呂相沅，趙志誠，張紅蓮，閆崇陽

(1.太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024；2.山西省運(yùn)城市電力設(shè)計(jì)院，山西 運(yùn)城 044000)

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智能變電站中的GOOSE虛端子的設(shè)計(jì)方法

呂相沅1，趙志誠1，張紅蓮2，閆崇陽2

(1.太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024；2.山西省運(yùn)城市電力設(shè)計(jì)院，山西 運(yùn)城 044000)

摘要：針對智能變電站信息網(wǎng)絡(luò)化共享的特點(diǎn)，提出了一種GOOSE虛端子設(shè)計(jì)方法。通過對虛回路體系架構(gòu)和GOOSE報(bào)文機(jī)制的分析，提出設(shè)計(jì)方案，方案內(nèi)容包括GOOSE信息流圖、虛端子圖、邏輯連線圖、虛端子邏輯聯(lián)系表等內(nèi)容，可以解決智能變電站保護(hù)裝置GOOSE信息無接線、無端子、無接點(diǎn)、設(shè)計(jì)方式難以表現(xiàn)等問題，直觀反應(yīng)SV、GOOSE信息，供不同的專業(yè)人員查閱。

關(guān)鍵詞：智能變電站；虛端子；GOOSE；邏輯接線

數(shù)字化保護(hù)測控裝置的出現(xiàn)，將傳統(tǒng)變電站二次部分的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了很大程度上的顛覆。對于裝置所言，過程層的設(shè)備包含了大量節(jié)點(diǎn)信號開入和流出，繼電器的接口，交流輸入和開關(guān)的操作回路，光纖接口的誕生替代了原有的接線端子的傳統(tǒng)概念，同時網(wǎng)絡(luò)化的光纜替換了原有一對一的接線電纜[1]。保護(hù)測控裝置的數(shù)字化使得其特性越來越像一個黑匣子，保護(hù)所需的外部特性能夠被ICD(IED Capability Description，IED能力描述文件)文件來描述。而GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event，面向通用對象的變電站事件)、SV(Sampled Value，采樣值)輸入輸出信號為在站內(nèi)局域網(wǎng)絡(luò)上傳遞的信號變量，可對應(yīng)于傳統(tǒng)屏柜的每個端子，與其存在一對一的關(guān)系，為了便于直觀地理解這些GOOSE、SV信號，有部分學(xué)者提出了虛端子的這一虛擬性的概念。

常規(guī)變電站的二次部分工程設(shè)計(jì)是以二次接線為表現(xiàn)形式，變電站的智能化，使得傳統(tǒng)電纜二次回路已不存在，所有信息全部隱含在光纜中，帶來了信息難以查閱的問題。為此，文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種SCD(Substation Configuration Description)智能比對軟件，將SCD與虛端子表文件中各虛端子信息進(jìn)行一一比對，檢查正確性。文獻(xiàn)[3]給出了一種變電站配置描述，其描述部分包括SCD文件和光纜清冊。文獻(xiàn)[4]采用提出了一種虛端子的表格統(tǒng)計(jì)方式，可以完整反映虛端子間的信息輸送和連接。但上述方法都較為繁瑣，信息重復(fù)的可能性大，容易出現(xiàn)錯誤。文獻(xiàn)[5]改變了現(xiàn)有的設(shè)計(jì)觀念，初次提出了保護(hù)裝置GOOSE“虛端子”概念和GOOSE虛端子設(shè)計(jì)方式。但事實(shí)上，智能變電站中的每個GOOSE信息仍須通過大量的描述文件來進(jìn)行一一比對配置。

基于文獻(xiàn)[6]的設(shè)計(jì)方法，研究GOOSE虛端子的設(shè)計(jì)方法，在GOOSE信息流圖、邏輯連線圖、虛端子圖、虛端子邏輯聯(lián)系表等方面進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了裝置間的信息交互、共享以及點(diǎn)對點(diǎn)連接的效果。同時，針對智能變電站給出了一種GOOSE虛端子的設(shè)計(jì)方法，即GOOSE虛端子施工圖智能設(shè)計(jì)軟件，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中真正實(shí)現(xiàn)智能變電站的“數(shù)字平臺、信息共享”的優(yōu)越性。

1虛回路體系架構(gòu)

針對智能變電站不再有硬電纜回路的這個概念，提出基于局域網(wǎng)絡(luò)信息傳遞的快速性，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)信息通用共享的虛回路架構(gòu)體系。進(jìn)行的工作思路方法是對傳統(tǒng)變電站基于閉合電回路網(wǎng)絡(luò)歸檔而展開的，建立起智能變電站可供設(shè)計(jì)人員參閱調(diào)試的整套虛回路體系。該體系的主要研究內(nèi)容包括：(1)建立起可表達(dá)虛回路間關(guān)聯(lián)的，并且合適于系統(tǒng)和裝置的SCL的標(biāo)準(zhǔn)體系；(2)創(chuàng)建切合于信息共享要求的自動化網(wǎng)絡(luò)配置方法；(3)分析智能變電站所必需的種種器件，開展基于所需器件的工作流程和工作分工。智能變電站的虛回路體系以SCL虛回路標(biāo)準(zhǔn)體系和站內(nèi)局域網(wǎng)絡(luò)的自動分配裝置為基礎(chǔ)管理工具，以設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成器件、IED設(shè)備的配置器件、調(diào)試診斷器件為方法，在虛回路信息中，以包括全變電站配置描述虛回路信息的文件為中心，進(jìn)一步達(dá)成站內(nèi)IED設(shè)備和交換機(jī)基于統(tǒng)一站內(nèi)局域網(wǎng)分享的信息庫進(jìn)行自動化配置的手段，包涵了智能變電站中從設(shè)計(jì)到施工調(diào)試，再到運(yùn)行修護(hù)的各個環(huán)節(jié)，為智能變電站的全壽命期限提供服務(wù)[5]。虛回路各基本單元組成的虛回路系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1　虛回路體系架構(gòu)

2GOOSE報(bào)文機(jī)制

GOOSE網(wǎng)絡(luò)報(bào)文機(jī)制是一種描述面向通用對象的變電站事件的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，這個概念與傳統(tǒng)變電站中的開關(guān)量和開閉鎖信號的意義相接近。GOOSE是一種由事件的發(fā)生而受到觸發(fā)的報(bào)文，一般的通信情況下采用發(fā)布者/訂閱者機(jī)制。為防止網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過大的情況下可能會丟失GOOSE報(bào)文，同一個GOOSE報(bào)文會重復(fù)發(fā)送多次，而且報(bào)文重發(fā)的時間間隔并不是一直保持一致的，其時間隔斷會逐漸增加，當(dāng)重發(fā)時間隔斷增大到最大值的時候，GOOSE報(bào)文將會不停地以最大時間隔斷重發(fā)該報(bào)文，一直到有新的事件產(chǎn)生繼而轉(zhuǎn)發(fā)新的GOOSE報(bào)文。其中，T0為無事件發(fā)生的狀況下，報(bào)文重新發(fā)送時間隔斷(一般是1 024 ms)；(T0)為從穩(wěn)態(tài)情況過渡到有突發(fā)事件的情況下，報(bào)文重新發(fā)送時間隔斷(時間會因?yàn)橛行碌氖录漠a(chǎn)生會縮短)；T1為有新事件發(fā)生時，最短的報(bào)文重發(fā)時間隔斷；T2和T3是重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)情況即無新事件發(fā)生的情況前的報(bào)文重發(fā)時間隔斷(T1

圖2　GOOSE報(bào)文傳輸機(jī)制原理圖

GOOSE虛端子是指用于收發(fā)配置GOOSE信息的，在智能變電站的建設(shè)基礎(chǔ)上，保護(hù)設(shè)備間的虛端子信號信息需要通過GOOSE報(bào)文來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，通過導(dǎo)入描述配置文件，將上述GOOSE信號返回過程層中的其它IED裝置，實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的信息交換。

3虛端子設(shè)計(jì)方案

GOOSE信息流圖是在繼電保護(hù)原理以及電氣主接線圖的基礎(chǔ)上所建立起的，可體現(xiàn)其中某一間隔中的各保護(hù)裝置間的邏輯關(guān)聯(lián)原理結(jié)構(gòu)，反應(yīng)了裝置之間的GOOSE信息數(shù)據(jù)流向，對變電站的二次部分GOOSE虛端子的設(shè)計(jì)起指導(dǎo)性作用。智能變電站典型間隔的保護(hù)GOOSE信息流圖如圖3所示。

3.2GOOSE虛端子圖

GOOSE虛端子是文獻(xiàn)[6]在基于設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，提出的一種虛擬端子，并不真實(shí)存在，它可以直觀地反映各保護(hù)裝置間的GOOSE信息輸入輸出信號，是在站內(nèi)局域網(wǎng)絡(luò)上傳遞通報(bào)GOOSE信號的起始位置或終端位置。

圖3　母聯(lián)間隔保護(hù)GOOSE信息流圖

保護(hù)裝置的GOOSE虛端子圖反映了該保護(hù)裝置的所有GOOSE虛端子信息。GOOSE虛端子可分為接入虛端子和接出虛端子兩類，它的構(gòu)成由3項(xiàng)組成，涵括了中文名稱和虛端子號以及內(nèi)部數(shù)據(jù)的屬性。保護(hù)裝置的開入邏輯1～i可界定為接入虛端子In11～I(xiàn)ni，開出邏輯1～j可界定為接出虛端子Out1～Outj.中文名稱即該GOOSE信號的含義標(biāo)注；內(nèi)部的數(shù)據(jù)屬性按照IED的應(yīng)用模型來體現(xiàn)。

另外，GOOSE虛端子圖還表示了保護(hù)裝置的GOOSE軟壓板設(shè)置，便于調(diào)試、運(yùn)維人員對GOOSE報(bào)文發(fā)送或接收的控制操作。

3.3GOOSE邏輯連線圖

GOOSE邏輯連線是以保護(hù)裝置的虛端子和GOOSE信息流圖作為基礎(chǔ)，依據(jù)繼電保護(hù)的原理，對各GOOSE配置所表示的保護(hù)裝置用連線的方式加以表達(dá)。GOOSE邏輯連線圖是以間隔為單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以直觀地反映各間隔內(nèi)不同保護(hù)裝置間GOOSE信號聯(lián)絡(luò)的全部內(nèi)容，可供保護(hù)專業(yè)人員的調(diào)試和參閱。

翻轉(zhuǎn)課堂在教學(xué)過程中的應(yīng)用能夠給教學(xué)帶來新的教學(xué)資源，也能夠帶來新的教學(xué)理念，教師在教學(xué)過程中不再是主體，學(xué)生才是自身學(xué)習(xí)的主體。翻轉(zhuǎn)課堂適應(yīng)學(xué)生認(rèn)知的特點(diǎn)、小學(xué)英語課堂教學(xué)的特點(diǎn)，從而能夠很好地適應(yīng)教學(xué)過程。翻轉(zhuǎn)課堂的應(yīng)用并不是一朝一夕的事情，還需要教師在教學(xué)過程中不斷探索其應(yīng)用的方法，以便提升其教學(xué)效果。翻轉(zhuǎn)課堂是一種新興的、以任務(wù)為主要學(xué)習(xí)形式的教學(xué)模式，為此，在小學(xué)英語教學(xué)階段給學(xué)生明確提出預(yù)習(xí)的任務(wù)、設(shè)計(jì)自主學(xué)習(xí)的任務(wù)單是教學(xué)過程中重要的組成部分。在教學(xué)過程中任務(wù)設(shè)計(jì)的是否明確、清晰以及學(xué)生對任務(wù)的具體可操作性等內(nèi)容都有其重要的作用。

例如，某一間隔的GOOSE邏輯連線1～k分別定義為LL1～LLk.GOOSE邏輯連線的起始位置是用某一保護(hù)裝置的接出虛端子Outj來表示，而終端位置則可以用另一個保護(hù)裝置的接入虛端子Ini來表現(xiàn)，一條GOOSE邏輯連線LLk可以表示不同保護(hù)裝置間一個具體的邏輯連接關(guān)系，用編號的形式來表現(xiàn)，保護(hù)裝置的輸入虛端子號以特定的順序來進(jìn)行編號從而加以編排[6]。

3.4虛端子邏輯聯(lián)系表

虛端子邏輯聯(lián)系表是依據(jù)邏輯連線，即以虛端子的邏輯連線為根本，對各保護(hù)裝置間的GOOSE信息配置以列表的方式予以整理，最終以表格形式表示。

虛端子邏輯連線及其對應(yīng)的起點(diǎn)、終點(diǎn)構(gòu)成了虛端子邏輯聯(lián)系表，其中邏輯連線是由邏輯連線的名稱和邏輯連線的編號LLk兩項(xiàng)構(gòu)成，邏輯連線的起始位置包含了起始位置的保護(hù)裝置名稱、虛端子Outj以及虛端子內(nèi)部的數(shù)據(jù)屬性三項(xiàng)，邏輯連線的終端位置涵括了終點(diǎn)的保護(hù)裝置名稱、虛端子Ini以及虛端子的內(nèi)部數(shù)據(jù)屬性三項(xiàng)[7]。虛端子關(guān)系如表1所示。

表1　虛端子關(guān)系表

虛端子邏輯聯(lián)系表將有關(guān)于虛端子邏輯連線的全部相關(guān)信息系統(tǒng)化地予以整理，可以成為施工調(diào)試時的圖紙依據(jù)。

4虛端子設(shè)計(jì)智能軟件

4.1設(shè)計(jì)原理

GOOSE虛端子施工圖設(shè)計(jì)智能軟件應(yīng)專門針對工程設(shè)計(jì)中電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，建立以數(shù)據(jù)庫為核心的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。軟件具有開放的圖形及數(shù)據(jù)庫平臺，符合工程設(shè)計(jì)習(xí)慣，可以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下共享數(shù)據(jù)庫，共享工程并實(shí)時更新，軟件允許多個用戶在同一時間工作于同一工程，同時具有開放的編程接口，可實(shí)現(xiàn)與管理軟件及其他專業(yè)軟件的無縫連接，真正實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)管理的一體化。

GOOSE虛端子施工圖設(shè)計(jì)智能軟件應(yīng)根據(jù)保護(hù)廠家提供的包含GOOSE裝置信息的Excel文件，將Excel中羅列的GOOSE裝置的虛端子號、虛端子信號的中文名稱、虛端子信號在智能裝置中的內(nèi)部數(shù)據(jù)屬性等信息導(dǎo)入到軟件的數(shù)據(jù)庫中，通過數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)處理，自動提取數(shù)據(jù)庫中的邏輯信息生成GOOSE裝置的接線圖。軟件以邏輯電氣原理為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，用戶在相關(guān)聯(lián)的智能裝置GOOSE配置兩端各放一個電氣線引線符號，軟件自動識別將兩裝置關(guān)聯(lián)，生成邏輯連線，并將此關(guān)聯(lián)信息存儲于數(shù)據(jù)庫中，從而達(dá)到圖庫統(tǒng)一，最終可從數(shù)據(jù)庫中提取關(guān)聯(lián)信息自動統(tǒng)計(jì)光纜清冊，顯示光纜的電纜號、連接信息等。

4.2設(shè)計(jì)步驟

(1)讀取Excel文件

廠家提供裝置GOOSE相關(guān)的Excel表，在Excel表中羅列出GOOSE裝置的虛端子號、虛端子信號的中文名稱以及虛端子信號在智能裝置中的內(nèi)部數(shù)據(jù)屬性等，軟件將此Excel文件導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫后，識別虛端子的信息以及其關(guān)聯(lián)信息，并進(jìn)行圖表關(guān)聯(lián)；軟件將裝置以及裝置中的GOOSE虛端子等信息做為模板，實(shí)現(xiàn)圖紙繪制的標(biāo)準(zhǔn)化。Excel的格式用戶自定，軟件具有標(biāo)準(zhǔn)開放的API接口，可讀取不同格式的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

(2)生成GOOSE虛端子圖

從數(shù)據(jù)庫中讀取虛端子的關(guān)聯(lián)連接信息，并從圖庫中讀取相應(yīng)的模板，自動生成正確的GOOSE虛端子圖。

圖4　虛端子設(shè)計(jì)流程圖

(3)生成邏輯連線圖

在需要進(jìn)行信號關(guān)聯(lián)的智能裝置的兩端分別置放一個電氣線引線符號(電氣線引線符號是該軟件的特殊功能屬性。在電氣線的兩端放置同一電氣線引線符號，則兩電氣線就會自動關(guān)聯(lián))，當(dāng)電氣線兩端放置相同的電氣線引線符號后，軟件自動生成邏輯連線編號，邏輯連線編號為設(shè)定的電氣線引線符號編號。

(4)生成GOOSE配置表

軟件通過讀取數(shù)據(jù)庫中GOOSE裝置的連接信息，自動生成GOOSE配置表，并進(jìn)一步自動生成初步的光纜清冊包括光纜編號、名稱、輸入輸出信息等。軟件的報(bào)表編輯器可供用戶自定義清冊模板，報(bào)表編輯器可供用戶自定義清冊模板，生成Excel、pdf、dwg等多種格式。

(5)基于數(shù)據(jù)庫的及時更新

在數(shù)據(jù)庫的支撐下，當(dāng)輸入條件變更時，可刷新生成的GOOSE虛端子相關(guān)的系列圖，保證數(shù)據(jù)傳遞的正確和唯一性。

GOOSE虛端子施工圖設(shè)計(jì)智能軟件流程框圖如圖4所示。

4.3基于SCD的虛端子連接圖形化展示方法

基于SCD虛端子構(gòu)建的圖形化展示系統(tǒng)支持各個廠家的SCD文件導(dǎo)入、解析、校驗(yàn)和展示，虛端子連接圖形化展示方法支持設(shè)備連接圖和端子排圖兩種展示方式。包括三個核心模塊：SCD解析模塊、SCD語法和語義校驗(yàn)?zāi)K及圖形化展示模塊，如圖5所示。

SCD解析模塊負(fù)責(zé)從SCD文件中提取出用以描述單個IED裝置虛端子連接配置信息。SCD語法和語義校驗(yàn)?zāi)K負(fù)責(zé)上傳的智能變電站SCD文件的完整性檢查，同時基于CRC等校驗(yàn)算法再對提交的系統(tǒng)配置文件的語法、語義進(jìn)行校驗(yàn)。圖形化展示模塊用直觀表達(dá)的圖形對SCD文件的連接關(guān)系進(jìn)行展示[8-10]。

圖5　智能變電站虛端子設(shè)計(jì)思路

5結(jié)論

本文針對智能變電站GOOSE虛端子技術(shù)的在110 kV新一代智能變電站的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員利用該套設(shè)計(jì)方法及智能設(shè)計(jì)軟件對二次部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該套設(shè)計(jì)方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法中設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)行的煩瑣的手工配線工作；通過對GOOSE信息數(shù)據(jù)功能檢測設(shè)備間通信連接的正確性；對于數(shù)字化變電站因光纜數(shù)量增多帶來的問題，也可通過軟件對光纜配線聯(lián)接、信息流等信息進(jìn)行匯總。隨著國內(nèi)新一代智能變電站工程的推廣，該套設(shè)計(jì)方法將更加成熟可靠[11]。

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Design Method for GOOSE Virtual Terminal in Intelligent Substation

LU Xiang-yuan1，ZHAO Zhi-cheng1，ZHANG Hong-lian2，YAN Chong-yang2

(1.School of Electronics and Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China；2.Yuncheng Electric Power Design Institute of Shanxi Province，Yuncheng 044000，China)

Abstract：Aiming at sharing information network for intelligent substation features，an entirely new design method of GOOSE virtual terminal is studied.Through the analysis of virtual circuit architecture and GOOSE message mechanisms，a method which includes virtual terminal，the logical link diagram，GOOSE configuration tables，etc.，is proposed.The design method can visually reflect GOOSE configuration of protection device，GOOSE connections between the protection device，etc..The problem that GOOSE information of protection devices in the digital substation has no link，no terminals，no contact and no wiring is solved，which directly reflects the information of SV and GOOSE for different professionals to read.

Key words：digital substation，virtual terminal，GOOSE，logic link

收稿日期：2015-08-26

作者簡介：呂相沅(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄茏冸娬驹谥悄茈娋W(wǎng)中的設(shè)計(jì)；通訊作者：趙志誠，教授，E-mail：zhzhich@126.com

文章編號：1673-2057(2016)04-0281-06

中圖分類號：TM76

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1673-2057.2016.04.007