朱 珠，郭寶甫

（1.銅陵學(xué)院，安徽銅陵244000；2.國家電網(wǎng)許繼集團有限公司，河南許昌461000）

供用電

智能變電站過程層綜合智能單元的集成技術(shù)探討

朱 珠1，郭寶甫2

（1.銅陵學(xué)院，安徽銅陵244000；2.國家電網(wǎng)許繼集團有限公司，河南許昌461000）

隨著智能變電站在全國范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用，其中的設(shè)備集成與整合技術(shù)受到了廣泛地關(guān)注。對目前主流廠家生產(chǎn)的過程層綜合智能單元進(jìn)行分析，論述了其節(jié)約成本，提高經(jīng)濟效益的優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)之上，提出了采樣值（SV）和面向通用對象的變電站事件（GOOSE）共端口傳輸?shù)男录杉夹g(shù)。并對此技術(shù)下的傳輸優(yōu)先級選擇、對時信號選擇以及檢修壓板選擇等問題進(jìn)行了探討。同時說明了與之相關(guān)的CPU整合、人機接口優(yōu)化、保護裝置接口改進(jìn)等。

智能變電站；合并單元；智能終端；集成技術(shù)

1 引言

目前智能化是變配電系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，在世界范圍內(nèi)發(fā)展智能電網(wǎng)已經(jīng)形成共識。智能電網(wǎng)是以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的網(wǎng)架為基礎(chǔ)，以通信信息平臺為支撐，具有信息化、自動化、互動化特征，包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電以及規(guī)劃、調(diào)度、通信等各個環(huán)節(jié)，覆蓋所有電壓等級，實現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合的現(xiàn)代化電網(wǎng)[1]。結(jié)合智能電網(wǎng)的需求，在現(xiàn)有的數(shù)字化變電站基礎(chǔ)之上，國家電網(wǎng)于2010年開始了智能變電站的建設(shè)工作。

智能變電站系統(tǒng)可以劃分為過程層、間隔層和站控層[2]。過程層不僅包括了常見的變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電壓/電流互感器等一次設(shè)備，還包括合并單元、智能終端以及過程層交換機；間隔層一般指繼電保護裝置、故障錄波和分析裝置、測控裝置等二次設(shè)備；而站控層主要包含監(jiān)視控制系統(tǒng)、對時系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等等。

在過程層中，電磁型電壓/電流互感器采集的模擬量經(jīng)采集器上傳到合并單元。其對數(shù)據(jù)進(jìn)行合并同步和規(guī)約轉(zhuǎn)換后，向間隔層智能電子設(shè)備輸出符合IEC61850-9-2規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)的SV（Sample Value）信號。而斷路器及隔離開關(guān)等開關(guān)量信息上傳到智能終端，向間隔層設(shè)備輸出GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）信號。同時間隔層設(shè)備也可以通過智能終端操作控制斷路器及相關(guān)隔離開關(guān)的開合。所以智能變電站過程層柜體結(jié)構(gòu)初始的配置方案如圖1（a）所示，在柜中上下并列、分別擺放合并單元和智能終端的箱體。它們都是通過電纜與現(xiàn)場一次設(shè)備連接，通過光纖與間隔層設(shè)備連接。

圖1 過程層柜體結(jié)構(gòu)

而當(dāng)前國內(nèi)主要生產(chǎn)廠家已經(jīng)將合并單元與智能終端兩個箱體一體化，集成為綜合智能單元一個箱體，如圖1（b）所示。而綜合智能單元中的SV插件和開入/出口插件分別部分實現(xiàn)原先合并單元和智能終端的功能，如圖2是國內(nèi)某廠生產(chǎn)的綜合智能單元裝置的背視圖。一次設(shè)備的輸入經(jīng)電纜接入其中的交流插件和開入插件，SV插件和出口插件的輸出經(jīng)光纖接入過程層交換機或間隔層智能電子設(shè)備。

圖2 DTI－806綜合智能單元背視圖

2 當(dāng)前集成技術(shù)分析

可見，與初始的配置方案相比，集成后的綜合智能單元有諸多優(yōu)點。首先，柜中裝置數(shù)量減少了一半，相應(yīng)的設(shè)備成本會下降。同時由于柜中的裝置數(shù)量減少，柜體的高度也可以相應(yīng)降低，從而建設(shè)成本也會下降。其次，采集量和開關(guān)量的輸入都送到綜合智能單元，使其與相應(yīng)一次設(shè)備的連接變得簡單，同時也降低了電纜連接成本。再次，綜合智能單元下，過程層可以采用SV與GOOSE共組網(wǎng)模式。共網(wǎng)口與過程層交換機連接的方式在一定程度上降低了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備投資。

但是，集成后的綜合智能單元并沒有從系統(tǒng)角度上，對合并單元和智能終端進(jìn)行功能上的整合。在過程層中，作為數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)的合并單元與作為操作控制環(huán)節(jié)的智能終端都是服務(wù)于一次設(shè)備本身。同時按照繼電保護“直采直跳”的要求，它們的出口信息直接與繼電保護裝置聯(lián)系[3]。此外，出口信息還將通過過程交換機進(jìn)行組網(wǎng)供間隔層其他設(shè)備使用?；谶@些功能上的共性，如圖3（b）集成的綜合智能單元2在傳輸SV和GOOSE信號時可以考慮使用相同的端口。

圖3 綜合智能單元集成方案

3 共端口集成技術(shù)探討

3.1 傳輸優(yōu)先級的選擇

由于繼電保護裝置要求點對點傳輸，合并單元的SV報文是按照等間隔方式進(jìn)行傳輸，同時標(biāo)明延時。而映射跳閘命令、告警信號的GOOSE報文傳輸時需要高實時性。在當(dāng)前應(yīng)用中，其多采用搶占式處理機制，即一旦裝置接收到GOOSE報文會立即發(fā)起中斷，轉(zhuǎn)而處理GOOSE信息。當(dāng)集成后的綜合智能單元共端口發(fā)送SV和GOOSE時，在同時滿足兩者傳輸延時性的要求下，應(yīng)優(yōu)先發(fā)送SV報文。

優(yōu)先發(fā)送SV報文時，由于其報文長度固定，可以精確計算發(fā)送該報文所導(dǎo)致的延遲時間。在等間隔SV報文發(fā)送完成后，裝置就可以處理GOOSE報文。由優(yōu)先發(fā)送SV報文所帶來的幾十微秒的延時，是不會影響GOOSE報文傳輸?shù)膶崟r性。因為在IEC 61850-7-2標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：數(shù)據(jù)在過程總線上傳輸時應(yīng)具有可測算的確定延時以及在最壞情況下的延時極值，GOOSE報文應(yīng)在3 ms內(nèi)完成傳輸[4]。對3 ms而言，延時的幾十微秒可以接受。

如果仍按照傳統(tǒng)的方式優(yōu)先發(fā)送GOOSE報文，在100 Mbit/s的帶寬下，100Byte的GOOSE報文需要約8 μs的傳輸時間，而200Byte時則需要約16 μs。但是在點對點傳輸下，要求傳輸SV報文時等間隔的延時必須小于10 μs[4]?？梢姡瑑?yōu)先處理GOOSE報文會加大SV報文傳輸?shù)拈g隔時間，甚至超過要求的間隔延時。

3.2 對時信號的選擇

合并單元和智能終端功能的實現(xiàn)都要依賴于精確的時間同步技術(shù)。按照文獻(xiàn)要求，目前合并單元采用IRIG-B碼或IEC61588實現(xiàn)同步對時，其采樣的同步誤差不大于±1 μs[5]。常用的IRIG-B碼對時中，衛(wèi)星GPS信號傳入授時源裝置，授時源裝置輸出的IRIG-B碼通過光纖到達(dá)合并單元CPU，完成本地脈沖信號的同步工作。與合并單元類似，智能終端對時也常采用IRIG-B碼或IEC61588。當(dāng)兩者集成后，可共用一個對時接口。但是集成后的綜合智能單元的硬件配置會有不同，可用一塊CPU實現(xiàn)所有功能或者兩塊CPU分別實現(xiàn)各自的功能。當(dāng)使用兩塊CPU時，對時應(yīng)以合并單元的對時信號為標(biāo)準(zhǔn)，因為它的同步采樣對時精度遠(yuǎn)高于智能終端的毫秒級。

3.3 檢修壓板的選擇

當(dāng)前國內(nèi)主要生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的綜合智能單元雖已經(jīng)將合并單元和智能終端集成在一起，但其SV和GOOSE的檢修壓板仍然是分別配置的。當(dāng)共端口集成后，SV和GOOSE信號可以共用一個檢修壓板。以同間隔下的合并單元和智能終端為例，某時刻檢修采樣環(huán)節(jié)，SV檢修壓板打開。此時沒有數(shù)據(jù)上傳間隔層保護，保護出口被閉鎖，不會有GOOSE信號的傳輸，就好像SV和GOOSE檢修壓板被同時打開。同理，某時刻檢修操作控制環(huán)節(jié)，GOOSE檢修壓板打開，SV信號仍然實時上傳。即使發(fā)生短路故障，繼電保護被啟動但無法出口跳閘，此時也可看作兩檢修壓板同時被打開。

不僅如此，實際的測試檢修中，當(dāng)檢修SV或GOOSE通路時，因為會涉及檢修對應(yīng)的一次設(shè)備，目前為了操作人員的絕對安全會同時斷開SV和GOOSE檢修壓板。相比而言，當(dāng)同間隔下SV和GOOSE共用一個檢修壓板后，不僅為使用者帶來方便，而且杜絕了因操作失誤而導(dǎo)致的安全隱患。

3.4 其他資源的整合

首先是CPU。當(dāng)前集成技術(shù)下的綜合智能單元，處理SV和GOOSE是分別配置CPU。當(dāng)兩者集成后，CPU資源需要重新整合。例如通常SV計算負(fù)荷很重，而GOOSE負(fù)荷輕許多；時間同步時以合并單元對時信號為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行B碼解析；另外由于目前合并單元實現(xiàn)電壓切換和并列的功能，所以合并單元還需要配置GOOSE網(wǎng)口獲取同間隔內(nèi)的智能終端信息。而集成后的CPU在數(shù)據(jù)處理階段就可以完成SV和GOOSE數(shù)據(jù)的共享。

其次是人機接口?，F(xiàn)有放于室內(nèi)的綜合智能單元會配有液晶屏，方便人員操作各項軟壓板功能。當(dāng)SV和GOOSE共端口集成后，只需在原有液晶屏基礎(chǔ)上改變?nèi)舾勺硬藛谓缑婕纯?。放于室外的綜合智能單元所處環(huán)境惡劣，通常沒有配置液晶屏，而是通過調(diào)試網(wǎng)口實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。當(dāng)共端口集成后，只需將原先的SV和GOOSE遠(yuǎn)程控制功能進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜诤隙灿靡粋€調(diào)試網(wǎng)口。

4 結(jié)論

隨著智能變電站技術(shù)的普及與研究的深入，智能變電站過程層合并單元和智能終端的集成問題受到了廣泛的關(guān)注[6]?，F(xiàn)有的集成產(chǎn)品綜合智能單元雖然具有諸多優(yōu)點，但并未從系統(tǒng)角度上，對合并單元和智能終端進(jìn)行功能上的集成。本文提出了綜合智能單元在傳輸SV和GOOSE信號時可以共用端口，并就此技術(shù)下的傳輸優(yōu)先級選擇、對時信號選擇以及檢修壓板選擇等問題進(jìn)行了探討。但需要指出的是，共端口集成技術(shù)依賴于間隔層保護裝置可以SV和GOOSE共端口接收。若保護裝置仍然采用分端口接收時，共端口傳輸?shù)膬?yōu)勢便沒有體現(xiàn)，與現(xiàn)有的綜合智能單元無異。在過程層組網(wǎng)時，集成后的SV與GOOSE信號共端口傳輸與之前的分端口傳輸無異，組網(wǎng)時仍然采用“先到先發(fā)”的模式進(jìn)行SV/GOOSE報文的發(fā)送。

目前國內(nèi)主流的廠家已陸續(xù)生產(chǎn)過程層集成產(chǎn)品并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。其節(jié)約了成本，獲得了較好的經(jīng)濟效益。但是由于智能變電站發(fā)展周期較短，投入運行的產(chǎn)品可能存在的一些潛問題還未充分暴露。所以在探討新技術(shù)的同時，需在充分的論證后小心謹(jǐn)慎地運用到產(chǎn)品中。

[1]殷剛.智能電網(wǎng)研究[J].能源與節(jié)能，2013，（10）.

[2]王書峰.中國電谷（保定）智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程項目實施研究[D].華北電力大學(xué)，2013.

[3]劉昊昱，左群業(yè).智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)性能測試與分析[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2012，（18）.

[4]IEC 61850 Communication networks and systems in substations [S].2003．

[5]國家電網(wǎng)公司.Q/GDW 383-2009智能變電站技術(shù)導(dǎo)則[S].北京：中國電力出版社，2009.

[6]倪益民，楊宇.智能變電站二次設(shè)備集成方案討論[J].電力系統(tǒng)自動化，2014，（3）.

Discussion on Integration Technology of Intelligent Unit in Process Layer of Smart Substation

ZHU Zhu1，GUO Baofu2
（1.Tongling University，Tongling，Anhui 244000；2.Xuji Group Corporation of State Grid，Xuchang,Henan 461000）

With nationwide popularization and application of intelligent substation,its devices integration technology has been received extensive attention.The integrated intelligent unit produced by present mainstream manufactures is analyzed concerning its economic benefits.Based on this,the paper puts forward a new integration technology that the sample value (SV)and generic object oriented substation event(GOOSE)shares the same transmission port. After that,it discusses related problems such as transmission priority selection,time signal selection and maintenance platen selection.Meanwhile,the resource integration of CPU,the man-machine interface optimization and the port improvement of protection devices are presented.

smart substation;merging unit;intelligent terminal;integrated technology

TM762

A

1006-6764(2015)05-0001-03

2014－03－13

朱珠（1987-），女，2011年畢業(yè)于新南威爾士大學(xué)（澳大利亞）電力學(xué)院新能源發(fā)電專業(yè)，碩士研究生學(xué)歷，助教，研究方向為電力系統(tǒng)保護與控制。