張廣嘉，王冰清，王乾剛

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變電站智能化改造的過程層設(shè)備平滑接入方案研究

張廣嘉，王冰清，王乾剛

(長園深瑞繼保自動化有限公司，廣東 深圳 518057)

提出一種應(yīng)用于傳統(tǒng)變電站智能化改造中的過程層設(shè)備平滑接入方案，分別從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、通訊組網(wǎng)方案、功能配置以及內(nèi)部數(shù)據(jù)的交互協(xié)同模式等多角度對該系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行研究。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對信號數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析說明。為了滿足大容量數(shù)據(jù)的接入，實(shí)現(xiàn)集成采集與控制，對SV、GOOSE的發(fā)送進(jìn)行對應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)；并以該硬件系統(tǒng)構(gòu)架為基礎(chǔ)，建立數(shù)據(jù)總線、IO總線、校時總線以及管理總線等多層次的總線結(jié)構(gòu)。該方案可以實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)接入與控制的同時滿足變電站智能化改造過程中的平滑切換接入。

數(shù)字化變電站；集成；過程層；多總線；平滑接入

0 引言

基于全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化等基本要求，數(shù)字化變電站具有信息充分共享、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)及通信模型、信號傳輸實(shí)時可靠等優(yōu)點(diǎn)，隨著數(shù)字化變電站的快速發(fā)展，傳統(tǒng)變電站的數(shù)字化改造也越來越多地應(yīng)用到實(shí)際中[1-4]。與新站建造不同，傳統(tǒng)站的數(shù)字化改造需要考慮成本、改造過程中的供電可靠性、施工方案的復(fù)雜程度等各方面因素。

現(xiàn)有的改造方案中，母線分裂運(yùn)行改造方案改造過程相對簡單，接線工作量也較少，但是該方案在改造過程中要求母線長期分列運(yùn)行，同時改造前期全站負(fù)荷均集中于一條母線，運(yùn)行方式單一，運(yùn)行母線故障將導(dǎo)致停電面積擴(kuò)大，系統(tǒng)的可靠性低，另外，該方案具有明顯的局限性，對電網(wǎng)的一次接線方式要求較高，不適應(yīng)于所有主接線方式；增加母差保護(hù)子方案的改造過程不影響全站的保護(hù)運(yùn)行方式及負(fù)荷分配，減少了改造期間設(shè)備的停電時間，被改造的間隔僅需停電一次，電網(wǎng)運(yùn)行可靠性高，但是該方案需要增加母差保護(hù)子機(jī)接線，增加了現(xiàn)場接線工作量[5-8]。

綜合考慮有效的改造利用現(xiàn)有裝置、最大限度地降低接線更改及施工過程的配置更改工作量、實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)變電站到數(shù)字化變電站的平滑過渡等要求，本文提出一種應(yīng)用于變電站智能化改造的過程層設(shè)備平滑接入方案，該方案是由現(xiàn)有的傳統(tǒng)母差保護(hù)裝置更換板件改造而來，通過對其進(jìn)行SV/GOOSE的硬件共口設(shè)計(jì)及多總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)將變電站內(nèi)多個間隔的交流量以及開關(guān)量等模擬信號轉(zhuǎn)換為SV、GOOSE量，并將其輸送給數(shù)字化保護(hù)主機(jī)(以下簡稱數(shù)字化主機(jī))，同時可以接受數(shù)字化主機(jī)發(fā)出的GOOSE信號并控制其出口跳閘，從而實(shí)現(xiàn)過程層設(shè)備的集成采集與控制；同時由于裝置的配置信息是按照全站的最終scd模式來進(jìn)行的，因此間隔改造完成后無須更改裝置的配置信息，只需插拔光纖即可實(shí)現(xiàn)過程層設(shè)備的平滑切換接入。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

裝置的硬件是由現(xiàn)場的傳統(tǒng)母差保護(hù)裝置BP-2B改造而來，在原有的板件基礎(chǔ)上取消管理板、閉鎖板、差動板、分段閉鎖板和信號板等板件，其他板件不變且插槽的位置也不變，重新設(shè)計(jì)添加了光板(間隔板)、匯總板以及總線板完成的。

1.1 板件功能設(shè)計(jì)

(1) 單元板

① 通過哈丁端子外接開入開出——采集間隔開入量，并將其傳送至間隔板；接受間隔板下發(fā)的命令，控制間隔的開出。

② 接收電流互感器上送的模擬信號，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后再傳送至間隔板。

(2) 間隔板

① 每塊間隔板通過FPGA擴(kuò)展一組ISA總線，讀取下掛的單元板的開入量與模擬量信號，形成GOOSE和SV信號，通過光口發(fā)送給數(shù)字化主機(jī)。

② 接收數(shù)字化主機(jī)的GOOSE跳閘信號，進(jìn)而控制單元板的開出。

(3) 光耦板

將采集的公共開入的信號上傳至匯總板。

(4) 匯總板

① 通過FPGA擴(kuò)展一組ISA總線，用來讀取下掛的兩塊光耦板的公共開入信號。

② 將電壓互感器板上送的電壓模擬量信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，形成SV信號，再通過光口上傳至數(shù)字化主機(jī)。

③ 為校時主機(jī)，接收GPS校時信號，并通過GPS校時總線發(fā)送校時和同步命令，以控制間隔板的時鐘同步。

④ 作為IO總線主機(jī)，利用IO總線實(shí)現(xiàn)與間隔板之間如點(diǎn)燈、公共開入等信號的信息交互。

⑤ 每塊間隔板擴(kuò)出一個網(wǎng)口，通過總線板引至匯總板，構(gòu)成100 Mbps以太網(wǎng)的管理總線。

1.2 數(shù)據(jù)信號流向分析

基于上述板件的功能設(shè)計(jì)說明，結(jié)合圖1對數(shù)據(jù)信號的流向進(jìn)行分析。

圖1 數(shù)據(jù)信號流向示意圖

(1) 外部大電流信號通過電流互感器板轉(zhuǎn)化成低電流模擬量信號，然后再通過單元板進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，將其上送至間隔板，再通過光口送給數(shù)字化主機(jī)。

(2) 外部大電壓信號通過電壓互感器板轉(zhuǎn)化成低壓模擬量信號，再通過匯總板進(jìn)行AD采樣，之后傳送給數(shù)字化主機(jī)。

(3) 間隔開入量通過單元板接收，然后上送至間隔板，將開入量轉(zhuǎn)化為GOOSE信號，通過光口傳送至數(shù)字化主機(jī)。

(4) 數(shù)字化主機(jī)的GOOSE跳閘信號通過間隔板轉(zhuǎn)化為開出信號，進(jìn)而控制單元的開出。

(5) 公共開入量通過光耦板上傳至匯總板，再通過IO總線與間隔板進(jìn)行信息交互。

(6) 間隔板通過IO總線將點(diǎn)燈信號傳送至匯總板。

2 集成采集與控制實(shí)現(xiàn)

為了滿足該過程層設(shè)備的大容量數(shù)據(jù)接入，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成采集與控制，以下分別從GOOSE和SV共口發(fā)送的硬件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的多總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行分析。

2.1 GOOSE和SV共口發(fā)送的硬件開發(fā)

集成過程層設(shè)備要求交流信號的采集和狀態(tài)信息的采集必須由不同的板卡完成，以防止相互之間的影響；同時要求GOOSE報(bào)文和SV報(bào)文通過同一個100 M光以太網(wǎng)口發(fā)送出去，以簡化變電站現(xiàn)場的光纖接線[9-12]。又由于GOOSE與SV報(bào)文不同的發(fā)送特點(diǎn)——SV報(bào)文為等間隔發(fā)送，每間隔250μs發(fā)送一幀，且該等間隔性必須滿足±10 μs；GOOSE報(bào)文的發(fā)送，當(dāng)無變位時，每5 s發(fā)送一幀心跳報(bào)文，有變位時報(bào)文呈突發(fā)狀，GOOSE報(bào)文的實(shí)時性為ms級，沒有等間隔發(fā)送的要求。因此，采用普通的以太網(wǎng)控制器，會存在報(bào)文之間互相影響的問題，需要對共口發(fā)送進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。

如圖2表示GOOSE和SV共口發(fā)送的硬件結(jié)構(gòu)原理圖，其中GOOSE板負(fù)責(zé)采集開入及控制開出，SV板負(fù)責(zé)采集電壓電流等交流量，二者分別通過“數(shù)據(jù)總線A”和“數(shù)據(jù)總線B”與通信板進(jìn)行通信；通信板為不帶處理器(CPU)的獨(dú)立板件，但配備可編程邏輯器件FPGA，利用該FPGA實(shí)現(xiàn)一個雙發(fā)送緩存的MAC，再通過RMII接口與一種公開可知的PHY對接，然后再驅(qū)動光模塊實(shí)現(xiàn)GOOSE和SV共口發(fā)送。

圖2 GOOSE和SV共口發(fā)送的硬件結(jié)構(gòu)原理圖

如圖3表示MAC實(shí)現(xiàn)邏輯原理圖，其中“數(shù)據(jù)總線A”和“數(shù)據(jù)總線B”均為±clk、±data0、±data1共3對LVDS差分線，而±clk為100M時鐘，±data0和±data1是與±clk同步的100M數(shù)據(jù)。在FPGA內(nèi)部分別實(shí)現(xiàn)A/B總線報(bào)文收發(fā)控制器邏輯模塊，完成LVDS總線的通信、串并轉(zhuǎn)換等功能。

圖3 MAC實(shí)現(xiàn)邏輯原理圖

上述已提及，在可編程邏輯器件FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)一個雙發(fā)送緩存的MAC，其中“發(fā)送緩存1”受GOOSE板控制，其大小為16kbyte；“發(fā)送緩存2”受SV板控制，其大小為4kbyte。GOOSE板發(fā)送報(bào)文時，通過“數(shù)據(jù)總線A”和A總線報(bào)文收發(fā)控制器模塊將報(bào)文寫入“發(fā)送緩存1”。 SV板發(fā)送報(bào)文時，通過“數(shù)據(jù)總線B”和B總線報(bào)文收發(fā)控制器模塊將報(bào)文寫入“發(fā)送緩存2”。

為保證SV報(bào)文準(zhǔn)確的250 μs等間隔發(fā)送，在可編程邏輯器件FPGA中實(shí)現(xiàn)一個周期為250 μs的定時器。每次當(dāng)定時器清零時觸發(fā)SV發(fā)送控制邏輯模塊，該模塊發(fā)送“發(fā)送緩存2”中SV報(bào)文。

SV發(fā)送完成后，進(jìn)入啟動發(fā)送GOOSE報(bào)文流程，根據(jù)GOOSE報(bào)文發(fā)送特點(diǎn)——無變位時，每5s發(fā)送一幀心跳報(bào)文；有變位時，報(bào)文呈突發(fā)狀。在FPGA中實(shí)現(xiàn)一個周期為5s的定時器，當(dāng)沒有有變位時，GOOSE發(fā)送控制邏輯模塊由該定時器觸發(fā)工作；當(dāng)有變位時，GOOSE發(fā)送的控制邏輯：首先獲取當(dāng)前待發(fā)送GOOSE報(bào)文的長度，然后根據(jù)報(bào)文長度計(jì)算出所需的發(fā)送時間。如果當(dāng)前250μs周期剩余的時間大于當(dāng)前GOOSE報(bào)文發(fā)送所需的時間，則啟動發(fā)送GOOSE。否則，停止發(fā)送GOOSE，轉(zhuǎn)而等待定時器清零，啟動發(fā)送SV。

2.2 多總線架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述硬件設(shè)計(jì)，本課題提出一種多總線的采集與控制架構(gòu)——數(shù)據(jù)總線(ISA)、IO總線(LVDS)、校時總線(GPS)以及管理總線(FE)，系統(tǒng)總線架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 多總線架構(gòu)圖

(1) 數(shù)據(jù)總線(ISA總線)

通過FPGA芯片出幾組交流量采集總線，用于收集交流板采集的電壓交流量或電流交流量。該裝置內(nèi)部共有三組ISA總線，其總線結(jié)構(gòu)如圖5所示。

ISA總線1：單元板1~4及對應(yīng)的間隔板1~2(一個間隔板下掛兩個單元板)，其中間隔板1為地址發(fā)起板。

ISA總線2：單元板5~8及對應(yīng)的間隔板3~4，其中間隔板3為地址發(fā)起板。

ISA總線3：匯總板、光耦板和電壓互感器板(直接通過總線板引到匯總板板)，其中匯總板為地址發(fā)起板。

圖5 ISA總線結(jié)構(gòu)圖

(2) IO總線(LVDS)

兩條單向傳輸?shù)拇锌偩€，構(gòu)成一條全雙工的一主多從的IO總線，一條由主機(jī)到從機(jī)，一條由從機(jī)到主機(jī)。默認(rèn)匯總板為主機(jī)，間隔板為從機(jī)。IO總線主要用來實(shí)現(xiàn)間隔板與匯總板之間信息的交互，比如點(diǎn)燈信號，公共開入等信號。

(3) 校時同步總線(GPS)

為了保證所有間隔的采樣同步、等間隔發(fā)送和校時，匯總板和間隔板之間設(shè)計(jì)一條單向傳輸?shù)拇锌偩€，默認(rèn)匯總板為校時主機(jī)，間隔板為校時從機(jī)。匯總板接收GPS校時信號，將自己的中斷計(jì)數(shù)器和當(dāng)前絕對時間(毫秒、秒、分、時)通過校時總線發(fā)給從機(jī)，從機(jī)接收到校時信號后調(diào)整自己相應(yīng)的計(jì)數(shù)器。

(4) 管理總線(以太網(wǎng)FE)

整個機(jī)框的管理總線采用以太網(wǎng)。每塊間隔板的CPU出1個網(wǎng)口，通過總線板直接引到匯總板上的交換芯片，交換芯片同時也和匯總板上的CPU相連。

3 智能化改造過程中的應(yīng)用分析

基于系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)分析，接下來對該過程層設(shè)備集成采集與控制方案在變電站智能化改造過程中的應(yīng)用接入進(jìn)行說明。

按照全站最終的模式配置scd文件，即所有裝置的icd及其關(guān)聯(lián)信息均不變的情況下，對該過程層設(shè)備進(jìn)行配置。

配置該過程層設(shè)備為單個IED配置發(fā)送多個不同SVID的SV包，并對其SVID名稱進(jìn)行配置，使其SV包配置信息與改造后的MU發(fā)送SV包的配置信息完全一致。

修改最終版scd中智能終端、間隔保護(hù)裝置的GOOSE發(fā)送通道虛端子短地址為該過程層設(shè)備的短地址，生成各智能終端與間隔保護(hù)裝置等IED對應(yīng)的GOOSE配置文件，然后修改各個GOOSE配置文件名稱并將按順序排列好后的各間隔GOOSE配置文件下裝到該過程層設(shè)備中。

新增該過程層設(shè)備GOOSE接收用的ICD文件，然后將新增的ICD文件導(dǎo)入SCD中，再在SCD中將數(shù)字化主機(jī)的各支路跳閘及聯(lián)跳出口關(guān)聯(lián)到該過程層設(shè)備所對應(yīng)的開入虛端子，然后將所生成的“GOOSE.CFG”文件名稱修改為“GOOSERx. CFG”后導(dǎo)入該過程層設(shè)備。

按照上述方案配置，SV的接收以及GOOSE的收發(fā)均與改造完成后的實(shí)際信息一致。因此，按照全站改造最終模式對scd進(jìn)行配置并下裝后，改造過程中不需再修改配置信息，只需插拔光纖，即可恢復(fù)數(shù)字化主機(jī)的正常通訊和保護(hù)投入，實(shí)現(xiàn)無縫切換。

4 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)分析

基于上述架構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析，總結(jié)該集成過程層設(shè)備的多總線系統(tǒng)特點(diǎn)如下：

(1) 實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)接入與控制

該系統(tǒng)能夠接收數(shù)字化主機(jī)的GOOSE出口信號并將其轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)硬接點(diǎn)跳閘出口信號；能夠?qū)⒃杉某Ｒ?guī)間隔保護(hù)失靈開入轉(zhuǎn)換為GOOSE信號，最大可支持24個間隔保護(hù)GOOSE報(bào)文數(shù)據(jù)發(fā)送；能夠?qū)⒃杉拈_關(guān)刀閘等位置開入轉(zhuǎn)換為GOOSE信號，最大可支持24個智能終端GOOSE報(bào)文數(shù)據(jù)發(fā)送；能夠?qū)⒃杉碾妷弘娏鬓D(zhuǎn)換成符合IEC61850-9-2通訊協(xié)議的SV報(bào)文數(shù)據(jù)，發(fā)送給數(shù)字化主機(jī)，最大可模擬24個合并單元SV報(bào)文數(shù)據(jù)發(fā)送。

(2) 多總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)應(yīng)用以數(shù)據(jù)總線、IO總線、校時總線以及管理總線為基礎(chǔ)的多總線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用該結(jié)構(gòu)簡化了硬件設(shè)計(jì)，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，擴(kuò)充性能好，可靠性高。能夠?qū)崿F(xiàn)板件之間數(shù)據(jù)信號的高速可靠傳輸與交互。

(3) 實(shí)現(xiàn)母線保護(hù)智能化改造過程無縫切換接入

該過程層設(shè)備在智能化改造中的無縫接入有效地實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)變電站平滑過渡到智能化變電站，大幅降低了改造成本，同時縮短了改造周期。

5 結(jié)論

本文提出一種應(yīng)用于傳統(tǒng)變電站智能化改造中的過程層設(shè)備平滑接入方案，分別從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、通訊組網(wǎng)方案、功能配置、以及內(nèi)部數(shù)據(jù)的交互協(xié)同模式等多角度對該系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行研究，對該系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行研究與論述：該方案可以實(shí)現(xiàn)大容量的數(shù)據(jù)接入與控制的同時滿足母線保護(hù)智能化改造過程中的無縫切換接入，為今后傳統(tǒng)站的數(shù)字化改造技術(shù)的研究與應(yīng)用提供借鑒。

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LIU Yiqing, GAO Houlei, LI Naiyong, et al.A communication scheme between smart substations for substation-area backup protection[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(2): 96-102.

(編輯 張愛琴)

Research of the smooth switch access scheme of the process level equipment applied in the intelligent reconstruction of the traditional substation

ZHANG Guangjia, WANG Bingqing, WANG Qiangang

(CYG Sunrui Co., Ltd., Shenzhen 518057, China)

A smooth switch access scheme of the process level equipment is proposed, which is applied in the intelligent reconstruction of the traditional substation. The study is carried in various views such as the system structure, the communication network solution, the functional configuration, and the interactive companion mode of the data. Based on the system hardware design, the signal data flow analysis is also showed. In order to meet the demand of signal access of large quantity and the integrated acquisition and control, the hardware is designed for SV and GOOSE sending and receiving, and based on this hardware system structure, a multi-bus framework is set up including LVDS bus, IO bus, GPS bus, and the management bus. The scheme realizes large quantity data access and control, meanwhile meets the demand of smooth switch access during the substation intelligent reconstruction.

digital substation; integrated; process level; multi-bus; smooth access

10.7667/PSPC160365

2016-03-17；

2016-06-22

張廣嘉(1977-)，男，高級工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)及控制；E-mail: zhanggj@sznari.com 王冰清(1989-)，女，通信作者，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)及控制；E-mail: wangbq@sznari.com 王乾剛(1985-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)及控制。