基于IEC 60870-5-103規(guī)約擴(kuò)展的牽引供電實(shí)時(shí)負(fù)荷錄波設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 鵬 范三龍

(南京國電南自軌道交通工程有限公司，南京 210032)

近年來，隨著國內(nèi)高速鐵路及城市軌道交通領(lǐng)域的快速發(fā)展，牽引供電管理部門對供電系統(tǒng)電能質(zhì)量管理和負(fù)荷監(jiān)測的要求日益提高[1]，除了通過原有的故障錄波功能實(shí)現(xiàn)對供電網(wǎng)絡(luò)故障工況下的各電參量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確記錄與故障點(diǎn)定位[2]以外，也需要對正常運(yùn)行工況下的各種電參量進(jìn)行高精度、全時(shí)段的實(shí)時(shí)負(fù)荷錄波，并希望所記錄數(shù)據(jù)的時(shí)標(biāo)應(yīng)基于裝置精確時(shí)鐘且變化時(shí)刻時(shí)間分辨率要達(dá)到毫秒級(jí)，以能記錄到每個(gè)周波的必要信息，從而能夠更有效地為供電調(diào)度優(yōu)化和早期識(shí)別故障異常提供支持。而目前主流的常規(guī)牽引變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在正常供電工況下對各種模擬電參量的監(jiān)視是基于保護(hù)測控裝置定時(shí)循環(huán)上送和總召應(yīng)答上送遙測量[3]兩種方式，所獲得的遙測數(shù)據(jù)本身并不帶時(shí)標(biāo)，數(shù)據(jù)的更新時(shí)間間隔也只能達(dá)到秒級(jí)，所記錄數(shù)據(jù)的變化時(shí)標(biāo)只能采用站控層監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器本身的時(shí)鐘，精度較差，顯然不能滿足上述新的用戶要求。

本文提出了一種基于 IEC 60870-5-103(國標(biāo)DL/T 667—1999)規(guī)約(以下簡稱“IEC 103規(guī)約”)擴(kuò)展的牽引供電系統(tǒng)實(shí)時(shí)負(fù)荷錄波設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案，其構(gòu)成和數(shù)據(jù)流程如圖1所示。該方案可以實(shí)現(xiàn)對正常供電工況下各種電參量的高精度、全時(shí)段的實(shí)時(shí)負(fù)荷錄波，滿足數(shù)據(jù)記錄時(shí)標(biāo)基于裝置精確時(shí)鐘、變化時(shí)刻時(shí)間分辨率達(dá)到毫秒級(jí)等性能指標(biāo)，同時(shí)與現(xiàn)有牽引變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通信規(guī)約相兼容，具有改動(dòng)影響小、適配性強(qiáng)，改造成本低等優(yōu)點(diǎn)。下面將就本方案中的各關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行闡述。

1 帶精確時(shí)標(biāo)的遙測量實(shí)時(shí)傳輸

當(dāng)前牽引變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)領(lǐng)域以 IEC 103通信規(guī)約的應(yīng)用最為主流和成熟，大量的二次自動(dòng)化裝置與站控層監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信都圍繞著該通信規(guī)約進(jìn)行開發(fā)。但I(xiàn)EC 103規(guī)約自身規(guī)定兼容范圍內(nèi)的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元(ASDU)和操作過程并不支持實(shí)時(shí)傳送帶時(shí)標(biāo)的遙測量[4]，從而無法直接實(shí)現(xiàn)從裝置端向站控層監(jiān)控主站實(shí)時(shí)傳輸帶精確時(shí)標(biāo)的負(fù)荷遙測數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)方案遵照 IEC 103規(guī)約協(xié)議的基本原則，采用通用分類服務(wù)[5]來實(shí)現(xiàn)帶精確時(shí)標(biāo)遙測量的實(shí)時(shí)傳輸。為了避免與既有工程常用的IEC 103通用分類服務(wù)組相沖突，規(guī)定上送實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)的組號(hào)為 78(0x4E)。具體定義的通用分類服務(wù)擴(kuò)展報(bào)文幀格式如圖2所示。

圖1 構(gòu)成和數(shù)據(jù)流程

圖2 擴(kuò)展報(bào)文幀格式

圖2中數(shù)據(jù)寬度N是指數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的總長度。數(shù)據(jù)項(xiàng)數(shù)指數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中元素的個(gè)數(shù)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，第1個(gè)元素為第一個(gè)被測值的時(shí)標(biāo)報(bào)文，第 2個(gè)元素為第一個(gè)被測值，…后面依次排列。當(dāng)站控層監(jiān)控系統(tǒng)的 IEC 103規(guī)約處理模塊接收到組號(hào)為78(0x4E)的通用分類數(shù)據(jù)后將按上述幀格式解釋為一組帶有裝置絕對時(shí)標(biāo)的遙測量并交由實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)處理模塊處理。

2 自適應(yīng)的數(shù)據(jù)采集動(dòng)態(tài)壓縮

當(dāng)測控終端裝置按照每通道每周波2個(gè)點(diǎn)采集負(fù)荷數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)被測交流電參量的采集速率將達(dá)到每秒100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，按圖2所示幀格式封裝后的通信數(shù)率將達(dá)到(255×6+75)×8=12.84kbps，考慮到牽引變電站供電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)為數(shù)眾多的交流電參量，這樣不間斷、高采樣率的監(jiān)測，將產(chǎn)生巨量的數(shù)據(jù)，使得錄波實(shí)現(xiàn)難度增大、數(shù)據(jù)傳輸效率降低，而采用具有高壓縮性能的數(shù)據(jù)壓縮方法是解決這一難題的有效途徑[6]。

本方案中采用了一種自適應(yīng)、不定時(shí)長的模擬數(shù)據(jù)采集動(dòng)態(tài)壓縮算法，通過測控終端裝置與站控層監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)處理模塊相配合，在確保重構(gòu)信號(hào)有較高的信噪比、能夠保留電參量變化特征的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源與終端存儲(chǔ)空間、提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率的目的。其基本原理是：對于被監(jiān)測電參量需要關(guān)注的變化時(shí)段數(shù)據(jù)加密采集，而對于平穩(wěn)缺少變化時(shí)段采取大時(shí)間跨度等間隔的稀疏采集。如圖3所示，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)通過被監(jiān)測電參量前后多次測量值的Δ值和變化斜率等因素綜合判定：S2時(shí)段是需要重點(diǎn)關(guān)注的變化時(shí)段，采取密集采集，采樣點(diǎn)時(shí)間間隔為5～20ms；S1、S3時(shí)段是不需要過多關(guān)注的平穩(wěn)時(shí)段，采取大時(shí)間跨度的稀疏采集，采樣點(diǎn)時(shí)間間隔為10～30s。該算法的優(yōu)點(diǎn)在于既保留了電參量全部變化特征，又明顯地降低了需要傳輸和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量，顯著地提升了系統(tǒng)的性能。

圖3 數(shù)據(jù)采集和壓縮

3 支持重傳復(fù)寫、可動(dòng)態(tài)增長的存儲(chǔ)模式

對于需要24h不間斷工作的實(shí)時(shí)負(fù)荷錄波功能而言，保持?jǐn)?shù)據(jù)記錄的完整性是非常必要的，應(yīng)盡量避免因網(wǎng)絡(luò)短時(shí)中斷或系統(tǒng)短時(shí)退出等意外因素而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的問題。本方案中，通過測控終端裝置與站控層監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)處理模塊相配合，采用了支持重傳、復(fù)寫功能的歷史存儲(chǔ)模式，當(dāng)二者重新建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連接后會(huì)立刻重傳最近數(shù)分鐘內(nèi)的實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)，站控層實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)處理模塊會(huì)將重傳數(shù)據(jù)與之前歷史存儲(chǔ)的負(fù)荷錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行比對和復(fù)寫，從而確保了站控層監(jiān)控系統(tǒng)所存儲(chǔ)負(fù)荷錄波數(shù)據(jù)的完整性。

另一方面，為了實(shí)現(xiàn)支持可復(fù)寫功能的歷史存儲(chǔ)模式，負(fù)荷錄波數(shù)據(jù)的存檔文件結(jié)構(gòu)必須具備足夠的擦寫靈活性和讀寫效率，同時(shí)還要有利于檢索和查詢分析。本方案設(shè)計(jì)并采用了一種自描述、可動(dòng)態(tài)增長的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件結(jié)構(gòu)，如圖4所示，存檔文件為可變長度的二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件，整個(gè)文件由 1個(gè)RMS_HEAD描述結(jié)構(gòu)和N個(gè)MEA_UNIT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成(N為大于0的整數(shù)數(shù)量)。采用這種文件結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)負(fù)荷錄波數(shù)據(jù)存檔文件具有自描述、可動(dòng)態(tài)增長等特性。同時(shí)，對負(fù)荷錄波數(shù)據(jù)存檔文件按裝置和生成小時(shí)時(shí)段統(tǒng)一命名劃分，文件名稱采取“裝置名稱～年月日_小時(shí).rms”的格式命名如“RTU終端電壓模件～20120506_11.rms”，這樣既防止單個(gè)數(shù)據(jù)存檔文件過大，又有利于組織和檢索。

圖4 數(shù)據(jù)存檔文件內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4 實(shí)時(shí)顯示和離線分析

本方案中，站控層監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)畫面顯示模塊啟動(dòng)時(shí)會(huì)從負(fù)荷錄波歷史存檔文件組中查找、加載所需的初始數(shù)據(jù)，之后直接接收由實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)處理模塊轉(zhuǎn)送的最新負(fù)荷數(shù)據(jù)。新的實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)到來會(huì)觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)畫面曲線顯示部分進(jìn)行重繪和刷新，從而實(shí)現(xiàn)牽引供電網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)負(fù)荷監(jiān)測在監(jiān)控系統(tǒng)顯示界面上的統(tǒng)一顯示。

負(fù)荷錄波數(shù)據(jù)離線分析作為一個(gè)單獨(dú)的功能軟件模塊，本身并不影響實(shí)時(shí)負(fù)荷錄波功能的在線運(yùn)行。它主要用來為用戶提供對負(fù)荷錄波歷史數(shù)據(jù)的檢索、分析、顯示和打印，如支持對各裝置、各通道、各時(shí)段負(fù)荷錄波數(shù)據(jù)的按時(shí)間軸滾動(dòng)、無級(jí)縮放顯示以及數(shù)據(jù)點(diǎn)的分通道或重疊比對等功能，從而豐富用戶對負(fù)荷錄波數(shù)據(jù)的分析手段。

5 結(jié)論

本文所提出的基于IEC 103規(guī)約擴(kuò)展的牽引供電實(shí)時(shí)負(fù)荷錄波設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案，通過與既有牽引變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)相結(jié)合，充分兼容現(xiàn)有通信協(xié)議及其數(shù)據(jù)模型，只需較小的改造成本，即可滿足高精度、全時(shí)段的實(shí)時(shí)負(fù)荷錄波要求。該設(shè)計(jì)方案已在國內(nèi)多個(gè)牽引與軌道交通供電綜合自動(dòng)化系統(tǒng)項(xiàng)目中投入應(yīng)用，獲得了很好的運(yùn)行效果和用戶評價(jià)，證明該方案是可行和高效的。

[1] 郭志. 地鐵直流牽引系統(tǒng)負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2008, 21(7): 29-30.

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[5] DL/T 667—1999. 遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備及系統(tǒng)第 5部分傳輸規(guī)約第103篇繼電保護(hù)設(shè)備信息接口配套標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6] 劉毅, 周雒維, 馮浩. 電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)錄波數(shù)據(jù)壓縮方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2010, 34(4): 199-203.