建立初始icd模板的逻辑节点(ln)实例，ln被配置为数据对象(do)。
[0070]
列举所有的功能描述和do实例描述。这些实例的描述从语义定义数据库中选择，按照iec61850项目的继电保护应用模型建模。对于不同电压等级的同一保护类型，在建立保护类型时，对电压等级进行区分。
[0071]
保护配置完成后，导入厂家提供的icd文件，进行模板匹配。每个icd文件都有数据类型的模板。icd文件的导入方式一般采用合并相同数据类型的方式。在导入时，设计系统会检查icd文件的数据类型。重复的数据类型不需要被导入。
[0072]
将初始的ied设计模板应与制造商的icd文件相关联。参数的调整在制造商提供的icd文件中进行。模板匹配采用自动或手动模式，只要有一个icd文件完成了手动匹配，就能实现同一icd文件的自动匹配。该过程如图3所示。
[0073]
在本实施例中，根据国家、行业和电网企业相关标准形成的标准连接专家库，实现智能二次设备之间的虚拟终端连接和物理端口智能配置的自动设计，生成scd文件。
[0074]
scd文件中的逻辑回路的自动设计分为两个步骤：建立标准连接专家库和虚拟电路连接。
[0075]
定义智能二次设备与其应用有关的属性，以实现虚拟电路的自动关联。定义的属性包括应用的电压等级、主接线形式、间隔和保护类型。通过ied命名来实现设备标准化。ied的命名表明了ied名称字段的定义，其中包括：ied信息、间隔信息、电压等级、间隔号等。
[0076]
变电站是由不同的标准间隔组成的。间隔可以看作是构成变电站的标准化单元，主要包括线路间距、母线间距、变压器间距等。二次系统的配置因电压或间隔的不同而不同。对同一电压等级、同一接线方式、同一间隔类型，进行保护配置标准化。
[0077]
间隔保护的一般类型的划分需要考虑两个层面。一是变电站主接线类型，二是设备类型。根据电压等级、变电站容量和在系统中的重要性，主接线包括三种主要接线方式：双母线接线方式、单母线接线方式和单半接线方式。这两个维度可以自由组合，形成固定的间隔类型。
[0078]
二次信息流主要在间隔保护的设备、监测控制设备、合并单元和智能终端之间，其他间隔设备之间基本没有信息流。以一个标准间隔为例，可以形成相应的标准二次设备虚拟电路连接模板。
[0079]
在构建标准的二次虚拟电路连接库时，首先要建立标准二次设备和二次设备终端信息，然后将虚拟终端关联起来，形成标准间隔连接库。构建过程如图4所示。
[0080]
本实施例考虑到在工程设计中，在创建二次设备时，添加的设备是按照标准设备定义ied名称字段命名的，该设备有自己的电压等级和设备类型。通过添加设备的ied名称，与专家库中的标准设备匹配。根据专家库中标准二次设备的虚拟电路连接模板，通过虚拟终端定义描述及其参考地址，自动设计虚拟终端。
[0081]
在传统的智能变电站中，智能终端(it)和合并单元(mu)是过程层的主要设备。it用于设备状态采集和远程命令执行。mu主要用于数字合并、处理和协议转换功能。
[0082]
在本实施例中，通过整合设计，在过程层中，构建集成智能终端(iit)，来替代传统智能变电站中使用的mu和it设备。iit安装在主设备附近，能够获得主设备的所需信息。
[0083]
智能变电站利用面向对象的通用变电站事件(goose)网络完成信息采集和控制操作。将智能终端获取的信号进行压缩处理，为了评估压缩的效果，引入两个参数：压缩系数和均方误差百分比。压缩系数定义为原始文件的大小与压缩信号的大小之间的比率：
[0084][0085]
而均方误差百分比则定义为：
[0086][0087]
其中，和分别为原始信号和压缩信号。
[0088]
电流、电压等信号包括在数据包中，数据包流速如下式所示：
[0089]
d＝nl
m
f
t (3)
[0090]
其中，d为数据流速，单位bits/sec；n为合并单元数量；l
m
为数据长度，单位bit；f
t
为包的传输频率，单位hz。
[0091]
总通信时间根据下式计算：
[0092]
t＝t
mu
t
ied
t
d (4)
[0093]
其中，t
mu
为合并单元处理时间；t
ied
为ied处理时间；t
d
为包延迟时间。
[0094]
延迟时间的构成如下式所示：
[0095]
t
d
＝t
g
t
s
t
l
t
p (5)
[0096]
其中，t
g
为数据生成延迟；t
s
数据发送延迟；t
l
为传输连接延迟；t
p
为数据解析延迟。
[0097]
根据具体的逻辑功能，将iit分为合并单元、智能终端等功能模块。由于其软硬件配置的一体化设计，iit由四个主要模块组成：主处理器模块、dsp综合处理模块、fpga数据采集模块和断路器智能控制模块。iit采用高性能的通用硬件平台，可以根据不同的功能灵活配置，实现相应的功能要求，如线路保护、电容器保护、变压器保护等。
[0098]
在间隔层中，通过不同的分立设备实现站区保护、监测、控制、故障录波、电能质量、在线监测等功能。
[0099]
站层主要提供人机接触界面，形成变电站的所有设备运行控制和管理功能。简化的通信系统如图5所示。
[0100]
本实施例提供的以上系统及方法可以代码化的形式存储在计算机可读取存储介
质中，并以计算机程序的方式进行实现，并通过计算机硬件输入计算所需的基本参数信息，并输出计算结果。
[0101]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0102]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0103]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0104]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0105]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
[0106]
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于集成智能终端的智能变电站二次系统通信框架设计方法及系统，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。