曹潤彬，董新洲，王 賓，施慎行，BAK Dominik，何世恩，孫辰軍

（1.清華大學 電力系統(tǒng)及發(fā)電設備安全控制和仿真國家重點實驗室，北京 100084；2.甘肅省電力公司風電中心，甘肅 蘭州 730050；3.河北省電力公司，河北 石家莊 050021）

0 引言

近年來，線路切除引發(fā)的潮流轉移和后備保護的不合理跳閘成為了多起大停電事故的導火索[1-3]。在結構日益復雜、運行方式愈加靈活的電網中，傳統(tǒng)保護選擇性和靈敏性、保護元件和保護系統(tǒng)之間的矛盾以及與安全穩(wěn)定控制裝置配合不當的問題越發(fā)突出。為此，文獻[4-5]在現有保護的基礎上增加了新的判據，文獻[6-7]分別研究了基于潮流轉移識別和故障電壓分布的廣域后備保護算法，此方案對通信可靠性和實時性要求較高，實現較為困難。文獻[8]提出了基于變電站站域信息集成的系統(tǒng)保護，將消除過負荷而不是簡單切除過負荷電氣設備為目標，革新了現有保護的準則和理念，切實可行，是繼電保護和安全穩(wěn)定控制技術發(fā)展的必然結果和趨勢。

電子式互感器、合并單元MU（Merging Unit）和網絡通信技術的發(fā)展，給電力系統(tǒng)帶來了數字化的變革。一個變電站內的各種數據完全可以通過網絡方式和統(tǒng)一的IEC61850標準得到共享。充分利用這些信息，可以構成智能變電站集成保護控制系統(tǒng)[9]，使得1969年由美國學者Rockfeller提出的計算機保護變成現實。研發(fā)基于站域信息的集成保護控制系統(tǒng)勢在必行。

文獻[10-12]研究了基于IEC61850標準的集中式保護，將變電站中分散的保護功能模塊集中在一臺智能電子設備（IED）中完成，實現了硬件和功能的整合，然而對冗余信息的挖掘利用不足?；诙嘀悄荏w技術，文獻[13]提出了一種多保護算法的集成保護方案，文獻[14]提出了集合保護的概念，上述方案引進了有限廣域信息，存在通信和計算的問題。文獻[15]提出了數字化集成保護控制DIPC（Digital Integrated Protection and Control）系統(tǒng)的構想，旨在實現整個變電站保護和控制系統(tǒng)的集成，達到智能變電站二次系統(tǒng)的硬件集成、功能集成和信息集成。

本文在文獻[15]的基礎上，研制開發(fā)了多功能保護控制器、合并單元和智能終端全套DIPC系統(tǒng)，給出了其硬件方案及主要軟件設計流程，同時給出了該系統(tǒng)的測試結果。

1 DIPC系統(tǒng)結構

DIPC系統(tǒng)是基于IEC61850標準的二次保護控制系統(tǒng)，由設備層智能終端IT（Intelligent Terminal）、合并單元和系統(tǒng)層多功能保護控制器MPCU（Multifunctional Protection and Control Unit）三大核心部件及光纖以太網、交換機等網絡設備組成，配置方案如圖1所示。

圖1 智能變電站DIPC系統(tǒng)結構框圖Fig.1 Structure of DIPC system for smart substation

智能變電站組網方式靈活，圖1所示為采樣值（SV）報文和GOOSE報文共享雙網且網采網跳的情況，多功能保護控制器A、B及交換機A、B均為雙配置。在DIPC系統(tǒng)中，電流/電壓互感器（TA/TV）數據經合并單元采集，通過以太網發(fā)送SV報文給多功能保護控制器，實現變電站信息共享與集成；多功能保護控制器收集多個合并單元傳送的SV報文，利用站域信息提高保護性能、優(yōu)化控制功能，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行；當需要開合本站設備時，通過以太網下發(fā)GOOSE報文給智能終端，對一次開關設備進行操作。

2 多功能保護控制器的實現方案

多功能保護控制器負責整個系統(tǒng)的數據運算和邏輯判斷，是DIPC的核心元件，也是研究的重點和難點[16]。多功能保護控制器研制有2個難點：一是通信瓶頸，即大量數據的同步采集問題；二是處理瓶頸，即大量數據的快速處理問題。針對這2個問題，本文在硬件平臺、軟件構架、代碼執(zhí)行效率等方面進行了相應設計。

2.1 硬件構成

多功能保護控制器采用T型插件式結構，主要由功能板、監(jiān)控板構成，另外還有電源板、母板、前面板等。功能板接收SV報文和GOOSE報文并進行解析，完成保護、測量和控制功能所要求的計算，將計算結果以GOOSE報文的形式下發(fā)給特定的智能終端進行操作。監(jiān)控板和各功能板之間采用高速的CAN總線通信。

功能板既需要進行高強度的通信，又要承擔大量的計算任務，對速度和可靠性都有較高要求，采用嵌入式微處理器（ARM）AT91SAM9263和數字信號處理器（DSP）TMS320C6713雙CPU構架模式。其中，ARM專門負責SV報文和GOOSE報文的收發(fā)、解析以及以太網通信的控制，其外圍包括了存儲系統(tǒng)、以太網通信系統(tǒng)、CAN通信系統(tǒng)等；DSP專門負責保護計算和邏輯判斷，其外圍主要是存儲系統(tǒng)。雙CPU間通過一個高速雙口靜態(tài)隨機存取存儲器（RAM）和4根中斷信號線交換數據。2個CPU的協同工作極大提高了功能板的處理能力，對解決集成保護平臺的數據處理瓶頸提供了幫助。硬件設計如圖2所示。

圖2 MPCU功能板硬件框圖Fig.2 Block diagram of functional board of MPCU

監(jiān)控插件在多功能保護控制器中負責對整個裝置進行監(jiān)控和管理，同時提供人機交互的界面，采用ARM單CPU配置，并包含存儲系統(tǒng)、通信模塊、液晶顯示、電源、復位電路、調試接口等外設接口。

2.2 軟件構成

功能板DSP負責核心的保護控制程序，主程序流程圖見圖3，各保護對象的處理程序相同，圖中進行了簡化。

圖3 MPCU保護控制主程序流程圖Fig.3 Flowchart of main protection and control program of MPCU

對保護對象（線路）依次進行處理。如果該保護對象開放，則先對其進行起動判斷和相量計算。如果二級起動則進入保護模塊的處理區(qū)，否則直接進入下一個保護對象的處理。在保護模塊的處理區(qū)，根據該對象的壓板投入情況判斷是否開啟該保護模塊的判斷處理。

傳統(tǒng)全周波或半周波傅里葉算法及在此基礎上的起動判斷，不能滿足多功能保護控制器對多個保護對象的冗余信息進行快速可靠處理的要求。為解決此問題，設計了兩級相量計算和兩級起動方法。

本文相量計算采用級數形式的滑動離散傅里葉變換（DFT）優(yōu)化算法[16]，其計算形式如下：

其中，N為每周期采樣點數；xk為第k點SV；Xp為第p點相量；為第p點采樣值累積級數和。將相量分為兩級求解，一級相量求累積級數和，即：

每增加1個采樣點，進行一級相量計算，包括2次乘法和加法，較式（1）大幅減小了計算量。

二級相量計算求DFT有效值，利用時間上相差1個周期的2個累積級數和的差得到這1個周期采樣點的級數和（需考慮越限問題），再計算該相量的實部、虛部以及幅值等。電壓/電流相量的實部和虛部分別為：

其中，p＞N。

對電流SV相間突變量進行一級起動判斷，如果判定為一級起動，則進行二級相量計算，并在此基礎上對相電流工頻變化量、負序過流和零序電流進行二級起動判斷。

正常情況下，只需執(zhí)行一級相量計算和一級起動判據；發(fā)生故障或擾動時，才進行二級相量計算和二級起動判據。這樣，不僅減少了計算量，靈活運用CPU資源，保證了保護的快速性，而且可以避免在非故障情況下保護誤動，提高保護的可靠性[17]。

2.3 功能板ARM程序

功能板ARM是核心通信模塊，既負責板卡內部ARM與DSP通信，又負責板卡間CAN通信以及裝置外部以太網通信。程序設有以太網接收中斷、CAN接收中斷、定時器中斷和外部中斷4類中斷。

3 智能終端的實現方案

智能終端采用電纜與一次設備連接，采用光纖與測控、保護等二次設備連接，采集并以GOOSE方式上傳一次設備的狀態(tài)信息，同時接收來自二次設備的下行控制命令，實現對一次設備的實時控制。智能終端研發(fā)重點在于對一次開關設備及時可靠的控制[17]。

3.1 硬件構成

智能終端裝置主要由主控板、開出板、聯鎖板、開入板、操作箱板和模擬輸入板等部分組成。其中，開入板采集開關設備狀態(tài)信號，模擬輸入板采集開關設備傳感信號，并送至主控板處理。為滿足功能要求，主控板采用ARM和現場可編程門陣列（FPGA）雙CPU構架模式，主要由核心控制模塊、通信模塊、同步時間模塊和事件記錄模塊組成，帶8個以太網光纖通信接口和1個以太網電纜通信接口，如圖4所示。

開出板通過控制繼電器觸點分合來實現對開關設備一次回路的通斷、告警和閉鎖。其中，發(fā)送給變電站系統(tǒng)層或設備層IED裝置的閉鎖、告警信號通過開出板1實現；對隔離開關以及接地刀閘的操作通過聯鎖板的聯鎖繼電器串聯控制；針對斷路器的開出信號需要再經過操作回路板實現跳位監(jiān)視、合閘保持、重合閘、防跳、手合、手跳、保護跳閘、跳閘保持、合位監(jiān)視等功能。三者的關系見圖5。

3.2 軟件構成

智能終端的軟件主要包括配置記錄、開關量采集、開關控制、通信、模擬量采集、同步對時6個部分，在主控板FPGA和ARM中實現。

圖4 智能終端主控板硬件框圖Fig.4 Block diagram of main board of intelligent terminal

其中，FPGA主要完成對開入、開出、聯鎖板模擬開關的操作，片選以太網控制器和同步對時。ARM程序由一個主程序和以太網接收中斷、定時器中斷、串口接收中斷3類中斷構成。初始化、CRC校驗、SOE記錄在主程序中實現；通過以太網接收中斷實現后臺配置和GOOSE報文接收，接收到跳閘報文后調用FPGA中的開出控制模塊實現開關操作；定時器中斷實現開入量采集，并調用同步對時和以太網發(fā)送模塊；模擬輸入板定時向主控板經串口發(fā)送模擬采樣數據，并調用模擬量采集模塊進行濾波以及向系統(tǒng)層發(fā)送數據。

圖5 智能終端開出板、聯鎖板及操作回路板連接示意圖Fig.5 Connection of intelligent terminal’s output board，interlock board and operation circuit board

4 合并單元的實現方案

合并單元采集一次側信號，經過一定的預處理后，按 IEC61850-9 協議或 IEC60044-7/8（FT3）協議接口輸出。對于SV組網傳輸的方式，合并單元需提供相應的以太網口，對于SV點對點傳輸的方式，合并單元應分別對保護、測控、錄波、計量等不同的二次設備提供足夠的輸出接口[18]。在老站改造或新建變電站中，存在電磁式互感器和電子式互感器混合使用或單獨使用的情況，需考慮對傳統(tǒng)互感器的兼容。靈活多變的通信配置，數據同步采樣、實時可靠傳輸的高要求和大量通信數據流，都是合并單元設計中面臨的挑戰(zhàn)。

4.1 硬件構成

針對上述問題，兼顧模擬采樣和數字輸入、SV和FT3報文輸出、開關狀態(tài)GOOSE采集和電纜接入、母線和線路間隔，合并單元設計的總體架構如圖6所示。

針對電磁式互感器，本文在設計中加入TA/TV模塊；針對電子式互感器，設計FT3報文接收模塊。另外，如果間隔二次設備需要母線電壓，安裝于間隔的合并單元還應接入母線合并單元的母線電壓信號，多采用FT3報文格式傳輸；同理，如果合并單元安裝于母線處，則需要考慮FT3報文輸出。針對2種報文的輸出情況，本方案設計了最多6路光纖以太網收/發(fā)接口和8路光串口。其中，核心板上布置3路光串口、2路光纖以太網接口，增加2塊帶4路光纖以太網接口的通信擴展板1和帶5路光串口接口的通信擴展板2，可根據需求靈活配置。

圖6 合并單元總體硬件構架圖Fig.6 Overall hardware framework of MU

合并單元可通過開入開出板直采開關位置接點，也可接收GOOSE報文獲取開關信息。TA/TV板需滿足測量電流精度不低于0.2S級、測量用電壓精度不低于0.2級、保護用電流精度不低于5P級、保護用電壓精度不低于3P級的要求。核心板采用了ARM+FPGA雙CPU配置?？紤]到采樣同步和實時傳輸的要求，A/D采樣、同步對時和FT3報文接收、解析、發(fā)送等功能均在FPGA中完成，給ARM預留足夠資源完成數據處理、以太網通信、人機接口等功能。GPS秒脈沖和IRIG-B碼作為同步時鐘源以TTL電平或光纖接入。考慮到同步對時的可靠性，可采用雙GPS主從模式。

4.2 軟件構成

根據合并單元的功能要求，其軟件主要由數據接收、同步對時、開入開出、數據輸出和數據處理五大模塊構成，由ARM和FPGA協作完成。

數據接收模塊在FPGA中實現，可分為數字數據和模擬數據2類。接收的數字量是來自母線合并單元的母線電壓信號，以FT3報文格式傳輸，標準傳輸速度為2.5 Mbit/s，采用曼切斯特編碼，處理程序包括解碼和CRC校驗。接收的模擬量首先經過有源二階低通濾波器，再由FPGA驅動A/D采樣模塊進行采樣并采集數據。FPGA程序用3個進程實現同步采樣，其中前2個進程根據時間同步信號產生一個啟動采樣的方波信號，采樣率可調，第3個進程則為A/D采樣模塊和采集數據的進程。

同步對時程序在FPGA中完成，主要包括2個部分：對IRIG-B碼解碼提取時間信息，為避免解碼時差，將解碼時間加1 s在下一個秒脈沖來到時寫入作為當前時刻（精確到s）；對秒脈沖在上升沿來到時，進行觸發(fā)重新分頻和計數器清零，分頻信號供A/D采樣模塊進行同步采樣，計數器提供當前時刻的μs級計數。需檢查秒脈沖判斷是否合理。若秒脈沖丟失，可根據IRIG-B碼碼元進行時延補償式對時。

開入/開出模塊主要實現3個功能：接收開關設備的狀態(tài)信息；對安裝于線路間隔的合并單元，實現母線電壓切換，對母線合并單元實現電壓并列；對開關異常情況發(fā)出告警信號。電壓并列和電壓切換與變電站一次接線相關，具體邏輯在此不詳述。

數據處理模塊主要有數字濾波、重采樣和組幀3個功能，其中，數字濾波針對內設TA/TV板的情況。IEC60044-8中對數據有線性相位的要求，并且要求數據精度高、噪聲小，測控部分要求可以處理13次及以下諧波，故選擇15階FIR濾波器，截止頻率為650 Hz。

根據IEC61850-9-2le可知：對于保護數據，每周波采樣80個點，發(fā)送80個SV報文；對于測量數據，每周期采樣256個點，每周期向二次單元發(fā)送32個SV報文。由于IEC60044-8協議傳輸速率有限，不能傳輸采樣率高于4000點/s的SV數據，因此對FT3報文輸入、SV報文輸出的測量數據，需要在ARM中完成重采樣。對于其他數據，由于FPGA采樣率可調和FT3報文速率限制，無需重采樣。

根據變電站要求，合并單元可提供FT3報文和SV報文2種數據輸出，其中FT3報文由FPGA直接發(fā)送，SV報文由ARM發(fā)送。當多臺合并單元共同工作時，需考慮時序配合，詳見5.2節(jié)。

5 實驗測試

在DIPC系統(tǒng)平臺上，已編寫三段式距離保護、三段式過電流保護、重合閘等算法，下面對保護功能、集成通信和計算能力進行測試。

5.1 保護功能測試

5.1.1 距離保護算法

為對DIPC系統(tǒng)的距離保護算法進行驗證，搭建測試平臺，該平臺由2臺繼電保護測試儀、4臺合并單元、1臺GPS同步對時裝置、1臺網絡交換機和多功能保護控制器構成。

將保護動作出口信號接入繼電保護測試儀的開入端子，并以“單相故障跳單相，多相故障跳三相”的方式向繼電保護測試儀發(fā)出動作信號。通過繼電保護測試儀的實驗波形、出口時間等信息，驗證保護算法的正確性，并根據監(jiān)控界面顯示的故障報文檢驗故障測距和選相等功能。對不同故障類型和故障距離進行測試，統(tǒng)計結果表明基于DIPC系統(tǒng)的距離保護算法可以正確起動并正確選相，滿足相關行業(yè)標準。典型測試結果見圖7，圖中，保護I段范圍內A相接地，故障繼電器在21.1 ms動作出口。

圖7 距離保護功能測試結果Fig.7 Test results of distance protection

5.1.2 過流保護算法與重合閘

利用RTDS能實現DIPC系統(tǒng)閉環(huán)實驗，驗證過流保護及重合閘算法，測試平臺如圖8所示。

圖8 RTDS閉環(huán)仿真測試平臺Fig.8 Test platform of RTDS close-loop simulation

利用RSCAD建立35 kV模型，仿真故障發(fā)生在下一段線路出口處，過流Ⅲ段應起動。圖9為永久故障下的保護及重合閘情況，圖中，由上至下分別為線路電流、電壓及保護出口合閘信息。由圖9可見，當重合于永久性故障時，保護Ⅲ段加速跳閘，延時約20 ms保護出口。實驗結果表明，在故障情況下，DIPC系統(tǒng)能做出快速可靠的反應。

圖9 永久故障下保護和重合閘動作情況Fig.9 Behavior of protection under permanent fault

5.2 集成通信與計算能力測試

針對集成保護算法的集成通信和運算能力，對4間隔ARM通信處理時間和4條線路同時故障狀態(tài)下DSP相關程序運行時間進行測試。由圖10可知，在增加合并單元發(fā)包延時的基礎上，ARM可以處理4間隔SV報文，耗時160 μs。圖11中，上面的波形為功能模塊DSP進行一級啟動判斷和一級相量計算的時間信號，時長約25 μs；下面的波形為DSP進行二級相量計算的時間信號，當4條線路同時故障時，DSP主程序的運行周期約為20 ms，可以滿足保護跳閘的要求。

圖10 4間隔ARM通信處理時間Fig.10 Processing time of ARM communication for four bays

圖11 4個保護對象故障狀態(tài)下DSP處理時間Fig.11 Calculation time of DSP for four faulty elements

本實驗驗證了DIPC系統(tǒng)在極端條件下的集成計算能力。在實際運行情況中，4個保護對象同時發(fā)生故障的概率極小。在只發(fā)生1條線路故障的情況下，由于DSP對其他無故障保護對象的處理運算相對很小，保護程序的總體運行時間增加比例不大。保護裝置對故障的響應速度較之傳統(tǒng)的單一對象保護裝置增加不明顯。

6 結論

本文針對智能變電站的特點，并考慮對傳統(tǒng)一次設備的兼容，設計研制了DIPC系統(tǒng)。該系統(tǒng)由多功能保護控制器、智能終端和合并單元三大核心部件構成，具有如下性能。

a.多功能保護控制器能及時接收并處理4間隔SV報文，可集成距離保護、過流保護、重合閘等基本算法，能在故障后20 ms左右發(fā)出GOOSE跳閘報文，滿足繼電保護要求。

b.智能終端可以采集80路開關量信息和10路模擬量信息，具備完善的斷路器控制功能和GOOSE上/下傳通信功能，信息處理延時不超過5 ms。

c.合并單元具備和電子式互感器、傳統(tǒng)互感器的接口，采樣精度滿足規(guī)程要求，通信穩(wěn)定可靠，可滿足不同應用場合的需求。

d.系統(tǒng)支持直采直跳、直采網跳等形式，軟件模塊可靈活配置，適用于220 kV及以上智能變電站集成后備保護和110 kV及以下配網站域保護控制。

本文提出的DIPC系統(tǒng)具備節(jié)省資源、減少運行和維護工作量等優(yōu)勢，其構成模式對智能變電站站域保護控制的實現具有重要指導意義。后續(xù)工作將基于此平臺進一步研究信息集成和功能集成的軟件算法，充分挖掘基于變電站信息共享的故障二次擾動和系統(tǒng)擾動等動態(tài)信息，促進保護和控制技術的融合，進一步提高變電站的數字化、智能化水平和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。