專利名稱：基于epa扁平化網絡架構的高可靠變電站自動化系統及控制方法
技術領域：
本發明屬電力行業變電站自動化系統的技術范疇，特別是指基于EPA扁平化網絡架構的高可靠變電站自動化系統及控制方法。
背景技術：
變電站承擔電能的轉換和分配，在電網的安全和經濟運行中具有舉足輕重的作用。隨著我國經濟總量的不斷增大，電網的規模和結構復雜度亦持續增大，導致變電站自動化系統的可靠性面臨空前的挑戰；而無人值守變電站管理模式的推進，更加劇了變電站自動化系統高可靠性的緊迫性。2009年7月1日，《DL中華人民共和國電力行業標準(DL/ Tl 146-2009) :DL/T860實施技術規范》頒布，這是指導我國變電站自動化系統的主要技術規范，相應的國際標準是IEC TC57工作組歷時8年(1995至2003年)制定的IEC61850。變電站自動化系統領域的代表性研究成果列舉如下· 一種變電站綜合自動化系統(申請號200810041715. 6)，提出采用監控層、管理層、通訊層、間隔層的多層網絡架構，監控層中的服務器通過網線與通訊網絡層中的交換機以及管理層中的通訊管理機相連，間隔層中的測控單元、繼電保護單元和其他智能裝置通過網線與管理層中的通訊管理機相連。· 一種數字化變電站模型檢測方法(ZL200910243456. X)，提出一種遵循IEC61850 標準的數字化變電站模型檢測方法，并支持面向國內《IEC61850國際標準工程化實施技術規范》的規范性檢測。·電力系統微機保護(ZL200310103530. 0)，提出保護模塊、監控模塊、顯示模塊組成的微機保護系統，保護、監控、顯示功能的計算機軟件程序固化在保護、監控、顯示DSP芯片中。上述有益探索和研究成果有一定的參考和借鑒價值。從智能電網的角度審視現有成果，變電站自動化系統仍存在諸多亟待改進之處，有必要在現有研究成果基礎上作進一步的深入研究與創新。遵循IEC61850，變電站自動化系統采用變電站層、間隔或單元層、過程或設備層組成的三層標準系統架構；變電站層實現全站的監視、管理、控制等功能，并執行與遠方電網調度中心的通信；間隔層負責與過程層設備的通信和控制，同時也承擔通信規約的解釋； 過程層則提供現場模擬量、開關量和脈沖量的實時采集、繼電器保護和操作的接口。隨著網絡技術的興起，網絡化控制系統已取得廣范應用和重大進展；標志性成果就是變電站自動化設備在智能化和多功能化上的長足進步一保護、測量、控制、通訊一體化的變電站自動化新型保護測控裝置(亦稱多功能智能電子裝置MIED(Multi-FunCti0n Intelligent Electronic Device)) ,MIED奠定了壓縮網絡化控制系統層次、即實現系統結構扁平化的基礎，結構扁平化能有效提升控制系統的可靠性和可維護性。以功能分散化和通信網絡化為特征的變電站自動化系統，首先把表征間隔層或過程層的設備作為網絡控制系統的一組基本節點；然后合併變電站層和間隔層一壓縮變電站自動化系統的層次，這不僅是必要的而且是可能的；因為微處理器集成度及性能的發展、多機協同技術的成熟，促成了融合保護、 測量、控制、通訊等功能于一體的變電站自動化保護測控裝置MIED。IEC61850受限于標準制定時的技術狀態，制定當時條件下的三層網絡化控制系統結構。IEC61850規定變電站自動化系統通過網絡通信實現數據傳輸，遺憾的是迄今為止網絡數據傳輸的應用案例仍相當有限。阻礙大規模推廣的原因源于兩點保護既有非網絡通信方式設備的巨額投資和連續生產方面的考量，以及變電站運維人員的習慣使然和運維技術儲備的現狀。IEC61850提出的網絡數據傳輸具有前瞻性，是確保變電站自動化系統技術先進性和有效性的重要舉措，問題是找到克服上述兩大難題的網絡數據傳輸解決方案一EPA。EPA(Ethernet for Plant Automation)是我國自主開發的用于工廠自動化的實時以太網通信標準，EPA標準被列為實時以太網標準IEC61784-2中的第14族(CPF14， Common Profile Family 14)，是我國第一個被IEC組織正式承認擁有自主知識產權的國家標準。EPA與國際標準BACnet (ISO 16484)的思路出奇一致，均將OSI的7層互連模型簡化至4層物理、數據鏈路、網絡和應用層；其中網絡層的改造是關鍵一網絡層支持不同主流通信的物理/數據鏈路層協議。顯然，不同的物理/數據鏈路層對EPA (或BACnet)用戶而言是透明的，從而非網絡通信的設備可以平滑過渡到EPA網絡通信的設備；因此，變電站網絡數據傳輸面臨的兩大難題將不復存在。EPA網絡層中的創新擴充設計一網絡層支持不同主流通信的物理/數據鏈路層協議，使非以太網接口的設備不必經傳統的規約轉化器就可以直接接入EPA，減少了通信開銷、進一步提升了控制系統的可靠性和可維護性。以太網不是為工業自動化系統設計的，換言之，理論上信息傳輸的實時性、可靠性、確定性無法完全滿足工業現場的要求；但另一方面，以太網通信速率已從IEC61850起草時的10M躍升至目前的10G，在數據吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網絡負荷的減輕和網絡傳輸延時的減小，即網絡碰撞機率下降；研究表明網絡負荷小于最大理論負荷25%時，實時性和準確性是可以保障的。同時，星型網絡拓撲結構和交換機的應用，使每個網段內節點間數據的傳輸只限在本地網段內，從而降低了所有網段和主干網的網絡負荷。此外，EPA針對以太網實時性方面的不足在協議上也做了大量的優化工作。根據變電站自動化系統中信息的特征和重要性，將以太網報文分為不需要申請重發的報文(DNRR)和需要申請重發的報文(NRR)，DNRR用于普通或周期性發送的信息，NRR用于重要或一次性發送的信息；按信息類型設計重發策略，無疑有助于提升變電站自動化系統的實時性和可靠性。變電站自動化系統可靠性的基礎是融合保護、測量、控制、通訊等功能于一體的變電站MIED的可靠性，MIED的可靠性又取決于裝置的硬件平臺架構、PCB器件插座選擇等因素，其中MIED開關量輸出的可靠性對變電站自動化系統的影響最大，必須予以特別的關注。變電站運行中會產生很強的電磁/浪涌干擾和不可避免的系統振蕩，從而導致自動化系統輸入的采樣值失真、進而造成自動化系統輸出的保護和控制失誤；常用的傅立葉變換對強電磁/浪涌干擾的處理不甚理想，而小波變換在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率，在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率的優異特性，是替代傅立葉變換處理強電磁/浪涌干擾的不錯赫法。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種基于EPA扁平化網絡架構的高可靠變電站自動化系統及控制方法。基于EPA扁平化網絡架構的高可靠變電站自動化系統采用變電站&間隔層、過程層組成的兩層系統架構；調度中心、監控工作站、后臺系統組成變電站&間隔層，MIED、配置 EPA 口的IED和未配置EPA 口的IED組成過程層組成，兩層之間采用雙EPA網絡連接，兩個 EPA網絡互為冗余；MIED直接接入EPA網絡，配置EPA 口的IED與MIED相連，未配置EPA 口的IED通過CAN或RS458總線連接MIED ；MIED采用DSP+ARM+CPLD硬邏輯門控制和多機協同架構，配備高可靠開關量輸出電路和PCB器件雙插座電路；其中DSP型號為TMS320，ARM 型號為:LPC2138, CPLD型號為XC9572 ；DSP和ARM通過串口連接，CPLD和DSP通過11個 IO 口進行數據交換；CPLD XC9572的引腳16與非門Ul的輸入端1相連，非門Ul的輸出端 2與與非門U2的輸入端1相連，與非門U2的輸入端2與CPLD XC9572的引腳17相連，與非門U2的輸出端3與光電耦合器U3的引腳2相連，光電耦合器U3的引腳1與電阻Rl的一端相連，電阻Rl的另一端與VCC相連，光電耦合器U4的引腳4與+12V電源相連，光電耦合器U4的引腳3與電阻R2的一端相連，電阻R2的另一端與電阻R3的一端三極管Ql的引腳1相連，電阻R3的另一端與三極管Ql的引腳2并聯后接地，三極管Ql的引腳3與繼電器Kl的引腳1和二極管Dl的引腳1相連，二極管Dl的引腳2與繼電器Kl的引腳2并聯后接+12V，繼電器Kl的引腳3與電阻R4的一端相連，電阻R4的另一端與光電耦合器U4的引腳4相連，光電耦合器U4的引腳3接地，光電耦合器U4的引腳1與VCC相連，光電耦合器的引腳2與電阻R5的一端相連，電阻R5的另一端與CPLD的引腳18相連。所述的PCB器件雙插座電路包括電源交流板、開入出口板、主控板和總線板。電源交流板通過互感器轉化將220V市電轉化為士5V和士 12V直流電，通過總線板傳輸給主控板CPU ；主控板通過總線板與開入出口板進行交互控制及采集開入信號。基于EPA扁平化網絡架構的高可靠變電站自動化控制方法是變電站自動化系統采用變電站&間隔層、過程層組成的兩層系統架構；兩層之間采用雙EPA網絡連接，兩個 EPA網絡互為冗余EPA雙網結構一EPA 1工作時EPA2備份、反之亦然；EPA報文分為不需要申請重發的報文和需要申請重發的報文，不需要申請重發的報文用于普通或周期性發送的信息，需要申請重發的報文用于重要或一次性發送的信息；過程層中MIED獨立完成保護、 測量和控制，其用戶數據遵照EPA協議進行EPA應用層、網絡層協議控制封裝，并根據所處路徑通信標準進行數據鏈路層協議控制封裝；DSP完成開關和模擬量的采集、小波變換信號處理、故障判斷和故障報告生成，報警和保護等功能；其中，保護功能包括線路保護，變壓器保護，電容器保護等；ARM實現通信、顯示、人機交互、事件記錄、數據存儲等功能；CPLD 通過地址譯碼產生片各種選信號用于控制輸入和輸出、通訊，以及開關量輸入信號的隔離和緩沖，利用計數器和看門狗脈沖實現復位信號，在DSP死機情況下驅動繼電器報警。所述的MIED小波變換信號處理方法為對小波變換算法進行多層小波變換，對其中的高頻干擾強制清零消噪，然后進行小波重構，得到去除干擾的變電站現場信號真實值； 原始信號f (x)，經過第一次小波分解，分解成高頻分量dH, k和低頻分量…，，兩個頻段的跨度相等，假設f(x)的采樣頻率為f Hz，則高頻分量dhu所在頻段f f/2Hz，低頻段的分量所在頻段為0 f/2Hz，第二次小波分解只對第一次分解得到的低頻分量(^h再進行分解，高頻分量dH, k保留不變，Cj, 經過第二次小波分解后，頻段進一步被細分成兩段Cj_2,k和Clj^k,其中Cj_2,k所在頻段為0 f/4Hz，dmk所在頻段為f/4 f/2Hz，依次類
推，在經過j次的小波分解，共得到j+Ι個頻段的小波系數，依次為Ctl,k，d0,k, Cl1,k......dj_2,
k，dfu，每一次的小波分析采用如下多分辨率分析的正交小波變換快速算法對任意信號f(t)，根據尺度方程和小波方程產生的母小波或者基本小波Cp(t)和 Ψ (t)，按照式⑴和(2)得到尺度系數和小波變換系數cy，dj,k
權利要求
1.一種基于EPA扁平化網絡架構的高可靠變電站自動化系統，其特征在于變電站自動化系統采用變電站&間隔層、過程層組成的兩層系統架構；調度中心、監控工作站、后臺系統組成變電站&間隔層，MIED、配置EPA 口的IED和未配置EPA 口的IED組成過程層組成， 兩層之間采用雙EPA網絡連接，兩個EPA網絡互為冗余；MIED直接接入EPA網絡，配置EPA 口的IED與MIED相連，未配置EPA 口的IED通過CAN或RS458總線連接MIED ；MIED采用 DSP+ARM+CPLD硬邏輯門控制和多機協同架構，配備高可靠開關量輸出電路和PCB器件雙插座電路；其中DSP型號為TMS320，ARM型號為LPC2138，CPLD型號為XC9572 ；DSP和ARM 通過串口連接，CPLD和DSP通過11個IO 口進行數據交換；CPLD XC9572的引腳16與非門 Ul的輸入端1相連，非門Ul的輸出端2與與非門U2的輸入端1相連，與非門U2的輸入端 2與CPLDXC9572的引腳17相連，與非門U2的輸出端3與光電耦合器U3的引腳2相連，光電耦合器U3的引腳1與電阻Rl的一端相連，電阻Rl的另一端與VCC相連，光電耦合器U4 的引腳4與+12V電源相連，光電耦合器U4的引腳3與電阻R2的一端相連，電阻R2的另一端與電阻R3的一端三極管Ql的引腳1相連，電阻R3的另一端與三極管Ql的引腳2并聯后接地，三極管Ql的引腳3與繼電器Kl的引腳1和二極管Dl的引腳1相連，二極管Dl的引腳2與繼電器Kl的引腳2并聯后接+12V，繼電器Kl的引腳3與電阻R4的一端相連，電阻R4的另一端與光電耦合器U4的引腳4相連，光電耦合器U4的引腳3接地，光電耦合器 U4的引腳1與VCC相連，光電耦合器的引腳2與電阻R5的一端相連，電阻R5的另一端與 CPLD的引腳18相連。
2.根據權利要求1所述的一種基于EPA扁平化網絡架構的高可靠變電站自動化系統， 其特征在于所述的PCB器件雙插座電路包括電源交流板、開入出口板、主控板和總線板。電源交流板通過互感器轉化將220V市電轉化為士5V和士 12V直流電，通過總線板傳輸給主控板CPU ；主控板通過總線板與開入出口板進行交互控制及采集開入信號。
3.一種使用如權利要求1所述系統的基于EPA扁平化網絡架構的高可靠變電站自動化控制方法，其特征在于變電站自動化系統采用變電站&間隔層、過程層組成的兩層系統架構；兩層之間采用雙EPA網絡連接，兩個EPA網絡互為冗余EPA雙網結構一EPA 1工作時 EPA2備份、反之亦然；EPA報文分為不需要申請重發的報文和需要申請重發的報文，不需要申請重發的報文用于普通或周期性發送的信息，需要申請重發的報文用于重要或一次性發送的信息；過程層中MIED獨立完成保護、測量和控制，其用戶數據遵照EPA協議進行EPA應用層、網絡層協議控制封裝，并根據所處路徑通信標準進行數據鏈路層協議控制封裝；DSP 完成開關和模擬量的采集、小波變換信號處理、故障判斷和故障報告生成，報警和保護等功能；其中，保護功能包括線路保護，變壓器保護，電容器保護等；ARM實現通信、顯示、人機交互、事件記錄、數據存儲等功能；CPLD通過地址譯碼產生片各種選信號用于控制輸入和輸出、通訊，以及開關量輸入信號的隔離和緩沖，利用計數器和看門狗脈沖實現復位信號， 在DSP死機情況下驅動繼電器報警。
4.根據權利要求3所述的一種基于EPA扁平化網絡架構的高可靠變電站自動化控制方法，其特征在于所述的MIED小波變換信號處理方法為對小波變換算法進行多層小波變換，對其中的高頻干擾強制清零消噪，然后進行小波重構，得到去除干擾的變電站現場信號真實值；原始信號f (t)，經過第一次小波分解，分解成高頻分量dH, k和低頻分量q η，兩個頻段的跨度相等，假設f(t)的采樣頻率為f Hz，則高頻分量(Vu所在頻段f f/2Hz，低頻段的分量C^1所在頻段為0 f/2Hz，第二次小波分解只對第一次分解得到的低頻分量…，η再進行分解，高頻分量dH, k保留不變，Cj, 經過第二次小波分解后，頻段進一步被細分成兩段(V2, k和(V2, k，其中(^2, k所在頻段為0 f/4Hz，dj_2, k所在頻段為f/4 f/2Hz，依次類推，在經過j次的小波分解，共得到j+Ι個頻段的小波系數，依次為Ctl, k，d0, k，du……dj_2,k, dfu，每一次的小波分析采用如下多分辨率分析的正交小波變換快速算法對任意信號f(t)，根據尺度方程和小波方程產生的母小波或者基本小波和 Vj,k(t)，按照式⑴和(2)得到尺度系數和小波變換系數qk，dj,,Cm =< f{t\φ]Λ (t) >= f二/( )φ]Λ (t)dt(1)dhk =< f(t), wuk (0 >= f: RtW ]k (t)dt(2)其中尺度函數和小波函數i^,k(t)由選定的母小波或者基本小波Φ (2Jt-k) 和Ψ (2Jt-k)按照方程(3)和⑷得到
全文摘要
本發明公開種基于EPA扁平化網絡架構的高可靠變電站自動化系統及控制方法。系統由變電站&間隔層、過程層組成；借助支持不同主流通信物理/數據鏈路層協議的EPA，不同通信標準的多功能智能電子裝置(MIED)均可直接連到EPA、進行網絡數據傳輸；EPA網絡采用冗余設計和不同重發策略，提升了變電站自動化系統的可靠性和可維護性。MIED采用DSP+ARM+CPLD硬邏輯門控制和多機協同架構，具有并行高效、可靠穩定的優點；針對變電站現場信號中疊加強電磁/浪涌干擾的情況，采用小波變換算法進行多層小波變換，得到去除干擾的變電站現場信號真實值；MIED的高可靠開關量輸出電路和PCB器件雙插座電路，使強、弱電回路隔離，有助于變電站自動化系統的高可靠性。
文檔編號H02J13/00GK102427275SQ201110318229
公開日2012年4月25日 申請日期2011年10月19日 優先權日2011年10月19日
發明者吳明光, 徐佳東, 徐曉忻, 溫新葉 申請人:浙江大學