应用于智能变电站二次设备在线监视和诊断分析系统的数据通信方案研究

附件二：

项目编号：

湖北工业大学工程技术学院 大学生科技基金项目申请表

项目名称： 应用于智能变电站二次设备在线监视

和诊断分析系统的数据通信方案研究

项目负责人： 所在系别： 电气信息系 申请日期： 二〇一四年十二月

类别：（ ）自然科学类学术论文

（ ）科技发明制作

（ ）社会调查报告和社科类学术论文

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项目 申请人 指导教师 项目组主要成员 类 别 申请金额 姓 名 所在系别 班级 姓 名 出生年月 姓 名 15000元 电气信息系 王 莎 1986.6 性别 信息技术类（Ｃ类） 起止年月 性 别 年 级 性 别 职 称 所在系别 2015年1月 至 2016年 12月 女 助 教 班级 出生年月 所学专业 所在系别 签 名 项目中的分工 数据采集单元设计 数据管理单元设计 数据通信 电气信息系 签 名 研究目的与意义 目前，我国智能电网已经进入全面建设期，新建变电站有超过半数是智能变电站。智能变电站的主要目的是保障电力系统安全可靠地运行。根据《GB/T 30155-2013智能变电站技术导则》的定义，智能变电站是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息供销标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站[1]。智能变电站的主要目的是保障电力系统安全可靠地运行，高度的可靠性是智能变电站应用于智能电网的最基本、最重要的要求[2]。 随着网络通信技术、电子互感技术及智能开关技术在智能变电站中的快速普及，智能变电站二次设备亟需建立一个监测和分析系统，高效地、实时地对各种电流、电压保护单元进行监控，以便模拟电力系统各项故障的发生和获取切除故障的途径。而保证变电站内智能电气设备间的信息共享和互操作的关键手段之一在于准确地建立数据通信网络，将常规变电站各个子系统的孤立的信息平台整合到一个统一的信息平台之上。利用计算机仿真技术实现智能化电网调度及控制，实现变电站运行操作自动化、功能集成化、信息共享化、状态可视化和变电站分区统一管理。 智能变电站采用IEC 61850标准作为整个站的通信及建模依据，并通过以太网实现SV、GOOSE、MMS等报文的高效传送，通信网络成为站内数据传输的重要保障[3]。由于不同电 2 -

力厂商在生产智能电子设备时遵循相同的行业标准，其中包括智能变电站二次设备在线监视和分析系统，采用面向对象的IEC 61850作为通信标准。因此，研究和设计智能变电站二次设备在线监视和分析系统中的数据通信方案的意义在于通过测试模板的标准化定制，确保测试过程规范全面，能够及时发现电力设备中的异常情况，降低故障发生，提升设备测试的质量。 参考文献 [1] 李孟超, 王允平, 李献伟等. 智能变电站及技术特点分析 [J]. 电力系统保护与控制, 2010, 18: 59-62+79. [2] 曹楠, 李刚, 王冬青. 智能变电站关键技术及其构建方式的探讨 [J]. 电力系统保护与控制, 2011, 05: 63-8. [3] 汪强，徐小兰，葛光胜等智能变电站专用通信设备的关键技术[J].电力系统保护与控制，2014,07:150-3 3

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本项目研究内容 智能变电站主要由电子式互感器、智能化开关等智能化一次设备和根据IEC61850通信协议构建的网络化二次设备两部分组成。其中，后者定义的三个层次分别称为“过程层”、“间隔层”、“站控层”。智能变电站作为智能电网的重要组成部分，采用统一建模及数据通信平台方式实现智能装置之间的互操作。 智能变电站二次设备在线监视和智能诊断的逻辑图如图1所示，主要由数据采集单元、数据处理单元及二次设备在线监测和智能诊断单元构成，实现智能变电站SCD在线管理、故障录波、继电保护系统在线监测和智能诊断、检修安全策略等功能。 信息采集范围涵盖合并单元、保护装置、智能终端、安自装置、过程层交换机及构成保护系统的二次联接回路。系统应能基于 SCD 以直观的方式将智能变电站二次系统的运行状况反映给变电站运检人员，为智能变电站二次系统的日常运维、异常处理及电网事故智能分析提供决策依据。 图1 智能变电站二次设备在线监视和智能诊断的逻辑图 本课题涉及电力系统及其自动化、电气工程及其自动化和通信工程三个专业，综合性较强，其研究的主要内容如下： 1、二次回路在线监测 设备状态及回路监测指，实时采集记录二次设备运行状态（电压、温度、光功率等），能接收装置保护动作、告警信息、状态变位、监测信息，在线分析采集的各种数据信息,将收到的信息分类整理，能实时监视及分析网络通信状态。将以上信息分类整理，并提供数据输入输出接口。 2、通信服务 设备具有满足IEC61850通信协议的数据通信功能，同时可支持其它方式的数据调度及远4

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端控制功能。实现远端数据调度、文件收取、简报上送、远端操作等必要功能。 (1) MMS 通信 该通信方式属于站控层客户端/服务器端通信，用于将状态检测信号，即遥测信号以 MMS 报文的方式上传至站控层监测主机。 (2) GOOSE 通信 该通信方式一方面通过对过程层智能终端实行下行控制命令，利用GOOSE报文发送分合闸命令给断路器和隔离开关，实现保护跳闸的遥控信息的传送；另一方面用于间隔层之间间隔闭锁信号。 3、网络状态检测及故障分析 智能变电站的监控、测量、保护跳闸等均通过网络报文实现，通信网络的结构和性能将直接影响智能变电站的可靠运行，甚至对整个电网造成巨大影响。 拟解决的关键问题 1、如何在跨专业的同学中建立互信和无障碍沟通，如何有效地推进专业知识体系的迁移、强化训练和融合，为项目的具体实施打下坚实的基础； 2、如何合理安排工作分工，加强工程实践及自主技术管理和动手能力，提升个体自信心与强者意识，逐步形成项目设计思维； 3、如何实现数据采集、通信和故障检测，如何试制人工智能系统平台； (1) 如何实现釆样值报文的精确同步和可靠传输 在遵循IEC 61850标准的变电站通信体系中，各种信息都是以通信报文的形式进行实时传输。但是因为以时间方式触发的每一帧采样值报文仅在触发时刻发送一次并无法重复触发，所以电子式互感器采样值报文的性能将直接影响智能变电站的稳定性和可靠性。 (2) 如何加强电子式互感器的灵活通信 本课题采用的电子式互感器普遍主要基于IEC61850-9-2LE标准的通信接口，该标准是通过预配置的方式固定了采样值控制块的内部通信参数和SMV报文的帧格式，以降低通信的灵活性为代价简化电子式互感器数字接口的设计，这与IEC 61850-9-2标准可配置、可遥控、可遥测的灵活性通信互动的理念相违背。因此随着智能电网的深入发展，电子式互感器的通信灵活性问题将变得越来越重要。 4、根据技术的发展，不断调整科研项目各阶段的方案配置，特别是系统的软硬件设计和后期调试，如何做到逐步完善。 5

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预期结果及主要技术、经济指标 1、预期结果 (1) 二次系统可视化 传统变电站中二次设备之间采用模拟信号电缆连接，各装置没有统一的系统模型，运行维护人员如需要了解二次系统信号回路需翻阅大量的设备图纸和系统布线图纸。本装置采用统一系统建模的方式，通过对SCD文件的解析，使用可视化软件将SCD中各设备模型及设备之间的虚段子连线映射到可视化软件界面，用户可通过直观的图形界面查看各设备以及设备与设备之间的通信链路状态。该技术的关键是对二次系统中的各装置模型和本地数据库进行对应的映射，同时通过SVG矢量图标识各装置之间的光纤链路连接。 (2) 二次设备及二次回路状态监测 本设备从变电站间隔层和过程层采集二次系统的各项参数和实时数据，将采集的设备信息 保存到本地数据库中，结合数据库技术和故障模型，采用智能分析算法准确定位故障点以及装置状态预警。本技术的难点在实时从海量采集数据中准确解析出各装置的实时状态数据。本装置采用告警信息实时分析和状态数据综合分析的方式实现。 对二次设备自身发出的告警信息实时分析，一旦发现有告警节点变为立刻在图形化界面给出提示，同时对变电站内常见故障进行建模，采用敏感信息点模型，对存入数据库的各项参数进行分析，如对应数据发生改变达到告警预设阀值即立即给出相应告警。 有些时候二次回路的状态信息并不直观，需要多个参数的综合分析才能准确定位回路状态和故障点。因此，我们结合以往设备现场运行的实际经验，对二次回路故障状态进行系统建模。从而利用采集数据和故障模型，通过计算机的实时计算确定故障，该方式有效提高了故障定位的准确度。如采用更高级的数据分析模型，可提前预警有可能发生的潜在故障点，从而达到提前预警的作用。 2、主要技术 (1) 基于IEC61850标准的同步算法 因为过程总线上的采样值报文需要实时、可靠、准确地传输到间隔层的保护测控装置上，6

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所以应设计过程层的同步组网方案，并以此为基础分析电子式互感器的信号处理通道和以太网通信信道对采样值传输延时的影响。利用一种以过采样技术，线性相位的移相技术，动态的内插重采样技术为核心的数字化同步算法，解决IEC 61850-9-2过程总线上采样值报文的精确同步的问题。 (2) IEC 61850-9-2标准定义的采样值控制块模型 因为采样值控制块中的通信服务存在着强实时性和弱实时性，简单性和灵活性的矛盾，所以必须采用分布式采样值控制块的设计思想，并以此为基础定制分布式系统之间的通信协议。分布式采样值控制块的设计思想可改进IEC 61850标准定义的服务原语响应顺序，解决采样值报文传输灵活通信的问题，实现完备意义上的IEC 61850-9-2通信接口，为更进一步的通用SMVMMS服务器的研究奠定思想基础。 3、技术指标 (1) 设备硬件设计应能满足系统长期带电运行的要求，并应保证系统工作的可靠性。 (2) 设备不得影响变电站内其他系统的正常运行，系统本身的任何异常或与继电保护系统设备的通信异常不得影响继电保护系统设备的正常运行。 (3) 设备软件系统的结构为开放式设计，功能模块可自由组合。除数据库组件外，其余应用组件应可以根据应用需要任意组合。对部分应用功能的升级不能对软件系统产生整体影响，软件的版本升级更替不得破坏历史数据。 (4) 设备配有指示系统运行状态的指示灯。 (5) 设备具有完善的权限管理功能，并对维护操作日志进行存储。 (6) 设备应采用直流电源供电，电源短时失去时，内部时间不被初始化，原有数据不丢失或紊乱。 (7) 设备在任一套接入设备的退出或发生故障不影响与其他设备的正常通信。 (8) 设备接入新的设备应不改变现存的网络结构，不需要改动其他设备的参数设置。 (9) 设备具有时间同步接口能接收 IRIG-B 形式的时钟同步信号。 7

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准备工作情况和拟采取的研究实验方法、步骤、技术线路及可行性论证 1、准备工作情况 (1) 理论基础 项目申请人和项目主要成员均来自于电气信息系电气工程及其自动化和通信工程专业的学生，曾参与电子设计大赛并获奖，具备一定的硬件设计及软件编程能力和专业文献撰写能力，为课题的理论研究奠定了良好的基础。 (2) 申报依据 本课题依托湖北工业大学电气与电子工程学院席自强教授申报的湖北省科技支撑计划项目《智能变电站二次设备在线监视及诊断分析仪》，该项目主要由湖北工业大学和武汉国电武仪电气股份有限公司采用校企合作的模式进行联合公关。 校本部电气与电子工程学院拥有电力系统实验室、电力电子与电力传动实验室、PLC实验室、自动控制实验室、EDA实验室、电机实验室等多个专业实验室，为本课题提供了硬件平台支撑。 合作单位武汉国电武仪电气股份有限公司是2001年创建成立的高新技术电力设备制造企业，位于武汉中国光谷腹地－光谷软件园内。公司专业从事继电保护、自动化及电力成套设备的研发、生产和销售，并取得IS09001质量管理体系认证，主要生产的“黑匣子”故障录波装置和时间同步装置等产品遍及全国三十多个省、市、自治区。公司拥有一流的技术及管理团队、一流的加工及检测设备，多项产品处于国内领先水平，曾获得中国南方电网公司科学技术二等奖，广东电网公司科学技术一等奖，浙江省电力公司科学技术二等奖等众多科技成果奖励，为电力系统继电保护的技术革命和技术进步做出了突出贡献。 因此，参与本课题的成员能够和本部电气与电子工程学院的研究生协同进行项目研究，在实践中巩固学科基础知识，增强理论创新和动手能力。 2、拟采取的研究实验方法、步骤、技术线路 (1) 第一阶段 分发资料，进行总体技术方案设计并为每一位学生分配具体工作。 (2) 第二阶段 依托本部的样机硬件部分，利用CodeWarrior IDE 开发工具进行通信软件编程，包括站控层与间隔层之间的MMS通信协议栈、服务器设计及服务流程；间隔层的GOOSE通信模型和配置，GOOSE通信协议栈和通信程序设计。 (3) 第三阶段 8 -

实验调试。测试MMS通信系统互联和通信网络抓包分析，测试GOOSE开入/开出配置和报文分析等。 (4) 第四阶段 完成研究总结报告，实验报告的撰写，发表论文1篇。 3、可行性论证 本人与项目组成员通过两年的单片机硬件设计积累了一定的项目开发经验，并定期开展课外理论培训，为本课题的实施奠定了良好的研究基础。通过各种大赛的历练，项目组成员已经具备一定的动手能力，在理论上、技术上已具有解决本项目的关键技术的能力。因此，本课题在技术上可行。 电气信息系新建通信网络实验室和电网模拟实验室都能在研究条件和场地方面为我们提供硬件支持。另外，还能通过与校本部的研究生团队的交流和协作，进一步保障课题的顺利进行。因此，本课题从完成角度也具备可行性。 目前电网已向智能化方向大步迈进，变电站的发展趋势就是智能变电站。对智能变电站二次设备的在线监测与诊断是确保变电站安全运行的必要手段。开发相应的系统设备，符合智能电网的发展要求，社会需求大，经济效益好。因此，本课题的立项也具备可行性。 9 -

研究工作的总体安排及进度安排 2015年1月至2015年4月，阅读文献资料与行业标准，制订方案 2015年5月至2016年1月，硬件电路设计，软件编程 2016年2月至2016年7月，试制样机，实验调试 2016年8月至2016年12月，整理技术文档，发表论文，项目结题 经济社会效益及应用前景 1、本课题旨在研究智能变电站新型在线监测设备中的数据通信方法，着重实现对电力系统中各项指标的模拟分析。该产品作为新型智能变电站监测装置，在国内外相关技术领域均处于先进水平。 2、本课题的实施可以锻炼我们的实际操作和动手能力，经过系统的科研训练，能够适应在企业、科研院所从事电力系统及通信方面的开发工作，为今后就业积累经验；提前灌输工程和团队意识，切实提高我们适应社会的能力。 申请经费预算 研究总经费： 15000 元 其中自筹经费： 元 基金拨款： 元 预算支出科目 实验材料费 元 协 作 费 元 资 料 费 最终成果形式与名称 元 其 他 元 总结报告、学术论文 填写说明： 1、 填写本表各项内容要求实事求是，表达要明确、严谨，字迹要清晰易辩； 2、 填写本表须一式三份，团委一份，系学工办一份、本人一份。 10 -

指 导 老 师 推 荐 意 见 签字： 年 月 日 专 家 推 荐 意 见 学 院 评 审 意 签字： 年 月 日 签字： 年 月 日 见

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