智能化GIS狀態監測系統主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有IED數量增多，各自組網，占用了大量的網絡資源，并在網絡接口能力、整體功能協同方面有局限性。

根據IEC61850 標準的要求，如果要實現網絡冗余，那么過程層IED 需配置2 個以太網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網絡冗余，還需要配置多個以太網接口與過程級的設備組網通信。要滿足智能化變電站所要求的網絡接口能力，那么IED 的主體硬件結構要改變，軟件系統也要更新，成本將會大幅度提升，開發周期也會相應加長。

1 系統結構

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

2 功能

根據GIS 在線監測的特征量，在IEC61850 標準模型基礎上進行信息建模和服務建模。IEC61850規范了數據模型、服務以及建模方法。總體系統圖如圖1所示，GIS 在線監測主IED 具備的功能如下：

1）承擔所有監測IED 監測結果的綜合分析，并存入數據庫和文件，通過站控層網絡報告綜合分析結果。

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

3）預留RS-485、光纖等通信口。

圖1 主IED 系統圖

3 硬件結構

因為各監測IED 的監測結果通過過程層網絡向主IED 報告自評估結果。監測功能組主IED 承擔所有監測IED 監測結果的綜合分析，并與過程層、站控層進行信息互動。所產生的數據量大、存儲文件多、數據上傳實時性高。所以對硬件系統要求很高。為達到系統的性能要求，硬件系統需要有很高的數據處理能力、實時響應能力和可靠性。硬件系統如圖2所示。

圖2 主IED 硬件系統結構圖

3.1 控制系統

控制系統采用嵌入式PC，有最大1660M 頻率的雙核CPU，支持DDRⅢ內存最大到2GB，支持多個串口通信接口和 USB2.0 通信接口，有 2 個10/100M 以太網接口；硬件平臺支持WinCE6.0 或WindowsXPE 嵌入式操作系統，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、安全隔離等優點，供電輸入為DC110、DC220、AC220。能可靠為系統供電，并具有短路保護、低紋波、噪聲特點。

3.3 存儲系統

數據存儲選用500G 大容量硬盤,控制系統通過IDE 總線進行數據存儲。

3.4 通信接口

雙485 接口與有RS485 總線的監測IED 通信，實時讀取數據分析、存儲。光纖接口接入交換機，主IED 接收所有監測IED 的監測結果并分析通過光纖上傳到站控層。硬件支持以太網通信協議。控制系統分為兩層：第一，與各監測設備之間通過IEC61850通信協議或RS485 總線進行數據交換；第二，與服務器之間通過TCP/IP 協議互相傳送數據和文件。

4 軟件系統

軟件系統包括召喚各監測IED 監測數據分析處理程序、完成數據鏈路層以上的網絡協議所規定的通訊功能程序，以及執行相應中斷的服務程序。

系統設計不但要實現現場數據收集，分析整理數據、將數據傳輸給站控層網絡，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。軟件系統如圖3所示，用WindowsXPE 嵌入式系統作多任務的調度，用戶開發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即可。其內置了TCP/IP 協議棧，不需要移植就可提供統一的數據通信平臺。

4.1 軟件系統框架

軟件系統框架采用面向對象的模塊化結構，由主控模塊、規約模塊、數據控制模塊組成。

1）主控模塊

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

圖3 軟件系統圖

2）通信模塊

通信規約模塊是主處理模塊，調用 Net- CoreIDE-61850 開發包提供的庫函數，以實現全部的IEC61850 功能。

3）數據控制模塊

數據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據，并對各路數據在傳輸過程中是否發生畸變進行校驗，以防止提供錯誤數據。

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 采用發布/訂閱模式，報文延時不得超過4ms。

4.3 協議實現

協議實現的本質就是按照IEC61850 規約的4 個語義層次對其邏輯設備/邏輯接點、數據對象、數據屬性和數據集構建模型。針對不同的數字接口，在報文發送時將數字輸入/輸出設備傳送來的信息從報文中拆解出來，然后通過控制系統與網絡通信模塊進行數據交換。網絡通信模塊軟件針對智能設備初始化報文及需要協議的相關包，對數據作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 用監測系統主IED 的發 展趨勢和研究方向。目前，智能化GIS 監測系統主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。

[1] DL/617-2010.氣體絕緣金屬封閉開關設備技術條件.2010.

[2] 陳振生.智能化高壓電器[J].電氣開關.1998(5):3-9.

[3] 童曉陽,李崗,陳德明,等.采用IEC61850 的變電站間隔層 IED 軟件設計方案[J].電力系統自動化,2006,30(14): 54-58.

[4] 杜鳳青,盛戈皞,徐劍,等.基于IEC61850 的GIS 智能監測信息建模及信息交互系統設計[J].電力自動化設備.2013,6(31):163-167.

[5] 韓月,耿寶宏,高強.智能變電站變電設備在線監測系統研究[J].東北電力技術,2011,01(8)17-20.