【学术】智能化GIS状态监测系统主IED研究

西安西电开关电气有限公司的研究人员段继洲、张永强等，在2014年《电气技术》杂志增刊上撰文，迄今较完善的变电站自动化的通信标准是IEC61850，其首要目标是实现互操作性。按照IEC61850的划分，GIS状态在线监测系统属于变电站中的过程层设备。将GIS的所有运行状态在线监测的监测结果，由一个独立工作的主IED分析、存储和上传站控层，能有效减少接口数量，使其它监测设备高效工作，不必实时与站控层进行数据交互。主IED大幅度减少网络节点，减轻网络流量，简化网络结构，提高了系统可靠性。

目前，在实现基于IEC61850标准的智能化变电站时，面向过程层和元件的设计思想使得现有IED数量增多，各自组网，占用了大量的网络资源，并在网络接口能力、整体功能协同方面有局限性。

根据IEC61850标准的要求，如果要实现网络冗余，那么过程层IED需配置2个以太网接口以接入站级总线。此外，为提高过程总线的实时性并实现网络冗余，还需要配置多个以太网接口与过程级的设备组网通信。要满足智能化变电站所要求的网络接口能力，那么IED的主体硬件结构要改变，软件系统也要更新，成本将会大幅度提升，开发周期也会相应加长。

1 系统结构

将所有监测IED的监测结果，由一个独立工作的主IED分析、存储和上传站控层，能有效减少接口数量，使其它监测IED高效工作，不必实时与站控层进行数据交互，各监测IED不用改变主体硬件结构。主IED大幅度减少网络节点，减轻网络流量，简化网络结构，解决了以上的现状问题，提高了系统可靠性。

2 功能

根据GIS在线监测的特征量，在IEC61850标准模型基础上进行信息建模和服务建模。IEC61850规范了数据模型、服务以及建模方法。总体系统图如图1所示，GIS在线监测主IED具备的功能如下：

a、承担所有监测IED监测结果的综合分析，并存入数据库和文件，通过站控层网络报告综合分析结果；

b、站控层通过网络经由主IED召唤各监测IED的监测数据；就地：可通过一体工控机液晶触摸屏显示在线监测结果；远方：通过站控层后台显示综合分析结果，远方经由主IED召唤监测数据。

c、预留RS-485、光纤等通信口。

3 硬件结构

因为各监测IED的监测结果通过过程层网络向主IED报告自评估结果。监测功能组主IED承担所有监测IED监测结果的综合分析，并与过程层、站控层进行信息互动。所产生的数据量大、存储文件多、数据上传实时性高。所以对硬件系统要求很高。为达到系统的性能要求，硬件系统需要有很高的数据处理能力、实时响应能力和可靠性。硬件系统如图2。

a 控制系统

控制系统采用嵌入式PC，有最大1660M频率的双核CPU，支持DDRⅢ内存最大到2GB，支持多个串口通信接口和USB2.0通信接口，有2个10/100M以太网接口；硬件平台支持WinCE6.0或WindowsXPE嵌入式操作系统，能够支持CF卡启动；具有增强的IDE总线接口和PC/104外部扩展接口。

b 电源模块

电源模块具有交直流两用、高效率、高可靠性、低功耗、安全隔离等优点，供电输入为DC110、DC220、AC220。能可靠为系统供电，并具有短路保护、低纹波、噪声特点。

c 存储系统

数据存储选用500G大容量硬盘, 控制系统通过IDE总线进行数据存储。

d 通信接口

双485接口与有RS485总线的监测IED通信，实时读取数据分析、存储。光纤接口接入交换机，主IED接收所有监测IED的监测结果并分析通过光纤上传到站控层。硬件支持以太网通信协议。控制系统分为两层：第一，与各监测设备之间通过IEC61850通信协议或RS485总线进行数据交换；第二，与服务器之间通过TCP/IP协议互相传送数据和文件。

4 软件系统

软件系统包括召唤各监测IED监测数据分析处理程序、完成数据链路层以上的网络协议所规定的通讯功能程序，以及执行相应中断的服务程序。

系统设计不但要实现现场数据收集，分析整理数据、将数据传输给站控层网络，还要提供配置功能，针对端口显示通信情况和还原详细通信报文。软件系统如图3所示，用WindowsXPE嵌入式系统作多任务的调度，用户开发应用程序可以在普通PC机上进行，完成后将其移植到目标系统即可。其内置了TCP/IP协议栈，不需要移植就可提供统一的数据通信平台。

4.1 软件系统框架

软件系统框架采用面向对象的模块化结构，由主控模块、规约模块、数据控制模块组成。

a、主控模块

主控模块在系统上电时作为一个独立的进程自动运行，控制和调度其他模块进程的运行。主控模块读入用户的配置文件，根据设置对系统进行初始化，然后启动通信进程。

b、通信模块

通信规约模块是主处理模块，调用Net-CoreIDE-61850开发包提供的库函数，以实现全部的IEC61850功能。

c、数据控制模块

数据控制模块是独立的进程运行。同步信号处理模块能同时进行多任务处理，接收各自独立的多路数据，并对各路数据在传输过程中是否发生畸变进行校验，以防止提供错误数据。

4.2 GOOSE通信机制

IEC61850标准定义的GOOSE模型提供了变电站事件快速传输机制，可用于跳闸和故障录波启动等。GOOSE采用发布/订阅模式，报文延时不得超过4ms。

4.3 协议实现

协议实现的本质就是按照IEC61850规约的4个语义层次对其逻辑设备/逻辑接点、数据对象、数据属性和数据集构建模型。针对不同的数字接口，在报文发送时将数字输入/输出设备传送来的信息从报文中拆解出来，然后通过控制系统与网络通信模块进行数据交换。网络通信模块软件针对智能设备初始化报文及需要协议的相关包，对数据作IEC61850报文封装。

4 结论

本论文通过对智能化GIS所用主IED软硬件进行研究，提出了智能化GIS用监测系统主IED的发展趋势和研究方向。目前，智能化GIS监测系统主IED的研究尚处于起步阶段，对于GIS设备来说，各种运行参量的综合分析需要通过各种经验算法，利用主IED软硬件的综合分析功能，最终综合判断出GIS设备各单元的运行状况及故障趋势以及发生故障的概率。对指导用户进行设备的检修及运行情况判断提供一定的参考。