一种在线、离线一体式的智能变电站分析测试方法

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一种在线、离线一体式的智能变电站分析测试方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种对电力系统的分析测试方法，尤其涉及一种可离线或在线使用的一体式的对智能变电站的运行情况进行分析和测试的平台。\n背景技术\n[0002] 随着现代化建设的日益发展，与其配套建设的智能电网技术也日新月异，其中，智能电网技术发展离不开高级调度中心和智能变电站，高级调度中心相当于电网的大脑，智能变电站是眼睛和手脚，确保实时全面的信息采集和可靠准确的命令执行；随着变电站信息化、自动化程度的显著和普遍提升和逐步成形，能够充分实现高级调度中心的指令作用，提升执行能力；当电网逐步形成坚强、自愈、灵活等特性，逐步发展成为智能电网。\n[0003] 伴随着高级调度中心的建设，将逐步具备驾驭复杂大电网的能力和可能。众多的高级控制功能，包括潮流的优化、强大的在线分析、事故的预警、紧急情况的处置、事后的恢复等等都依赖于高级调度中心科学迅速的决策，高级调度中心的决策首先需要及时、充分的电网信息，而智能变电站将承担采集电网各类实时、非实时信息，按照暂态、动态、静态的分类和传输要求送往高级调度中心。另一方面，高级调度中心决策的执行力和执行效率很大程度也落在智能变电站，各项控制的最终实现绝大部分需要由智能变电站完成。\n[0004] 综上所述，现需要一种能应对智能变电站在建设变电站自动化实验室、数字化改造后的状况，能结合在线分析能力和离线仿真能力的一种多适应性、无缝连接的一体化技术验证平台，从而对智能设备进行验证、测试的同时，还能够对智能变电站的理论、信息组织、高调接口等进行研究和试点，更重要的，在智能变电站技术不断演进的过程中，可以依托该平台进行紧密的跟踪和有重点的突破。\n发明内容\n[0005] 为了解决变电站在数字化改造及变电站自动化实验室后产生的种种问题，且能实现现有资源的高度整合和产学研的直接协作，对于有效保障智能变电站、智能电网进程，并能够在相当长的一段时期内支持并驱动智能电网技术的发展和成熟，在提升变电站信息化、自动化程度是一个螺旋上升的过程中有力地推动电网的智能化进程，本发明提供了一种在线、离线一体式的智能变电站分析测试方法，通过将实验室离线仿真能力和试点间隔的在线分析能力的有效无缝结合，将有效地提升电网的科技水平，从而实现更可靠、更安全、更经济的运行，使电网更加坚强和灵活，本发明的具体方案如下所述：\n[0006] 一种在线、离线一体式的智能变电站分析测试方法，包括在线实时监控方法和离线分析方法，其特征在于：\n[0007] 所述的在线实时监控方法包括网络通信分析模块、SV实时通信结构及报文分析记录模块、GOOSE实时通信结构及报文分析记录模块、MMS实时通信结构及报文分析记录模块和具有计算主从时钟偏移量和网络延时修正从设备时钟功能的1588时钟同步模块；\n[0008] 所述的离线分析方法包括以直接连接方式连接的通信记录信息模块、通信同步发送模块和同步发送网络模块。\n[0009] 根据本发明的一种在线、离线一体式的智能变电站分析测试方法，其特征在于，所述的网络通信分析模块分为变电站层、间隔层和过程层三部分：\n[0010] （1）过程层设备实现所有与一次设备接口相关的功能，将交流采样信号和直流状态信号就地转化为数字信号，是一次设备的数字化和智能化接口；\n[0011] （2）间隔层设备的主要功能是采集间隔一次设备的信号并对一次设备产生跳闸、控制等作用，并将相关信息上送给站控层设备和接受站控层设备的命令；\n[0012] （3）站控层设备的功能是利用全站信息对全站的一次二次设备进行监视和控制以及与远方控制中心的通信。\n[0013] 根据本发明的一种在线、离线一体式的智能变电站分析测试方法，其特征在于，所述的变电站层、间隔层和过程层，这三层设备之间通过网络通信实现数据交换和信息共享，其中，过程层与间隔层设备之间的网络为过程层网络，其通信内容是交流采样信号SV、直流状态信号GOOSE和硬对时信号1588，间隔层设备与站控层设备之间的网络为站控层网络，其通信内容是全站保护信息、四遥数据及所有需要监控的信息MMS、软对时信号SNTP。\n[0014] 此处设计目的在于，智能变电站的网络结构与以往数字化变电站的网络结构最大不同之处在于继电保护装置通过点对点通信实现直接采样和直接跳闸，实现了继电保护装置的独立性，大大提高了继电保护装置的可靠性和安全性。\n[0015] 根据本发明的一种在线、离线一体式的智能变电站分析测试方法，其特征在于，所述的SV通信结构和报文分析记录模块，其流程为，SV通信结构映射到以太网的物理层和数据链路层，通过组播传输网络的方式来传送报文分析记录模块，然后对该SV报文进行通断分析和报文连续性分析，判断该SV报文是否符合SV应用协议要求，在分析过程中，若判断出SV报文不符合SV应用协议要求，则将该SV报文列为错误报文，标识其错误类型，并予以显示，对于错误报文，若错误影响后续处理，则进行标识后，直接处理下一个报文，对于正确报文，对该报文进行应用分析，判断单一报文或报文应用过程是否存在错误。\n[0016] 根据本发明的一种在线、离线一体式的智能变电站分析测试方法，其特征在于，所述的组播传输网络的方式分为通过交换设备网络和点对点直连网络：\n[0017] （1）在通过交换设备网络传输模式下，合并单元与装置均连接到网络交换设备上，所有信息共网传输，数据流向则通过组播地址、vlan信息以及APPID等信息确定；\n[0018] （2）在点对点直连网络传输模式下，各MU采样值输出接口直接通过光纤与相关装置的采样值输入接口相连；\n[0019] 当采样值通过上述的方式发送时，所有合并单元和装置均连接网络交换设备，合并单元通过相连的交换设备将采样值信息发送到网络当中，装置则通过交换设备从网络上获取采样值信息，并记录采样值完整性、采样点间隔稳定性和采样传输延时稳定性。\n[0020] 此处设计目的在于，从理论上来讲，在传输介质正常的情况下，采样值通过交换设备网络传输，由于网络交换设备的介入了采样值的传送，点对点网络传输却不包含任何中间环节的，因此这两种传输方式的结果必然存在差异。\n[0021] 对于采样值报文来讲，影响整个采样值品质的因素有以下几点：\n[0022] （1）完整性，即采样点的完整性，在传输过程中采样点不丢失，信息丢失则报警，由于信息传送的特点以及网络结构和网络交换的影响，信息丢失不可避免，因此信息丢失及其影响是必须考虑的问题。对该方面的研究重点是否存在信息丢失现象，以及信息丢失对设备运行的影响；\n[0023] （2）离散度，指采样点的间隔稳定性，由于网络结构和网络交换的影响，采样点间隔会不可避免地受到影响。对该方面的研究重点在于采样点间隔会产生什么样的波动，以及波动对设备运行的影响，以每周波80点采样为例，每秒钟4000各采样点均匀分布，相邻两个点之间的时间差为250微秒；\n[0024] （3）同步性，指不同厂家的模拟电压MU之间采样值波形的同步性，即同一采样点之间的时间误差，该时间误差即为传输延时稳定性。，由于网络结构和网络交换的影响，会不可避免地产生采样延时以及采样延时波动。对该方面的研究重点在于采样值传输延时处于什么水平，以及会产生什么样的波动，所产生的延时及波动会对设备产生什么样的影响；\n[0025] （4）一致性。指合并单元波形处理的一致性，即合并单元输入端(互感器接入信号)采样值波形与输出端采样值波形的一致性。\n[0026] 在上述几个因素当中，除一致性直接反映合并单元的性能之外，同步性、离散度以及完整性的最终特性均是有网络传输来决定的，因此采样值通信结构重点从这三个方面进行考察。\n[0027] 根据本发明的一种在线、离线一体式的智能变电站分析测试方法，其特征在于，所述的GOOSE通信结构和报文分析记录模块，其流程为，GOOSE通信结构映射到以太网的物理层和数据链路层，通过组播传输网络的方式来传送报文分析记录模块，然后对该GOOSE报文进行通断分析和报文连续性分析，判断该GOOSE报文是否符合GOOSE应用协议要求，在分析过程中，若判断出GOOSE报文不符合GOOSE应用协议要求，则将该GOOSE报文列为错误报文，标识其错误类型，并予以显示，对于错误报文，若错误影响后续处理，则进行标识后，直接处理下一个报文，对于正确报文，对该报文进行应用分析，判断单一报文或报文应用过程是否存在错误。\n[0028] 根据本发明的一种在线、离线一体式的智能变电站分析测试方法，其特征在于，所述的组播传输网络的方式分为通过交换设备网络和点对点直连网络：\n[0029] （1）在通过交换设备网络的传输模式下，各装置均连接到网络交换设备上，所有信息共网传输，数据流向则通过组播地址、vlan信息以及GOOSE控制块名称等信息确定；\n[0030] （2）在点对点直连网络的传输模式下，各装置GOOSE输出接口直接通过光纤与相关装置的GOOSE接口相连；\n[0031] 当采样值通过上述的方式发送时，所有装置均连接网络交换设备，所有装置则通过交换设备从网络上获取采样值信息，并记录传输稳定性和信号变化完整性。\n[0032] 此处设计目的在于，由于GOOSE的传送完全基于网络及网络交换设备进行，而对GOOSE的记录，不但要记录记录GOOSE本身的传输过程，还要记录记录记录GOOSE传输所处的网络环境的实施状态，因此所记录的GOOSE信息也必须从网络交换设备获取，同时实现对GOOSE及其网络环境的记录。\n[0033] 根据本发明的一种在线、离线一体式的智能变电站分析测试方法，其特征在于，所述的MMS实时通信结构及报文分析记录模块，其流程如下：\n[0034] （1）客户端MMS连接请求；\n[0035] （2）服务端MMS连接应答、接受或拒绝，如果是接受，则继续；\n[0036] （3）客户端MMS初始化请求；\n[0037] （4）服务端MMS初始化应答接受、拒绝或失败，如果是接受，则继续；\n[0038] （5）基于MMS请求/应答的服务和无应答的服务的应用通信过程开始；\n[0039] （6）开始对装置MMS通信端或后台MMS通信端获得的MMS报文进行网路层分析和通信过程分析，判断该MMS报文是否符合MMS应用协议要求，首先，对MMS报文进行网络层分析，判断其信息类型是否合法，并进行拓扑分析，判断MMS报文TCP/IP地址是否合法、端口号是否合法，其次，对MMS报文的通信过程进行分析，包括通断分析和报文连续性分析，在分析过程中，无论是对其进行网络层分析的过程中还是进行通信过程分析的过程中，若判断出MMS报文不符合MMS应用协议要求，则将该MMS报文列为错误报文，标识其错误类型，并予以显示。对于错误报文，若错误影响后续处理，则进行标识后，直接处理下一个报文；对于正确报文，则对该报文进行应用分析，判断单一报文或报文应用过程是否存在错误。\n[0040] 此处设计目的在于，在实际工程所采用的交换机当中，变电站层交换机均具备端口映射功能，即将一个端口的所有数据映射到另外一个端口上去，在进行监听时，如果将连接后台监控的交换机端口映射到另一个端口上去，然后将这个端口与通信监听装置相连，即可成功实现变电站层信息的监听。\n[0041] 根据本发明的一种在线、离线一体式的智能变电站分析测试方法，其特征在于，所述的离线分析方法的通信记录信息模块、通信同步发送模块和同步发送网络模块，其具体步骤为，通信记录信息模块从系统中的通信记录设备或试验现场通过同步发送设备中获取信息，将这些通信报文内容及其时间信息以文件的格式保存到特定的区域当中，接着从文件中提取报文内容和时间信息，进行综合处理，然后通过通信同步发送模块从指定的网络接口发送到目标通信网络及设备中，而同步发送网络模块则在目标网络条件具备的情况下，可将通信同步发送模块与目标网络进行连接，在连接时需要首先确定所发送信息中，每种报文的目标以及相应的发送端口等信息，将通信同步发送模块的各个发送端口，与目标网络中相应的的网络设备以及运行设备的相应端口连接起来，重现当时的网络状态。\n[0042] 此处设计目的在于，将离线分析方法与上述的在线实时监控方法所获得数据进行对比，进一步确认智能变电站的各项运作参数是否正常，提高了整体数据的准确性。\n[0043] 综上所述，智能变电站信息的正确性和完整性不但直接影响到变电站智能化的实现程度，同时智能变电站的运行状态也完全依赖于对所获取信息的综合处理，因此如何保证及时、准确、完整地获取足够的变电站运行信息，并对这些信息进行快速的综合处理，实时把握和预测智能变电站的运行状态，对各种异常情况进行预警，及时采取措施预防故障的发生，从而根据变电站的实际运行状况对变电站的运行进行连续评估，是保证智能变电站工程建设和运行维护的迫切需求。\n[0044] 使用本发明的一种在线、离线一体式的智能变电站分析测试方法获得了如下有益效果：\n[0045] 1.本发明的一种在线、离线一体式的智能变电站分析测试方法，在线监控部分将网络通信分析模块、SV实时通信结构及报文分析记录模块、GOOSE实时通信结构及报文分析记录模块、MMS实时通信结构及报文分析记录模块和具有计算主从时钟偏移量和网络延时修正从设备时钟功能的1588时钟同步模块进行有效整合，使其获得了智能变电站装置级和系统级测试能力；\n[0046] 2.本发明的一种在线、离线一体式的智能变电站分析测试方法，离线分析方法与上述的在线实时监控方法所获得数据进行对比，进一步确认智能变电站的各项运作参数是否正常，提高了整体数据的准确性。\n附图说明\n[0047] 图1为本发明的一种在线、离线一体式的智能变电站分析测试方法的整体步骤示意图。\n[0048] 图2为SV实时通信结构及报文分析记录模块的信号传输示意图；\n[0049] 图3为SV实时通信结构及报文分析记录模块的报文记录过程示意图；\n[0050] 图4为GOOSE实时通信结构及报文分析记录模块的信号传输示意图；\n[0051] 图5为GOOSE实时通信结构及报文分析记录模块的报文记录过程示意图；\n[0052] 图6为MMS实时通信结构及报文分析记录模块的的信号传输示意图；\n[0053] 图7为MMS实时通信结构及报文分析记录模块的的报文记录过程示意图；\n[0054] 图8本发明的一种在线、离线一体式的智能变电站分析测试方法的离线分析方法的通信记录信息模块的示意图；\n[0055] 图9是离线分析方法的通信同步发送模块的示意图；\n[0056] 图10是离线分析方法的同步发送网络模块的示意图。\n具体实施方式\n[0057] 下面结合附图和实施例对本发明的一种在线、离线一体式的智能变电站分析测试方法做进一步的描述。\n[0058] 实施例\n[0059] 如图1所示，一种在线、离线一体式的智能变电站分析测试方法，包括在线实时监控方法和离线分析方法，在线实时监控方法包括网络通信分析模块、SV实时通信结构及报文分析记录模块、GOOSE实时通信结构及报文分析记录模块、MMS实时通信结构及报文分析记录模块和具有计算主从时钟偏移量和网络延时修正从设备时钟功能的1588时钟同步模块；\n[0060] 离线分析方法包括以直接连接方式连接的通信记录信息模块、通信同步发送模块和同步发送网络模块。\n[0061] 网络通信分析模块分为变电站层、间隔层和过程层三部分：\n[0062] （1）过程层设备实现所有与一次设备接口相关的功能，将交流采样信号和直流状态信号就地转化为数字信号，是一次设备的数字化和智能化接口；\n[0063] （2）间隔层设备的主要功能是采集间隔一次设备的信号并对一次设备产生跳闸、控制等作用，并将相关信息上送给站控层设备和接受站控层设备的命令；\n[0064] （3）站控层设备的功能是利用全站信息对全站的一次二次设备进行监视和控制以及与远方控制中心的通信。\n[0065] 变电站层、间隔层和过程层，这三层设备之间通过网络通信实现数据交换和信息共享，其中，过程层与间隔层设备之间的网络为过程层网络，其通信内容是交流采样信号SV、直流状态信号GOOSE和硬对时信号1588，间隔层设备与站控层设备之间的网络为站控层网络，其通信内容是全站保护信息、四遥数据及所有需要监控的信息MMS、软对时信号SNTP。\n[0066] 智能变电站的网络结构与以往数字化变电站的网络结构最大不同之处在于继电保护装置通过点对点通信实现直接采样和直接跳闸，实现了继电保护装置的独立性，大大提高了继电保护装置的可靠性和安全性。\n[0067] 参考图2和图3所示，SV通信结构和报文分析记录模块，其流程为，SV通信结构映射到以太网的物理层和数据链路层，通过组播传输网络的方式来传送报文分析记录模块，然后对该SV报文进行通断分析和报文连续性分析，判断该SV报文是否符合SV应用协议要求，在分析过程中，若判断出SV报文不符合SV应用协议要求，则将该SV报文列为错误报文，标识其错误类型，并予以显示，对于错误报文，若错误影响后续处理，则进行标识后，直接处理下一个报文，对于正确报文，对该报文进行应用分析，判断单一报文或报文应用过程是否存在错误。\n[0068] SV通信结构和报文分析记录模块的组播传输网络的方式分为通过交换设备网络和点对点直连网络：\n[0069] （1）在通过交换设备网络传输模式下，合并单元与装置均连接到网络交换设备上，所有信息共网传输，数据流向则通过组播地址、vlan信息以及APPID等信息确定；\n[0070] （2）在点对点直连网络传输模式下，各MU采样值输出接口直接通过光纤与相关装置的采样值输入接口相连；\n[0071] 当采样值通过上述的方式发送时，所有合并单元和装置均连接网络交换设备，合并单元通过相连的交换设备将采样值信息发送到网络当中，装置则通过交换设备从网络上获取采样值信息，并记录采样值完整性、采样点间隔稳定性和采样传输延时稳定性。\n[0072] 从理论上来讲，在传输介质正常的情况下，采样值通过交换设备网络传输，由于网络交换设备的介入了采样值的传送，点对点网络传输却不包含任何中间环节的，因此这两种传输方式的结果必然存在差异。\n[0073] 对于采样值报文来讲，影响整个采样值品质的因素有以下几点：\n[0074] （1）完整性，即采样点的完整性，在传输过程中采样点不丢失，信息丢失则报警，由于信息传送的特点以及网络结构和网络交换的影响，信息丢失不可避免，因此信息丢失及其影响是必须考虑的问题。对该方面的研究重点是否存在信息丢失现象，以及信息丢失对设备运行的影响；\n[0075] （2）离散度，指采样点的间隔稳定性，由于网络结构和网络交换的影响，采样点间隔会不可避免地受到影响。对该方面的研究重点在于采样点间隔会产生什么样的波动，以及波动对设备运行的影响，以每周波80点采样为例，每秒钟4000各采样点均匀分布，相邻两个点之间的时间差为250微秒；\n[0076] （3）同步性，指不同厂家的模拟电压MU之间采样值波形的同步性，即同一采样点之间的时间误差，该时间误差即为传输延时稳定性。，由于网络结构和网络交换的影响，会不可避免地产生采样延时以及采样延时波动。对该方面的研究重点在于采样值传输延时处于什么水平，以及会产生什么样的波动，所产生的延时及波动会对设备产生什么样的影响；\n[0077] （4）一致性。指合并单元波形处理的一致性，即合并单元输入端(互感器接入信号)采样值波形与输出端采样值波形的一致性。\n[0078] 在上述几个因素当中，除一致性直接反映合并单元的性能之外，同步性、离散度以及完整性的最终特性均是有网络传输来决定的，因此采样值通信结构重点从这三个方面进行考察。\n[0079] 参考图4和图5所示，GOOSE通信结构和报文分析记录模块，其流程为，GOOSE通信结构映射到以太网的物理层和数据链路层，通过组播传输网络的方式来传送报文分析记录模块，然后对该GOOSE报文进行通断分析和报文连续性分析，判断该GOOSE报文是否符合GOOSE应用协议要求，在分析过程中，若判断出GOOSE报文不符合GOOSE应用协议要求，则将该GOOSE报文列为错误报文，标识其错误类型，并予以显示，对于错误报文，若错误影响后续处理，则进行标识后，直接处理下一个报文，对于正确报文，对该报文进行应用分析，判断单一报文或报文应用过程是否存在错误。\n[0080] GOOSE通信结构和报文分析记录模块的组播传输网络的方式分为通过交换设备网络和点对点直连网络：\n[0081] （1）在通过交换设备网络的传输模式下，各装置均连接到网络交换设备上，所有信息共网传输，数据流向则通过组播地址、vlan信息以及GOOSE控制块名称等信息确定；\n[0082] （2）在点对点直连网络的传输模式下，各装置GOOSE输出接口直接通过光纤与相关装置的GOOSE接口相连；\n[0083] 当采样值通过上述的方式发送时，所有装置均连接网络交换设备，所有装置则通过交换设备从网络上获取采样值信息，并记录传输稳定性和信号变化完整性。\n[0084] 此处设计目的在于，由于GOOSE的传送完全基于网络及网络交换设备进行，而对GOOSE的记录，不但要记录记录GOOSE本身的传输过程，还要记录记录记录GOOSE传输所处的网络环境的实施状态，因此所记录的GOOSE信息也必须从网络交换设备获取，同时实现对GOOSE及其网络环境的记录。\n[0085] 参考图6和图7所示，MMS实时通信结构及报文分析记录模块，其流程如下：\n[0086] （1）客户端MMS连接请求；\n[0087] （2）服务端MMS连接应答、接受或拒绝，如果是接受，则继续；\n[0088] （3）客户端MMS初始化请求；\n[0089] （4）服务端MMS初始化应答接受、拒绝或失败，如果是接受，则继续；\n[0090] （5）基于MMS请求/应答的服务和无应答的服务的应用通信过程开始；\n[0091] （6）开始对装置MMS通信端或后台MMS通信端获得的MMS报文进行网路层分析和通信过程分析，判断该MMS报文是否符合MMS应用协议要求，首先，对MMS报文进行网络层分析，判断其信息类型是否合法，并进行拓扑分析，判断MMS报文TCP/IP地址是否合法、端口号是否合法，其次，对MMS报文的通信过程进行分析，包括通断分析和报文连续性分析，在分析过程中，无论是对其进行网络层分析的过程中还是进行通信过程分析的过程中，若判断出MMS报文不符合MMS应用协议要求，则将该MMS报文列为错误报文，标识其错误类型，并予以显示。对于错误报文，若错误影响后续处理，则进行标识后，直接处理下一个报文；对于正确报文，则对该报文进行应用分析，判断单一报文或报文应用过程是否存在错误。\n[0092] 在实际工程所采用的交换机当中，变电站层交换机均具备端口映射功能，即将一个端口的所有数据映射到另外一个端口上去，在进行监听时，如果将连接后台监控的交换机端口映射到另一个端口上去，然后将这个端口与通信监听装置相连，即可成功实现变电站层信息的监听。\n[0093] 如图8、图9和图10所示，离线分析方法的通信记录信息模块、通信同步发送模块和同步发送网络模块，其具体步骤为，通信记录信息模块从系统中的通信记录设备或试验现场通过同步发送设备中获取信息，将这些通信报文内容及其时间信息以文件的格式保存到特定的区域当中，接着从文件中提取报文内容和时间信息，进行综合处理，然后通过通信同步发送模块从指定的网络接口发送到目标通信网络及设备中，而同步发送网络模块则在目标网络条件具备的情况下，可将通信同步发送模块与目标网络进行连接，在连接时需要首先确定所发送信息中，每种报文的目标以及相应的发送端口等信息，将通信同步发送模块的各个发送端口，与目标网络中相应的的网络设备以及运行设备的相应端口连接起来，重现当时的网络状态。\n[0094] 将离线分析方法与上述的在线实时监控方法所获得数据进行对比，进一步确认智能变电站的各项运作参数是否正常，提高了整体数据的准确性。\n[0095] 本发明的一种在线、离线一体式的智能变电站分析测试方法，在线监控部分将网络通信分析模块、SV实时通信结构及报文分析记录模块、GOOSE实时通信结构及报文分析记录模块、MMS实时通信结构及报文分析记录模块和具有计算主从时钟偏移量和网络延时修正从设备时钟功能的1588时钟同步模块进行有效整合，使其获得了智能变电站装置级和系统级测试能力，并将离线分析方法与上述的在线实时监控方法所获得数据进行对比，进一步确认智能变电站的各项运作参数是否正常，提高了整体数据的准确性，适用于智能电网的变电站检测领域。