付國新，戴超金

（國電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 210003）

0 引言

自2008年數(shù)字化變電站試點(diǎn)到目前智能變電站逐步大面積推廣的整個(gè)過程中，故障錄波裝置和網(wǎng)絡(luò)分析裝置[1]都作為獨(dú)立的2個(gè)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)、組屏，這2種裝置都要對全站報(bào)文進(jìn)行采集，需要分配較多的交換機(jī)端口[2]。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障或報(bào)文異常引起繼電保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)，很難將網(wǎng)絡(luò)報(bào)文數(shù)據(jù)和故障錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)、綜合分析，智能變電站網(wǎng)絡(luò)分析與故障錄波系統(tǒng)將這2個(gè)裝置的功能進(jìn)行整合設(shè)計(jì)[3]，很好地滿足了Q／GDW383—2009《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》和Q／GDW 441—2010《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》提出的“故障錄波裝置采用網(wǎng)絡(luò)方式接受SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文時(shí)，故障錄波功能和網(wǎng)絡(luò)記錄分析功能可采用一體化設(shè)計(jì)”[4]的要求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)分析和故障錄波一體化設(shè)計(jì)有3個(gè)關(guān)鍵問題需要克服：

a.大容量數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，通常1個(gè)變電站有幾十個(gè)合并單元（MU），1個(gè)MU的每個(gè)采樣點(diǎn)平均采樣字節(jié)數(shù)為255 Byte，按4 kHz的采樣頻率，1個(gè)MU每秒有近1 MByte的數(shù)據(jù)量，這就要求系統(tǒng)具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)吞吐和處理能力，數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)可靠，能通過高速通道把數(shù)據(jù)共享給故障錄波和網(wǎng)絡(luò)報(bào)文監(jiān)測記錄[5]；

b.故障錄波與報(bào)文記錄硬件上能獨(dú)立，2個(gè)模塊互不影響，1個(gè)出現(xiàn)故障時(shí)另外1個(gè)能正常運(yùn)行；

c.故障錄波數(shù)據(jù)和報(bào)文記錄數(shù)據(jù)能關(guān)聯(lián)分析，2種數(shù)據(jù)能相互印證[6]。

智能變電站網(wǎng)絡(luò)分析與故障錄波系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由5個(gè)模塊組成：IEC61850報(bào)文采集、解析模塊，配以6個(gè)10 Mbit·s-1／100 Mbit·s-1／1 000 Mbit·s-1三速以太網(wǎng)接口，工作于混雜模式，可監(jiān)聽、接收網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，對報(bào)文進(jìn)行相應(yīng)處理；故障錄波模塊負(fù)責(zé)錄波啟動(dòng)、波形記錄，完成故障錄波裝置的功能[7]；報(bào)文記錄、監(jiān)測模塊負(fù)責(zé)報(bào)文在線實(shí)時(shí)監(jiān)測和無損記錄，完成網(wǎng)絡(luò)報(bào)文監(jiān)測記錄裝置的功能[8]；高精度時(shí)鐘模塊為系統(tǒng)各個(gè)模塊提供精準(zhǔn)絕對時(shí)標(biāo)，該模塊已經(jīng)獲得專利（專利號為CN200920235205.2）；分析站負(fù)責(zé)裝置建模、各個(gè)模塊的配置與管理和故障、報(bào)文分析及對外通信。報(bào)文采集處理、故障啟動(dòng)錄波、報(bào)文監(jiān)測記錄均采用獨(dú)立CPU進(jìn)行處理，保證了網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄監(jiān)測和故障錄波在硬件系統(tǒng)上的獨(dú)立性；報(bào)文采集和錄波數(shù)據(jù)的同步處理采用同一網(wǎng)口的數(shù)據(jù)源，使用同一時(shí)標(biāo)，在關(guān)聯(lián)分析中可以通過同一時(shí)刻點(diǎn)將錄波數(shù)據(jù)與報(bào)文數(shù)據(jù)對齊分析[9]。報(bào)文采集處理模塊和報(bào)文記錄模塊間采用PCI-E高速總線，能夠提供5 GByte／s的帶寬。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)

2.1 報(bào)文采集、解析模塊

報(bào)文采集、解析模塊是一體化設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分。模塊示意圖見圖2，其采用Altera CycloneⅣFPGA進(jìn)行處理，運(yùn)用成熟的Triple-Speed Ethernet MegaCore IP 核，可內(nèi)嵌 8 個(gè) 10Mbit·s-1／100Mbit·s-1／1 000 Mbit·s-1介質(zhì)訪問控制層（MAC）控制器，所有MAC控制器獨(dú)立并行工作，通過以太網(wǎng)嗅探技術(shù)[10]捕獲網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，再通過FPGA內(nèi)部直接內(nèi)存存取 DMA（Direct Memory Access）通道，及時(shí)把數(shù)據(jù)傳給報(bào)文組裝模塊和報(bào)文解析模塊。時(shí)鐘接收模塊通過高速串行總線接收時(shí)標(biāo)；報(bào)文組裝模塊負(fù)責(zé)收到報(bào)文后立即從時(shí)標(biāo)緩存區(qū)中讀取當(dāng)前時(shí)標(biāo)，給報(bào)文打上時(shí)間印章，這個(gè)時(shí)標(biāo)和GPS同步，精確到20 ns，結(jié)合時(shí)標(biāo)和SV報(bào)文中的采樣計(jì)數(shù)器，可精確測出數(shù)據(jù)從采集到傳輸?shù)难訒r(shí)。為了降低IEC61850報(bào)文檢測、記錄模塊的中斷響應(yīng)頻率，報(bào)文組裝模塊將小包組成大包再通過PCI-E傳給報(bào)文檢測、記錄模塊。報(bào)文解析模塊按照采樣計(jì)數(shù)器同步或者插值同步方式將所有MU數(shù)據(jù)進(jìn)行同步[11]，再根據(jù)錄波通道配置，從SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文中提取出錄波模擬量和開關(guān)量，經(jīng)提取后的數(shù)據(jù)量相對于原始報(bào)文數(shù)據(jù)量小了很多，最后通過千兆以太網(wǎng)傳給故障錄波模塊。報(bào)文組裝模塊和報(bào)文解析模塊運(yùn)用Verilong HDL模塊化硬件描述語言編程[12]，真正實(shí)現(xiàn)軟件功能硬件化，2個(gè)模塊并行運(yùn)行，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。在FPGA中嵌入NIOS處理器主要是為了解析XML文件，配置整個(gè)模塊。

圖2 報(bào)文采集、解析模塊Fig.2 Message collection and analysis module

2.2 報(bào)文監(jiān)測、記錄模塊

報(bào)文監(jiān)測、記錄模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)、連續(xù)、無損記錄各通信實(shí)體（監(jiān)控、保護(hù)／測控裝置、智能終端等）間交互的信息以及交互過程，包括鏈路層及以上的全部通信協(xié)議，對整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)、各個(gè)通信連接、特定通信報(bào)文，特定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、特定交換機(jī)及端口等各個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次的網(wǎng)絡(luò)流量和報(bào)文信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。該模塊除完成記錄外，還具備變電站網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測和狀態(tài)評估功能，依據(jù)IEC61850監(jiān)測各種報(bào)文是否出現(xiàn)異常，對SV報(bào)文錯(cuò)誤／丟包／錯(cuò)序／重復(fù)、模型符合性判斷、SV失步程度判斷、GOOSE報(bào)文符合性判斷、GOOSE中斷判斷均進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警。該模塊配置4個(gè)500 GByte SATA接口的硬盤，滿足海量數(shù)據(jù)長時(shí)間存儲(chǔ)的需求。

2.3 故障錄波模塊

實(shí)現(xiàn)智能變電站故障錄波的全部功能[13]，負(fù)責(zé)錄波啟動(dòng)（包括模擬啟動(dòng)和開關(guān)量啟動(dòng)）和波形記錄。錄波啟動(dòng)按 DL／T663—1999《220～500 kV 電力系統(tǒng)故障動(dòng)態(tài)記錄裝置檢驗(yàn)測試要求》中的要求提供各項(xiàng)啟動(dòng)：任何一路交流通道突變啟動(dòng)，且能在1 ms內(nèi)判斷出突變啟動(dòng)；任何一路交流電流過量啟動(dòng)；任何一條線路負(fù)序過流啟動(dòng)及電流變差振蕩判別啟動(dòng)；任何一組電壓高頻、低頻啟動(dòng)，正序過壓、欠壓啟動(dòng)；波形記錄按照 DL／T553—94《220～500 kV 電力系統(tǒng)故障動(dòng)態(tài)記錄技術(shù)準(zhǔn)則》和 DL／T663—1999《220～500 kV電力系統(tǒng)故障動(dòng)態(tài)記錄裝置檢驗(yàn)測試要求》中的采樣及記錄方式要求形成故障波形文件[14]。

2.4 高精度時(shí)鐘模塊

負(fù)責(zé)維護(hù)20 ns分辨率的高精度時(shí)鐘系統(tǒng)，提供脈沖對時(shí)、B碼對時(shí)、1588對時(shí)3種對時(shí)方式和GPS進(jìn)行同步，該模塊通過高速串行總線，可以同時(shí)給多個(gè)CPU提供時(shí)標(biāo)。

2.5 分析站模塊

分析站主要負(fù)責(zé)分析變電站網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)和電力系統(tǒng)故障，提供各種可視化分析工具，輔助維護(hù)人員排查網(wǎng)絡(luò)故障和電力系統(tǒng)故障，包含在線監(jiān)測、離線分析、建模和配置、對外通信四大模塊。

a.在線監(jiān)測模塊實(shí)時(shí)顯示各種監(jiān)測信息，包括GOOSE報(bào)文監(jiān)測、SV報(bào)文監(jiān)測、故障錄波在線監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測。GOOSE報(bào)文監(jiān)測按照GOOSE正常發(fā)布周期（見表1）和GOOSE發(fā)布錯(cuò)誤原則（見表2）進(jìn)行監(jiān)測，包括GOOSE報(bào)文發(fā)布異常檢查；SV報(bào)文監(jiān)測包括MU間同步偏差監(jiān)測及失步告警、監(jiān)測報(bào)文丟點(diǎn)／錯(cuò)序／倒序／重復(fù)、SV報(bào)文格式錯(cuò)誤和模型符合性判斷；故障錄波在線監(jiān)視包括波形慢掃描、開關(guān)量狀態(tài)監(jiān)視、模擬量向量監(jiān)視；網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測包括流量突增、突減和出現(xiàn)異常報(bào)文。

表1 GOOSE報(bào)文正常發(fā)布周期Tab.1 Normal release period of GOOSE message

表2 GOOSE報(bào)文發(fā)布錯(cuò)誤Tab.2 Release fault of GOOSE message

b.離線分析模塊如圖3所示。對SV、GOOSE、MMS報(bào)文進(jìn)行詳細(xì)分析，電力系統(tǒng)故障測距及故障分析，并將故障波形和網(wǎng)絡(luò)報(bào)文進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)關(guān)聯(lián)，從故障波形里任意時(shí)刻的采樣點(diǎn)迅速定位到該時(shí)刻的SV報(bào)文，從任意時(shí)刻的SV報(bào)文能迅速找到對應(yīng)的故障波形里的采樣點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)圖形化分析，該功能在網(wǎng)絡(luò)記錄分析和故障錄波獨(dú)立設(shè)計(jì)下很難實(shí)現(xiàn)[15]。

圖3 離線分析模塊Fig.3 Offline analysis module

c.裝置建模和配置模塊配置管理各個(gè)模塊，修改測距參數(shù)和啟動(dòng)定值等。

d.對外通信模塊負(fù)責(zé)與站控層設(shè)備通信，主要提供以下服務(wù)：IEC61850文件服務(wù)，傳輸故障錄波文件、報(bào)文記錄文件、故障錄波簡報(bào)和報(bào)文分析簡報(bào)；IEC61850定值組控制塊服務(wù)，實(shí)現(xiàn)定值查看、修改、投退；IEC61850報(bào)告服務(wù)，傳輸故障裝置故障信號和故障錄波啟動(dòng)信號；IEC61850控制服務(wù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方啟動(dòng)錄波和復(fù)歸錄波告警信號。

2.6 硬件平臺(tái)及軟件平臺(tái)構(gòu)成

系統(tǒng)采用嵌入式、32位雙核處理器MPC8379，其e300c4內(nèi)核CPU主頻工作在800 MHz，自帶有4個(gè)串行高級技術(shù)附件（SATA）控制器，支持3 Gbit／s（第 1代 SATA）和 6 bit／s（第 2代 SATA 和 eSATA），自帶2個(gè)千兆以太網(wǎng)接口，具有很強(qiáng)的通信處理能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。軟件平臺(tái)采用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)vxWorks。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

在500 kV桂林智能變電站的聯(lián)調(diào)及試運(yùn)行中，網(wǎng)絡(luò)分析與故障錄波一體化裝置按圖4接入，過程層采用SV組網(wǎng)和GOOSE共網(wǎng)模式，以1個(gè)間隔為例，分別采用網(wǎng)絡(luò)記錄分析與故障錄波分析獨(dú)立設(shè)計(jì)（方案a）和一體化（方案b）設(shè)計(jì)，2種方案對比如表3所示。

圖4 500 kV桂林變一體化裝置接入圖Fig.4 Connection diagram of integrated device in 500 kV Guilin station

表3 獨(dú)立設(shè)計(jì)和一體化設(shè)計(jì)對比Tab.3 Comparison between independent design and integrated design

通過比較可以看出，將網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析功能與故障錄波功能進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)顯示出巨大的優(yōu)勢，在聯(lián)調(diào)和試運(yùn)行中，通過網(wǎng)絡(luò)分析與故障錄波系統(tǒng)進(jìn)行了如下試驗(yàn)。

a.SV報(bào)文傳輸延時(shí)及SV離散度測試。裝置在接收每幀SV報(bào)文時(shí)打上與GPS同步的高分辨率絕對時(shí)間Tc，在采樣計(jì)數(shù)器為零時(shí)，絕對時(shí)標(biāo)應(yīng)為整秒To，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)；另外分析每幀的絕對時(shí)間，就可分析出SV報(bào)文傳輸?shù)木鶆虺潭?，即離散度。

b.SV丟點(diǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)中某個(gè)MU丟失5個(gè)采樣點(diǎn)，此時(shí)錄波啟動(dòng)進(jìn)行波形記錄，而一次系統(tǒng)的電壓連續(xù)，沒有出現(xiàn)間斷，將錄波啟動(dòng)時(shí)刻的SV報(bào)文和錄波波形關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)SV丟失5個(gè)采樣點(diǎn)，導(dǎo)致錄波在同步數(shù)據(jù)時(shí)找不到這幾個(gè)點(diǎn)，并非一次系統(tǒng)電壓間斷導(dǎo)致的錄波啟動(dòng)，這樣很方便地分析出是一次系統(tǒng)故障還是網(wǎng)絡(luò)報(bào)文異常[16]。

c.故障錄波波形和網(wǎng)絡(luò)報(bào)文關(guān)聯(lián)分析。

4 結(jié)語

智能變電站網(wǎng)絡(luò)分析與故障錄波一體化系統(tǒng)集傳統(tǒng)故障錄波與新興網(wǎng)絡(luò)分析2種技術(shù)于一體，優(yōu)化了二次設(shè)備，適應(yīng)了未來智能變電站發(fā)展趨勢。該系統(tǒng)2011年上半年在500 kV桂林變、110 kV淮安變、110 kV白午變?nèi)〉昧肆己玫倪\(yùn)行效果。