CN104184207A - 一种电气化铁路数字化牵引变电站的集成控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气化铁路数字化牵引变电站的集成控制方法，通过应用本发明的技术方案，在深入理解IEC61850框架的基础上，实现了全面响应IEC61850的综合自动化***，每个一次设备间隔所对应的处理设备将自身所对应的一次设备间隔中的一次设备所接收的信号进行数字化处理，并且各个一次设备间隔所对应的处理设备分别将各自数字化处理后的信息上报给同一个集成控制设备，以使所述集成控制设备完成对所有一次设备间隔的保护测控功能。从而，基于IEC61850标准解决了电气化铁路数字化牵引变电站的集成管理问题，实现了牵引变电站的保护、测量、控制、信号、故障录波、谐波分析、故障测距等功能，达到高速电气化铁路牵引变电站的综合自动化管理。

Description

一种电气化铁路数字化牵引变电站的集成控制方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种电气化铁路数字化牵引变电站的集成控制方法。 

背景技术

高速铁路牵引变电站自动化***对于高速铁路的正常运营，起着非常重要的作用，是高速铁路安全运行不可分割的重要部分。 

目前我国牵引变电站自动化***存在着信息共享程度低、信息传输可靠性差、信息交流没有标准化等导致的***可靠性低和建成后期维护成本高的诸多问题，主要体现在以下方面： 

（1）变电站信息的交流和共享 

目前变电站的模拟信息靠电缆连接，从间隔层到变电站层的信息交互目前主要采用现场总线或以太网完成，其交流的信息内容为远动所要求的四遥数据量及保护动作报文和基本的配置数据，所以交流数据少、实时性不高，可靠性要求也不是很高。来自同一个一次设备间隔的数据经不同的IED上传到变电站层可能不一致或相互矛盾，而且这个矛盾往往被忽视而不是解决掉，不同IED反映的一个断路器矛盾的开关状态也是被忽略或人工处理的。横向不同的IED之间以及一次设备与不同的IED间信息传递是以电缆的方式传递的，没有信息的共享，一次设备之间的信息是没有交互的。复杂的电缆连接也带来***可靠性降低，在不增加装置时没有办法进行功能的扩展而缺乏灵活性。比如电缆连接可能带来电缆端子接线松动、发热、开路和短路的危险，也会引起电磁干扰、传输过电压及二次回路两点接地的可能性。 

（2）信息交流的标准化 

目前在我国大量应用的牵引变电站自动化的信息没有实现共享，而国外几个大的制造厂家横向以通讯方式实现一定的信息共享，但缺乏一个全所或 调度***统一的信息交流共享的标准。自动化设备生产厂家多、品种多，不同厂家设备间需要规约转发装置，市场化程度低。 

（3）跨间隔自动化设备及牵引变电站自动化功能的扩展 

目前运行的牵引变电站自动化***不同的自动化产品由于对过程层设备无法进行信息共享，所以每当有跨间隔的设备安装和新的功能需要扩展都要重新接很多数量的电缆，当然也需要增加新间隔层设备。 

另一方面，IEC61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化***唯一国际标准，制定了电力***远动无缝通信***基础，能大幅度改善信息技术和自动化技术的设备数据集成，减少工程量、现场验收、运行、监视、诊断和维护等费用，节约大量时间，增加了自动化***使用期间的灵活性。它解决了变电站自动化***产品的互操作性和协议转换问题。采用该标准还可使变电站自动化设备具有自描述、自诊断和即插即用（Plug and Play）的特性，极大的方便了***的集成，其定义的自我描述能显著降低数据管理费用、简化数据维护、减少由于配置错误而引起的***停机时间。 

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题： 

虽然对IEC61850标准的研究进行了很多，也有不少厂商对外宣称己经有IEC61850的试点项目投运，但大部分都是部分实现了IEC61850标准或只是提供了一个代理用于支持IEC61850标准而已。IEC61850标准并不是一个简单的通信规约。一个完全基于IEC61850标准的变电站自动化***从***结构、模型设计、***数据库设计、通信实现、智能电子设备生产等方面都必须重新研究设计，而不是旧的设备和***经过简单改造可以实现的。 

因此，现阶段的技术方案对IEC61850标准的应用还存在巨大的缺陷和不足。 

发明内容

本发明提供一种电气化铁路数字化牵引变电站的集成控制方法，用以解决IEC61850标准与电气化铁路数字化牵引变电站的综合自动化***的结合问题。 

为达到上述目的，本发明一方面提供了一种电气化铁路数字化牵引变电站的集成控制方法，应用于包括多个一次设备间隔的电气化铁路牵引变电站控制***中，所述电气化铁路牵引变电站控制***基于IEC61850标准进行配置，所述方法至少包括以下步骤： 

每个一次设备间隔所对应的处理设备将自身所对应的一次设备间隔中的一次设备所接收的信号进行数字化处理； 

各个一次设备间隔所对应的处理设备分别将各自数字化处理后的信息上报给同一个集成控制设备，以使所述集成控制设备完成对所有一次设备间隔的保护测控功能。 

优选的，所述每个一次设备间隔所对应的处理设备将自身所对应的一次设备间隔中的一次设备所接收的信号进行数字化处理，具体包括： 

所述每个一次设备间隔所对应的处理设备根据IEC61850进行变电站建模； 

所述每个一次设备间隔所对应的处理设备对自身所对应的一次设备间隔的电压互感器、电流互感器、开关量、控制量、其它模拟量信息按IEC 61850-9-2及GOOSE规约格式数字化。 

优选的，所述每个一次设备间隔所对应的处理设备，具体还可以配置以下功能： 

电流、电压信号的采集； 

数字信号的采集； 

对开关、电动刀闸的控制功能； 

具有与其他一次设备间隔所对应的处理设备的同步功能； 

以IEC618509-2和GOOSE格式通过两路FX 100光纤以太网与智能设备通讯。 

优选的，所述每个一次设备间隔所对应的处理设备根据IEC61850进行变电站建模，还包括： 

所述每个一次设备间隔所对应的处理设备根据建模结果，生成SCL文件，实现设备的自动配置和自识别。 

优选的，所述各个一次设备间隔所对应的处理设备分别将各自数字化处理后的信息上报给同一个集成控制设备，以使所述集成控制设备完成对所有一次设备间隔的保护测控功能，具体包括： 

所述各个一次设备间隔所对应的处理设备，部署于所述各个一次设备间隔所对应的过程层中，各所述过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备中，所述各个一次设备间隔所对应的处理设备分别将各自数字化处理后的信息发送给所述光交换机，并由所述光交换机上报给所述集成控制设备； 

所述间隔层通过另一个光交换机接入变电站层，所述集成控制设备将根据接收到的数字化处理后的信息所得到的处理结果通过所述另一个光交换机上报给所述变电站层。 

优选的， 

所述过程层、所述间隔层和所述变电站层均基于IEC61850标准进行配置。 

优选的，所述集成控制设备，具体包括： 

内嵌双以太网的高速处理器。 

优选的，各所述过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备中，具体包括： 

当一次设备间隔小于16个小时时，所述各个一次设备间隔所对应的过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备中； 

当一次设备间隔大于16个小时时，所有对应10千伏的一次设备间隔的过程层通过一个交换机接入第一集成控制设备，对应主变和高压主进的一次设备间隔的过程层通过另一个交换机接入第二集成控制设备； 

其中，所述第一集成控制设备完成10千伏所对应的所有设备的保护测控功能，所述第二集成控制设备完成变压器的保护测控功能。 

优选的，各所述过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备中的同时，还包括： 

位于各所述过程层的处理设备分别通过另一个光交换机接入位于间隔层的另一个集成控制设备中，对各所述过程层分别通过光交换机接入位于间隔 层的同一个集成控制设备形成冗余配置； 

其中，所述冗余配置所对应的双方为自动投切，且所述冗余配置中的所有设备采用统一的同步信号。 

优选的， 

所述电气化铁路牵引变电站控制***的硬件结构中包括： 

模拟量采集及转换插件，包括电流、电压输入端子、电流互感器、电压互感器、模拟信号调理单元、A/D转换单元、QSPI接口； 

基本I/O及电源插件，包括电源变换监控复位单元、RS232接口，BDM单元，还可以包括RS485接口； 

扩展输出及操作回路插件，包括光电隔离开入电路、开入端子、光电隔离开出电路、继电器、开出端子； 

主板，包括两个10/100M以太网通讯控制模块和硬件加密模块，一个增强型乘加运算单元，以及64KB片内静态存储器和用户可定义的16kB片内高速缓存； 

背板；和/或， 

所述电气化铁路牵引变电站控制***的软件结构，具体为VxWorks操作***平台下，结合IEC61850分层、分布式的体系结构，采用统一的对象建模，采用面向对象及模块化软件设计方法设计。 

与现有技术相比，本发明实施例所提出的技术方案具有以下优点： 

通过应用本发明的技术方案，在深入理解IEC61850框架的基础上，实现了全面响应IEC61850的综合自动化***，每个一次设备间隔所对应的处理设备将自身所对应的一次设备间隔中的一次设备所接收的信号进行数字化处理，并且各个一次设备间隔所对应的处理设备分别将各自数字化处理后的信息上报给同一个集成控制设备，以使所述集成控制设备完成对所有一次设备间隔的保护测控功能。从而，基于IEC61850标准解决了电气化铁路数字化牵引变电站的集成管理问题，实现了牵引变电站的保护、测量、控制、信号、故障录波、谐波分析、故障测距等功能，达到高速电气化铁路牵引变电站的综合自动化管理。 

附图说明

图1为本发明实施例提出的一种电气化铁路数字化牵引变电站的集成控制方法的流程示意图； 

图2为本发明实施例所提出的一种在一次设备间隔小于16个小时的场景下的***拓扑结构示意图； 

图3为本发明实施例所提出的一种在一次设备间隔大于16个小时的场景下的***拓扑结构示意图； 

图4为本发明实施例所提出的一种所述电气化铁路牵引变电站控制***的硬件结构的示意图； 

图5为本发明实施例所提出的一种电气化铁路牵引变电站控制***的软件整体信号流的示意图； 

图6为本发明实施例所提出的一种发布者/订阅者通信结构的示意图； 

图7为本发明实施例所提出的一种配置过程信息流参考模型的示意图； 

图8为IEC61850通信集框架的示意图； 

图9为LD_DIS简单建模的示意图； 

图10为LLN0信息建模模型的示意图； 

图11为LPHD信息模型的示意图。 

具体实施方式

如背景技术所述，现阶段的技术方案对IEC61850标准的应用还存在巨大的缺陷和不足，还存在巨大的发展空间和技术欠缺。 

本发明正是基于此问题而提出，目的在于设计并开发出基于IEC61850标准的高速电气化铁路牵引变电站综合自动化***，并通过对其的研究开发，实现铁路数字化牵引变电站综合自动化的应用技术，这个***包括变电站层、间隔层和过程层，三部分皆满足IEC61850标准，并采用“就地数字化”和“集成”保护方案，实现变电站信息在实时、可靠基础上最大程度共享。“就地数字化”是指在一次设备间隔附近安装“就地数字化”设备，将一次设备接收 的信息就地数字化；“集成保护”方案是指所有间隔的过程层通过光交换机接入一个集成IED，即由一个集成IED完成所有间隔的保护测控功能。 

如图1所示，为本发明实施例提出的一种电气化铁路数字化牵引变电站的集成控制方法的流程示意图，应用于包括多个一次设备间隔的电气化铁路牵引变电站控制***中，所述电气化铁路牵引变电站控制***基于IEC61850标准进行配置，该方法具体包括以下步骤： 

步骤S101、每个一次设备间隔所对应的处理设备将自身所对应的一次设备间隔中的一次设备所接收的信号进行数字化处理。 

本步骤的处理过程即是为了实现信号的“就地数字化”处理。具体的应用场景中，可以在一次设备间隔附近安装“就地数字化”设备，将一次设备接收的信息就地数字化。 

通过这样的处理，仅用一台装置完成了一个间隔的合并单元和智能终端的功能，输出仅为一根光缆连到控制室。 

在实际的应用场景中，本步骤的处理过程，具体包括： 

步骤A、所述每个一次设备间隔所对应的处理设备根据IEC61850进行变电站建模。 

在具体的应用场景中，本步骤的处理还进一步包括所述每个一次设备间隔所对应的处理设备根据建模结果，生成SCL文件，实现设备的自动配置和自识别。 

具体的，本步骤的变电站建模模型如表1所示。 

表1 

步骤B、所述每个一次设备间隔所对应的处理设备对自身所对应的一次设备间隔的电压互感器、电流互感器、开关量、控制量、其它模拟量信息按IEC 61850-9-2及GOOSE规约格式数字化。 

需要进一步说明的是，所述每个一次设备间隔所对应的处理设备，具体还可以配置以下功能： 

（1）电流、电压信号的采集：可接接光纤数字ECT、EVT；可接模拟输出的ECT、和EVT；可以接传统的CT、PT信号，最多可有14路，每周波采样点24～96点可调整。 

（2）数字信号的采集：可以采集开关位置、刀闸位置、开关闭锁的节点等就地遥信，最多可达16路。 

（3）控制功能：具有操作回路，可以对开关、电动刀闸进行控制，可完成5个开关的分合。 

（4）具有同步功能：具有全站“就地数字化设备”同步采样的功能，保证如变压器差动、母线差动、电度量计量的要求。 

（5）以IEC618509-2和GOOSE格式通过两路FX 100光纤以太网与智 能设备通讯。 

（6）“就地数字化设备”的软、硬件设备标准化，大大减少了备品数量。 

（7）具有就地的状态指示灯和完备的自检功能。 

步骤S102、各个一次设备间隔所对应的处理设备分别将各自数字化处理后的信息上报给同一个集成控制设备，以使所述集成控制设备完成对所有一次设备间隔的保护测控功能。 

本步骤的处理即是为了实现“集成保护”方案。 

“集成保护”是指所有一次设备间隔的过程层通过光交换机接入一个集成IED，即由一个集成IED完成所有一次设备间隔的保护测控功能，在“集成保护”内部保护测控软件各自独立运行，“集成保护”数字化牵引变电站是在成熟的TDI-3000系列软、硬件平台上，为了达到变电站信息在实时、可靠基础上信息最大程度共享，过程层、间隔层、变电站层均满足IEC 61850标准的针对电气化铁路数字化牵引变电站的方案，是国内外率先提出并产品化的***。 

在实际的应用场景中，本步骤的处理，具体包括： 

所述各个一次设备间隔所对应的处理设备，部署于所述各个一次设备间隔所对应的过程层中，各所述过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备中，所述各个一次设备间隔所对应的处理设备分别将各自数字化处理后的信息发送给所述光交换机，并由所述光交换机上报给所述集成控制设备。 

所述间隔层通过另一个光交换机接入变电站层，所述集成控制设备将根据接收到的数字化处理后的信息所得到的处理结果通过所述另一个光交换机上报给所述变电站层。 

其中，所述过程层、所述间隔层和所述变电站层均基于IEC61850标准进行配置。 

在按面向间隔、全面的对一次设备“就地”数字化之后，需要解决的技术关键是：使这些已经同步的信息如何可靠、实时的共享，本发明实施例采用内嵌双以太网的高速处理器作为“就地数字化”也就是综自测控保护单元 的核心，可完成16个左右相应间隔的保护、测量、电能质量监测、故障测距、故障录波、五防操作、母线差动保护、失灵保护、备用电源自投等功能，并采用“冗余”配置，并自动投切，所有设备采用统一的同步信号，一般采用GPS对时***，同样也双备份，双以太网采用FX 100光纤通讯、双工业级的光以太网交换机及双星形总线结构构成了独立、可靠的双网冗余信息通道，使信息传输可靠并保证实时性。 

进一步的，为了进一步提高***的可靠性，在各所述过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备中的同时，还包括以下的冗余处理： 

位于各所述过程层的处理设备分别通过另一个光交换机接入位于间隔层的另一个集成控制设备中，对各所述过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备形成冗余配置，其中，所述冗余配置所对应的双方为自动投切，且所述冗余配置中的所有设备采用统一的同步信号。 

根据具体一次设备间隔的差异，本步骤地处理具体可以分为以下两种情况： 

情况一、当一次设备间隔小于16个小时时，所述各个一次设备间隔所对应的过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备中。 

如图2所示，为本发明实施例所提出的一种在一次设备间隔小于16个小时的场景下的***拓扑结构示意图。 

其中，EPT表示电子式电压互感器，ECT表示电子式电流互感器，I/O表示开关量输入和控制输出，CT表示常规的电流互感器，OCT表示光纤式电流互感器，PT表示常规的电压互感器，OPT表示光纤式电压互感器。 

情况二、当一次设备间隔大于16个小时时，所有对应10千伏的一次设备间隔的过程层通过一个交换机接入第一集成控制设备，对应主变和高压主进的一次设备间隔的过程层通过另一个交换机接入第二集成控制设备。 

其中，所述第一集成控制设备完成10千伏所对应的所有设备的保护测控功能，所述第二集成控制设备完成变压器的保护测控功能。 

具体的，如图3所示，为本发明实施例所提出的一种在一次设备间隔大 于16个小时的场景下的***拓扑结构示意图。 

在图3所示的结构中当间隔大于16个小时时，将所有的10千伏间隔的过程层接入一个交换机，考虑冗余接入光交换机1及交换机2；将主变和高压主进的过程层接入另一个交换机，考虑冗余接入交换机3及交换机4。 

其中，集成IED1和集成IED2功能相同，完成10kv所有单元的保护测控等功能；集成IED3和集成IED4功能相同，完成变压器的保护测控等功能。集成IED5完成远动的规约转换。 

在具体的上述技术方案中，所述电气化铁路牵引变电站控制***的硬件结构如图4所示，包括： 

模拟量采集及转换插件、基本I/O及电源插件、扩展输出及操作回路插件，另外还包括主板和背板。 

（1）其核心是主板，CPU采用Freescale公司高性能V2内核的32位微处理器MCF5275，可在166MHz的时钟频率下提供高达159MIPS的处理能力(Dhrystone 2.1)，且低功耗。MCF5275较先前的器件增添了一些模块：包括第二个10/100M以太网通讯控制模块和硬件加密模块，一个增强型乘加运算单元（eMAC），再加上64KB片内静态存储器和用户可定义的16kB片内高速缓存（Cache），这些可以使***性能大幅度提高而成本全面降低。主板外扩32M DDR用于程序运行和临时数据存储，16M FLASH用于存储应用程序、配置文件等信息。2Mbytes的NVRAM；高精度的实时时钟；10/100M自适应的双以太网支持RJ45或FX100光纤接口。 

（2）模拟量采集及转换插件 

模拟量采集及转换插件包括电流、电压输入端子、电流互感器、电压互感器、模拟信号调理单元、A/D转换单元、QSPI接口。模拟量采集及转换插件完成模拟量的采集并经A/D转换成数字量输出供CPU计算用，用于将模拟量信号隔离变换为小电压信号，经调整后输入到A/D，A/D转换精度为16位。 

当采用ECT、EUT实现采样值传输时，更换为智能模拟量采集插件。 

（3）基本I/O及电源插件 

基本I/O及电源插件包括电源变换监控复位单元、RS232接口，BDM单 元，还可以包括RS485接口。本插件用来提供由外部直流220V（110V）或交流220V输入，3路直流电压输出的开关电源；4路DC24V的无源开关量输入、10路DC220V外置的有源开关量输入。其中24V开关量输入用于屏（柜）内近距离信号或其它弱电压的信号采集；DC220V有源开关量输入用于较远距离信号采集，具有更好抗干扰能力。支持5路开关量输出，既可用于驱动操作回路又可用于信号输出。 

（4）扩展输出及操作回路插件 

本插件扩展了7路经各种安全闭锁的开关量输出及一个断路器的操作回路，具体说包括光电隔离开入电路、开入端子、光电隔离开出电路、继电器、开出端子。所有开关量输出按超过5A（DC220V）的接通容量设计，使其适应多种应用。 

（5）背板 

实现各插件之间电信号的相互连接。 

另一方面，所述电气化铁路牵引变电站控制***的的软件平台建立在VxWorks操作***平台下，结合IEC61850分层、分布式的体系结构，采用统一的对象建模，采用面向对象及模块化软件设计方法设计，其软件整体数据流图如下图所示，软件组成包括逻辑节点模板（定义了装置可以生成哪些逻辑节点实例）、各对象的实时数据库（逻辑节点实例属性）、对象的抽象通信服务接口（ACSI）、保护监控算法（它们运行时更新各对象属性）、配置管理程序、XML处理模块、MMS协议处理模块、传输层报文发送与接收模块、人机交互等组件。对象实时数据库包含IED运行过程中的状态与参数；ACSI负责对象的通信管理；配置管理及XML处理模块一方面可对专业人员配置好的IED配置文件读取和解析，得到配置信息后生成或修改本装置提供了模板的对象实例，另一方面也可根据本地操作员对装置的设置修改原SCL配置文件；各保护监控算法利用相关对象的实时数据进行计算及判断，并更新对象的实时数据，在特定情况下以软件中断的方式启动高实时报文的传输；传输层报文发送与接受模块负责按照报文的优先级对通信队列、数据缓冲区等进行组织和管理报文的收发；内部通信协议是装置内部各插件通信的软件接口， 完成装置内部的通信任务，具体实现时可采用与标准类似的方法；MMS协议处理模块位于应用程序层和TCP/IP层之间，负责服务器各对象及其可见功能的映射与转换。MMS将***资源以虚拟制造设备(VMD)的形式进行组织，一个实际设备被映射为一个或多个VMD，每个VMD客户通过由应用过程封装的VMD服务器访问实际设备的数据。MMS提供通用的信息服务(例如写、读等)，可以把来自不同厂家的设备集成起来，实现统一的信息交换和资源共享。 

如图5所示，为本发明实施例所提出的一种电气化铁路牵引变电站控制***的软件整体信号流的示意图。 

其通信模式的设计，间隔层设备和变电站层设备中间的，诸如数据的获取，设置，文件传输等服务采用C/S模式，而采样值、GOOSE/GSSE等报文的传输采用下图所示的发布者/订阅者模式进行设计。 

如图6所示，为本发明实施例所提出的一种发布者/订阅者通信结构的示意图。 

结合IEC61850，***配置采用基于XML的SCL来描述通信有关的IED配置和参数、通信***配置、开关间隔及其关系，实现了该发明实施例装置从单个的产品状态，到配置成为变电站自动化***中的实例化IED的整个配置信息传输和交换过程。 

如图7所示，为本发明实施例所提出的一种配置过程信息流参考模型的示意图。 

与现有技术相比，本发明实施例所提出的技术方案具有以下优点： 

通过应用本发明的技术方案，在深入理解IEC61850框架的基础上，实现了全面响应IEC61850的综合自动化***，每个一次设备间隔所对应的处理设备将自身所对应的一次设备间隔中的一次设备所接收的信号进行数字化处理，并且各个一次设备间隔所对应的处理设备分别将各自数字化处理后的信息上报给同一个集成控制设备，以使所述集成控制设备完成对所有一次设备间隔的保护测控功能。从而，基于IEC61850标准解决了电气化铁路数字化牵引变电站的集成管理问题，实现了牵引变电站的保护、测量、控制、信号、故障录波、谐波分析、故障测距等功能，达到高速电气化铁路牵引变电站的 综合自动化管理。 

为了进一步阐述本发明的技术思想，现结合具体的应用场景，对本发明的技术方案进行说明。 

本发明实施例所提出的技术方案实现牵引变电站的保护、测量、控制、信号、故障录波、谐波分析、故障测距等功能。选用光电式互感器及智能一次开关，可与二次设备间用光纤以太网直接交换信息，设计开发变电站层站内监控与管理***，负责收集全所的信息，完成所内设备的状态监视与控制、设计开发间隔层可与光电式互感器及智能一次开关无缝结合，并考虑兼容性需求，同时也能接入传统一次设备的可根据需求插件式保护装置、测控装置、自动装置。实现与遥视***的联动配合，达到高速电气化铁路牵引变电站的综合自动化。涉及到计算机软硬技术、电力***继电保护、电力***自动化、电力***故障分析等多个学科和技术领域。以下仅对关键技术原理予以阐述。 

（1）采用最新、最先进的变电站通讯规约IEC61850。 

本发明实施例从IEC61850的目标入手对标准进行深入理解的基础上进行装置通信开发，其目标包括实现互操作性、支持功能自由分布、支持功能扩展。实现分布于变电站内不同厂家的IED中的变电站自动化功能之间或子功能之间的完全互操作性是其首要目标，为了实现互操作目标，根据IEC61850，建立了变电站自动化***功能、设备以及通信***的模型，并把上层模型和底层通信协议完全剥离，去除了通信协议数据和语义的耦合，语义在上层模型中定义并与对象名绑定，层次化的模型和对象引用名形成了层次化的确定语义，这样不仅保证了互操作实现，也增强了标准的长期稳定性，同时为实现功能自由分布，根据IEC61850将变电站自动化功能分解为多个相互通信的逻辑节点，在通信***的支持下，逻辑节点可在各IED中自由分布，IEC61850没有定义自己的通信协议，采用的是目前已成熟的通信协议和技术，为保证互操作性，根据功能模型及其分布方式，构建IED的信息模型和服务模型，采用面向对象的建模方式，构建本发明实施例中的IED装置功能模块，通信体系结构，实现了信息模型和服务模型，其通信集框架如下图所示，同时创 新的通过改进的数据逻辑结构和基于二叉树的存储结构，实现信息模型，同时对组网方式进行了研究，通过过程总线和站级总线合并或分离的两种一般组网方式，分析了网络冗余方案，作为变电站层的组网以及综合自动化设备的组网方案。 

如图8所示，为IEC61850通信集框架的示意图。 

（2）成熟、稳定、可靠的继电保护原理。 

在TDI-3000系列产品中的各种微机保护装置中，针对不同的种类的保护装置采用了多种不同的保护原理。这些原理均采用经过实践检验过的成熟、稳定、可靠的算法。其中主要有线路保护、变压器差动主保护、变压器后备保护、电容器保护四大块，其中线路保护包括：三段低压方向过流保护和加速段过流保护、零序过流和小电流接地选线、过负荷保护、低周、低压减载、三相一次重合闸；变压器差动主保护包括：差动速断保护、比率差动保护、高值比率差动、工频变化量比率差动保护、差流越限告警、励磁涌流闭锁；变压器后备保护包括：复合电压方向过流保护、母线充电保护、零序过流保护、零序过压保护、过负荷、过负荷启动通风、过负荷闭锁调压；电容器保护包括：三段定时限过流保护、过电压保护、低电压保护、差电压保护、不平衡电压（零序电压）保护、不平衡电流、桥差电流保护、零序电流保护。 

在上述的技术方案中，本发明实施例应用CPLD可编程逻辑器件和VHDL硬件编程语言实现了I2C总线协议，并通过I2C总线实现了人机界面模块与主控CPU的通讯。并应用了嵌入式实时操作***以及嵌入式数据库。 

另一方面，本发明实施例还创新的通过改进的数据逻辑结构和基于二叉树的存储结构，实现信息模型，同时对组网方式进行了研究，通过过程总线和站级总线合并或分离的两种一般组网方式，分析了网络冗余方案，作为变电站层的组网以及综合自动化设备的组网方案。 

根据IEC61850协议体系以及铁路牵引变电站应用实际，整个***的面向设备、面向对象建模，采用抽象通信服务接口，网络的应用层协议和网络传输层协议独立；具有符合电力***特点的通信服务，信息对象在信息源处唯一定义，数据对象统一建模，采用XML的配置技术等。 

1）采用面向对象的设计和编程（OOD/OOP）技术，通过对整个牵引变电站抽象建模，每个IED包含一个或多个服务器，每个服务器又包含一个或多个逻辑设备，逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象，数据对象封装了该对象具有的属性和操作方法，并通过外部接口供其他对象访问，例如，完整的距离保护根据功能可分解为IHMI、ITCI、ITMI、PDIS、TCTR、TVTR、XCBR几个LN，其中PDIS分布在保护IED中，此IED包含用于距离保护的LD名称为LD_DIS，其简单建模如图9所示。 

其中的LLN0信息建模模型如图10所示。 

LPHD的信息模型如图11所示。 

以此设计思想为基础自主研发的可编程组态工具软件，模块化的编程方法很好的保证了软件产品的可维护性和一致性，极大地缩短了软件编程和调试时间，也方便了各个项目的用户需求定制。 

2）采用XML配置技术，应用变电站配置描述语言（SCL）用于描述与通信相关的本地设备结构和参数、通信体系结构、开关间隔（功能）结构及它们之间关系，使配置信息独立于平台之间，实现了设备自描述，嵌入XML解析器，实现了动态配置。 

4）首次将IEC61850的SV（组播方式采样值）、GOOSE（通用面向对象变电站事件）、TimeSync（SNTP）（时间同步）、MMS ProtocalSuite（核心ACSI服务）以及GSSE（通用变电站状态事件）等集成于一个自动化***，改变了传统铁路牵引变电站自动化功能的实现方式，解决了成本。 

信息集框架涵盖了IEC61850的SV（组播方式采样值）、GOOSE（通用面向对象变电站事件）、TimeSync（SNTP）（时间同步）、MMS ProtocalSuite（核心ACSI服务）以及GSSE（通用变电站状态事件），以此为依托，改变了传统铁路牵引变电站自动化功能的实现方式，是一个我公司基于自主知识产权的国内第一个面向铁路牵引变电站的集成解决方案，具有最好的信息共享功能，增加了信息的有效利用率。基于此，在共享的硬件平台花很少的软件设计成本，就可扩充变电站自动化***所需任何的功能。在不增加其他硬件设备的情况下完成备用电源自投、小电流接地选线、母线保护、开关连锁 操作、失灵保护等集中式保护的自动化功能，而不需要任何设计、施工及额外运行维护费用，这是其他普通变电站综合自动化无法完成的。即可靠又减少了二次设备，大大降低了使用维护成本。而传统变电站综合自动化***输入的信息重复，不利于存储设备有效的存储信息；输出的信息不能共享，使得信息不能有效的利用。每增加一项小小的功能，都要增加相应的装置设备，不仅仅增加了经济成本、施工工作量，主要的是增加了故障的概率，使得故障排查难度增加，更使得运行维护工作复杂繁琐，投入更多的人力、物力。 

本发明实施例所提出的***建设实施建成后，将极大提高国内现有高速铁路牵引变电站自动化***的技术水平，降低了变电站自动化***的工程费用，提高变电站自动化***安全稳定运行水平，节约开发、验收、维护的人力物力，实现完全的互操作。变电站综合自动化技术在电气化铁路供电技术中占有重要地位，是发展高速铁路和传统铁路更新换代的重要技术基础。其中囊括精密的检测技术，高效的数字信号处理技术，低功耗，高集成，功能强的嵌入式***开发技术，安全迅捷的网络通讯技术等。对于我国在高速铁路数字化牵引变电站自动化领域实现教学和科研水平的跨越式发展有重要意义。 

我国已步入高速铁路和城市轨道交通的建设高潮，中国高速铁路的发展，用不到十年的时间，走过了发达国家半个世纪走过的历程。这一切成绩的支撑除了国产化的电力机车成功研制，就是铁路沿线数字化牵引变电站的广泛应用及持续发展，它对于可靠性，时效性要求都明显高于民用及电力变电站，电气化铁路牵引供电变电站综合自动化***（本发明实施例）是牵引变电站可靠运行的核心设备，但也需要看到国产全套综合自动化设备性能指标、标准化水平，维护和运营成本，外观等明显弱于进口设备，各厂家设备之间通信壁垒和调试难度都非常大，京沪高铁上依然使用的是全套引进的变电站综合自动化设备，但这种全套依靠引进的状况必将逐步被更为适用并价格低廉的国产设备取代.国产设备单纯依靠价格优势取代进口设备的状况必将被保持价格优势的一流性能的先进设备所取代。因此该项目的研发不仅仅是赶超进口设备性能，替代进口设备的经济性意义，更为重要的是依靠本地技 术全面保障铁路安全运营的意义. 

牵引变电站综合自动化***在组成结构上类似电力行业的高等级变电站的综合自动化设备，但使用要求和技术特性差异很大.牵引变电站综合自动化设备是铁路行业内的高端自动化设备，其延伸产品众多，是为铁路行业供货和服务的厂家技术竞争的制高点。 

在铁路牵引变电站内应用IEC61850标准，并努力将其进行应用推广，可将当前无需的通信协议等进行规范化，从而大大提高变电站自动化技术水平，提高变电站自动化安全稳定运行水平，节约开发、验收、使用及维护的人力物力，完全实现互操作，打破厂家协议壁垒，达到不同厂家智能设备的互换，通讯的无缝结合，共同使用。 

1）采用IEC61850协议，有助于防止厂家设置协议壁垒，各设备要求互联互通，有利于降低维护运行成本及设备更新成本。 

2）信号传输均采用计算机通信技术实现，在传输有效信息的同时传输信息校验码和通道自检信息，一方面杜绝误传信号，另一方面在通信***故障时可技术告警，数字信号采用光纤传输，从根本上解决了干扰问题，极大的提高了可靠性。站内信息共享的实现，不必另行增加硬件，减少了设备投入及维护成本，同时也增加了可靠性。 

3）由于大量的信息共享和节省了部分装置，所以减少了大量的电缆连线并舍去了复杂的逻辑接线使设计简单直接，在变电站建设中大大减少了电缆的敷设和自此引起的验证，扩容时只需要在一次设备处增加相应的就地数字化装置，而在变电站层组态相应软件模块即可，不需要增加硬件，一次和控制室间连接的也只是数根光缆和几对电源线，由于全站原始信息共享可以在线检测一次或二次的状态，实时给以提醒。使得设计、建设、扩容、维护维修更加简易，成本大大降低。 

4）节省了电缆，同时也节省了一些集中处理装置，同时变电站各周期的成本及维护费用大大降低，相比因集成度提高，技术水平提高造成的成本增加，就综合造价来说，要减低很多。 

5）与变电站在线绝缘监测配合提高自动化和管理水平 

通信***传输的信息更完整、可靠性和实时性都大幅度提高，与在线绝缘监测***一同可实现更多、更复杂的自动化功能，提高自动化水平，比如可根据这些原始的实时信息诊断设备是否健康进而实现状态检修。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

通过应用本发明的技术方案，在深入理解IEC61850框架的基础上，实现了全面响应IEC61850的综合自动化***，每个一次设备间隔所对应的处理设备将自身所对应的一次设备间隔中的一次设备所接收的信号进行数字化处理，并且各个一次设备间隔所对应的处理设备分别将各自数字化处理后的信息上报给同一个集成控制设备，以使所述集成控制设备完成对所有一次设备间隔的保护测控功能。从而，基于IEC61850标准解决了电气化铁路数字化牵引变电站的集成管理问题，实现了牵引变电站的保护、测量、控制、信号、故障录波、谐波分析、故障测距等功能，达到高速电气化铁路牵引变电站的综合自动化管理。 

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可以通过硬件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质（可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等）中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施场景所述的方法。 

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。 

本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。 

上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。 

以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种电气化铁路数字化牵引变电站的集成控制方法，其特征在于，应用于包括多个一次设备间隔的电气化铁路牵引变电站控制***中，所述电气化铁路牵引变电站控制***基于IEC61850标准进行配置，所述方法至少包括以下步骤：

每个一次设备间隔所对应的处理设备将自身所对应的一次设备间隔中的一次设备所接收的信号进行数字化处理；

各个一次设备间隔所对应的处理设备分别将各自数字化处理后的信息上报给同一个集成控制设备，以使所述集成控制设备完成对所有一次设备间隔的保护测控功能。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述每个一次设备间隔所对应的处理设备将自身所对应的一次设备间隔中的一次设备所接收的信号进行数字化处理，具体包括：

所述每个一次设备间隔所对应的处理设备根据IEC61850进行变电站建模；

所述每个一次设备间隔所对应的处理设备对自身所对应的一次设备间隔的电压互感器、电流互感器、开关量、控制量、其它模拟量信息按IEC61850-9-2及GOOSE规约格式数字化。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述每个一次设备间隔所对应的处理设备，具体还可以配置以下功能：

电流、电压信号的采集；

数字信号的采集；

对开关、电动刀闸的控制功能；

具有与其他一次设备间隔所对应的处理设备的同步功能；

以IEC618509-2和GOOSE格式通过两路FX100光纤以太网与智能设备通讯。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述每个一次设备间隔所对应的处理设备根据IEC61850进行变电站建模，还包括：

所述每个一次设备间隔所对应的处理设备根据建模结果，生成SCL文件，实现设备的自动配置和自识别。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各个一次设备间隔所对应的处理设备分别将各自数字化处理后的信息上报给同一个集成控制设备，以使所述集成控制设备完成对所有一次设备间隔的保护测控功能，具体包括：

所述各个一次设备间隔所对应的处理设备，部署于所述各个一次设备间隔所对应的过程层中，各所述过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备中，所述各个一次设备间隔所对应的处理设备分别将各自数字化处理后的信息发送给所述光交换机，并由所述光交换机上报给所述集成控制设备；

所述间隔层通过另一个光交换机接入变电站层，所述集成控制设备将根据接收到的数字化处理后的信息所得到的处理结果通过所述另一个光交换机上报给所述变电站层。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述过程层、所述间隔层和所述变电站层均基于IEC61850标准进行配置。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述集成控制设备，具体包括：

内嵌双以太网的高速处理器。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，各所述过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备中，具体包括：

当一次设备间隔小于16个小时时，所述各个一次设备间隔所对应的过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备中；

当一次设备间隔大于16个小时时，所有对应10千伏的一次设备间隔的过程层通过一个交换机接入第一集成控制设备，对应主变和高压主进的一次设备间隔的过程层通过另一个交换机接入第二集成控制设备；

其中，所述第一集成控制设备完成10千伏所对应的所有设备的保护测控功能，所述第二集成控制设备完成变压器的保护测控功能。

9.如权利要求5或8所述的方法，其特征在于，各所述过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备中的同时，还包括：

位于各所述过程层的处理设备分别通过另一个光交换机接入位于间隔层的另一个集成控制设备中，对各所述过程层分别通过光交换机接入位于间隔层的同一个集成控制设备形成冗余配置；

其中，所述冗余配置所对应的双方为自动投切，且所述冗余配置中的所有设备采用统一的同步信号。

10.如权利要求1至8中任意一项所述的方法，其特征在于，

所述电气化铁路牵引变电站控制***的硬件结构中包括：

模拟量采集及转换插件，包括电流、电压输入端子、电流互感器、电压互感器、模拟信号调理单元、A/D转换单元、QSPI接口；

基本I/O及电源插件，包括电源变换监控复位单元、RS232接口，BDM单元，还可以包括RS485接口；

扩展输出及操作回路插件，包括光电隔离开入电路、开入端子、光电隔离开出电路、继电器、开出端子；

主板，包括两个10/100M以太网通讯控制模块和硬件加密模块，一个增强型乘加运算单元，以及64KB片内静态存储器和用户可定义的16kB片内高速缓存；

背板；和/或，

所述电气化铁路牵引变电站控制***的软件结构，具体为VxWorks操作***平台下，结合IEC61850分层、分布式的体系结构，采用统一的对象建模，采用面向对象及模块化软件设计方法设计。