彭 奇, 王治華, 劉海洋, 周 斌, 黃國方

(1. 南瑞集團(tuán)(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司, 江蘇省南京市 211106; 2. 國電南瑞科技股份有限公司, 江蘇省南京市 211106; 3. 智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇省南京市 211106; 4. 國網(wǎng)上海市電力公司電力調(diào)度控制中心, 上海市200122)

0 引言

測(cè)控裝置是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)間隔層的核心設(shè)備,其可以實(shí)現(xiàn)一次、二次設(shè)備信息采集和信息傳輸,接收控制命令,實(shí)現(xiàn)對(duì)受控對(duì)象的控制[1-2]。目前智能變電站內(nèi)測(cè)控裝置為單套配置,沒有備用,當(dāng)測(cè)控裝置出現(xiàn)故障或異常時(shí),站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)及遠(yuǎn)方主站將失去對(duì)相應(yīng)電氣間隔的測(cè)控功能[3]。如何高效地解決測(cè)控裝置的備用問題已成為智能變電站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的當(dāng)務(wù)之急。

目前的解決方案包括測(cè)控雙重化[4]和集群式測(cè)控[5-6]。文獻(xiàn)[4]中詳述了測(cè)控雙重化配置方案,該方案雖可解決備用問題,但設(shè)備數(shù)量、成本都將翻倍;文獻(xiàn)[5-6]中介紹的集群式測(cè)控采用了虛擬測(cè)控裝置的模型辨識(shí)技術(shù),完全模擬了故障或異常測(cè)控的行為,但不同廠家設(shè)備間的一致性驗(yàn)證較為復(fù)雜,且運(yùn)行方式為冷備用方式,無法做到無縫切換。并且如何監(jiān)視集群式測(cè)控本身的狀態(tài),即集群測(cè)控自身模型,以及遠(yuǎn)方條件下如何確保取代間隔的實(shí)體測(cè)控設(shè)備完全退出網(wǎng)絡(luò)還有待探討。

文獻(xiàn)[7]中介紹了一種智能變電站集中式保護(hù)測(cè)控裝置,分組式測(cè)控借鑒了集中式測(cè)控的技術(shù)以及雙重化配置方案。不同之處是對(duì)智能變電站內(nèi)所有間隔的測(cè)控功能進(jìn)行分類重組,提出相似相關(guān)的間隔分組式集中原則。本文詳細(xì)描述了分組式測(cè)控技術(shù)原理及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),以及基于分組式測(cè)控的系統(tǒng)架構(gòu)運(yùn)行方式及組網(wǎng)方案等。

1 分組式測(cè)控原理

分組指間隔分組,主要表現(xiàn)為間隔功能的相似相關(guān)集中。根據(jù)目前變電站內(nèi)測(cè)控間隔的應(yīng)用情況分為線路分組、母線分組、3/2串分組及主變壓器(以下簡稱主變)分組。相似性的集中可使裝置內(nèi)共性功能模塊得以最大限度地共享,提高程序運(yùn)行穩(wěn)定性;相關(guān)性集中則可以提高數(shù)據(jù)的共享效率,如間隔間的聯(lián)閉鎖信息等,不僅減少了網(wǎng)絡(luò)上的報(bào)文流量,更有利于管理與控制。

分組式測(cè)控仍然屬于間隔層設(shè)備,裝置內(nèi)可運(yùn)行一個(gè)間隔分組內(nèi)的多個(gè)間隔測(cè)控功能。在IEC 61850模型方面,對(duì)多間隔模型進(jìn)行整合,采用集中式的一體模型。過程層基于采樣值(SV)與通用面向?qū)ο笞冸娬臼录?GOOSE)進(jìn)行信息共享。由于裝置內(nèi)集成了多間隔的功能,考慮到裝置的體積和容量,過程層采用組網(wǎng)方式,不支持多間隔的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式。暫不考慮常規(guī)模擬接線方式的分組式測(cè)控。

2 分組式測(cè)控設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件方案

分組式測(cè)控處于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)體系中的間隔層,在站控層通信功能上與目前間隔測(cè)控一致,只是模型有所增大,因此主要考慮過程層的實(shí)現(xiàn)。過程層網(wǎng)絡(luò)為組網(wǎng)方式,網(wǎng)絡(luò)報(bào)文主要為GOOSE報(bào)文和SV報(bào)文。其中GOOSE報(bào)文正常運(yùn)行無變位時(shí)流量較小,突發(fā)事件時(shí)流量較大,由于有多個(gè)間隔的集成,接收的GOOSE控制塊(GOCB)較多,因此考慮設(shè)置獨(dú)立的GOOSE和SV模件。SV報(bào)文為持續(xù)穩(wěn)定的大流量報(bào)文。根據(jù)IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)[8],合并單元采樣報(bào)文的上送速率為4 000包/s。下面分別對(duì)幾種分組式測(cè)控的過程層報(bào)文流量進(jìn)行分析。

對(duì)于線路分組測(cè)控,目前變電站內(nèi)線路間隔測(cè)控只接收1個(gè)SV控制塊報(bào)文,即線路側(cè)合并單元SV,該SV控制塊中不僅包含線路側(cè)電壓、電流等遙測(cè)量信息,還包含了由母線合并單元通過級(jí)聯(lián)方式上送的母線電壓。則對(duì)于最大集成8個(gè)間隔的線路分組測(cè)控共接收8個(gè)SV控制塊報(bào)文。對(duì)于3/2串分組測(cè)控,需要接收2臺(tái)母線電壓合并單元、2臺(tái)線路電壓合并單元及3臺(tái)電流合并單元,共7個(gè)SV控制塊報(bào)文。對(duì)于母線分組測(cè)控,考慮接收SV控制塊最多的雙母雙分段情況。該接線方式下需要接收2臺(tái)母線電壓合并單元及2段母聯(lián)和分段電流合并單元,共6個(gè)SV控制塊報(bào)文。主變分組測(cè)控較為簡單,主要接收主變3側(cè)的3個(gè)合并單元。各類型測(cè)控接收的SV控制塊數(shù)量及每秒接收?qǐng)?bào)文數(shù)如表1所示。

表1 各類型分組測(cè)控過程層接收的SV情況Table 1 SV received by bay-group control unit in the process layer

假定一個(gè)SV報(bào)文中包含20個(gè)通道數(shù)據(jù),根據(jù)IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn),則該報(bào)文長度約為250 B。根據(jù)表1,裝置每秒接收SV報(bào)文的最大數(shù)為32 000,則裝置每秒接收的SV數(shù)據(jù)量為8 MB,即64 Mbit,百兆網(wǎng)口完全可以滿足應(yīng)用要求。

根據(jù)以上過程層網(wǎng)絡(luò)流量分析,硬件上采用目前測(cè)控裝置的嵌入式平臺(tái)及裝置模件,無須額外增加硬件設(shè)備。

過程層GOOSE與SV模件采用相同模件,硬件平臺(tái)CPU模塊采用Freescale公司的QorIQ系列處理器P1011,該處理器為雙核處理器,最高主頻可達(dá)800 MHz。采用Xilinx的Spartan6系列LX45大容量現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)進(jìn)行SV數(shù)據(jù)采集處理,CPU與FPGA間采用基于1.0a版本規(guī)范的PCIe(peripheral component interconnect express)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,速率可達(dá)1.25 Gbit/s滿足了FPGA與CPU間大量SV數(shù)據(jù)交互。對(duì)外接口為8個(gè)獨(dú)立MAC全雙工以太網(wǎng),多模光口,接口形式是LC(lucent connector)接口,速率為100 Mbit/s?？蓾M足過程層GOOSE和SV的功能需求。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 過程層模件硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure of process level module

站控層模件的CPU采用MPC8321,主要負(fù)責(zé)各種測(cè)控功能、對(duì)外通信、裝置的配置管理以及人機(jī)接口等。采用獨(dú)立DSP單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集計(jì)算、測(cè)控的邏輯處理、數(shù)據(jù)的分析等功能。通過FPGA實(shí)現(xiàn)板內(nèi)芯片間的數(shù)據(jù)交互、對(duì)時(shí)同步以及中斷同步,同時(shí)通過高速串行總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能IO單元與CPU單元間的高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換,其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 站控層模件硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of station level module

2.2 軟件方案

分組式測(cè)控的軟件實(shí)現(xiàn)主要包括間隔層功能及過程層功能實(shí)現(xiàn)。其中間隔層功能關(guān)鍵技術(shù)主要為多間隔集成。過程層功能主要通過SV及GOOSE收發(fā)器實(shí)現(xiàn)。

1)間隔層

間隔層功能實(shí)現(xiàn)如圖3所示,主要包括IEC 61850模塊、多間隔功能模塊以及公共功能模塊。

圖3 間隔層功能結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Function structure of bay level

多間隔功能模塊是分組式測(cè)控的核心,也是關(guān)鍵技術(shù)。在裝置內(nèi)部設(shè)計(jì)了間隔公共類,該類中包含了遙測(cè)功能、遙信功能、遙控功能、五防功能等功能模塊。當(dāng)裝置運(yùn)行時(shí)根據(jù)模型文件中間隔的數(shù)量及種類進(jìn)行具體的實(shí)際間隔的實(shí)例化派生,并分配內(nèi)存空間。各間隔測(cè)控功能擁有獨(dú)立的緩存與計(jì)算模塊,在CPU內(nèi)部并行運(yùn)行,保證了獨(dú)立性。這樣做到了代碼的最大共享與復(fù)用,并保證了可靠性。同時(shí)，為了方便五防邏輯的計(jì)算,各間隔測(cè)控功能模塊間共享了遙測(cè)、遙信等采集數(shù)據(jù)。公共功能模塊主要包含對(duì)時(shí)、公共參數(shù)管理、顯示、調(diào)試等公共功能。IEC 61850功能模塊主要負(fù)責(zé)解析多間隔模型文件,以及與站控層設(shè)備的通信。

裝置設(shè)有統(tǒng)一的遠(yuǎn)方/就地硬壓板與檢修硬壓板,同時(shí)各間隔測(cè)控功能還設(shè)有各自獨(dú)立的間隔檢修軟壓板。當(dāng)裝置檢修硬壓板投入時(shí),設(shè)備處于檢修狀態(tài),所有間隔均處于檢修狀態(tài);當(dāng)間隔檢修軟壓板投入時(shí),該間隔處于檢修狀態(tài)。設(shè)置間隔檢修軟壓板主要考慮當(dāng)該間隔過程層設(shè)備置檢修時(shí),需要執(zhí)行遙控命令則必須檢修狀態(tài)一致,即該間隔測(cè)控也需要置檢修?？紤]到防止就地解鎖操作時(shí)誤入其他間隔,每個(gè)間隔設(shè)置了獨(dú)立的解鎖/聯(lián)鎖硬壓板,正常運(yùn)行時(shí),所有間隔均處于聯(lián)鎖狀態(tài),當(dāng)需要解鎖操作某個(gè)間隔時(shí)需退出該間隔的聯(lián)鎖壓板。

2)過程層

在過程層模件內(nèi)設(shè)計(jì)了SV接收器與GOOSE收發(fā)器,如圖4所示。SV接收器根據(jù)設(shè)備IEC 61850模型配置信息統(tǒng)一接收SV網(wǎng)絡(luò)中的SV報(bào)文,再根據(jù)配置將各間隔的SV報(bào)文信息分發(fā)給各線路間隔的功能模塊。GOOSE收發(fā)器在接收網(wǎng)絡(luò)GOOSE報(bào)文時(shí)原理與SV接收器相同,此外GOOSE收發(fā)器還負(fù)責(zé)匯總各線路間隔的發(fā)送GOOSE報(bào)文,并統(tǒng)一發(fā)送。

圖4 過程層功能結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Function structure of process level

2.3 分組式測(cè)控的實(shí)現(xiàn)

1)線路分組測(cè)控

根據(jù)相似性集中原則,線路分組測(cè)控對(duì)同一母線上的多個(gè)功能相同的線路間隔進(jìn)行集中,最多可集成8條線路,結(jié)構(gòu)如圖5所示。每個(gè)線路間隔均為線路間隔公用類的一個(gè)實(shí)例化對(duì)象,彼此獨(dú)立。

圖5 線路分組測(cè)控設(shè)計(jì)圖Fig.5 Design of line bay-group control unit

數(shù)據(jù)共享方面，對(duì)于同期功能,所有間隔共享母線電壓;對(duì)于五防功能,所有間隔共享母線及母聯(lián)間隔相關(guān)開關(guān)及刀閘位置信息。由于每條線路相同位置的刀閘防誤邏輯相同,因此只需對(duì)每種類型的刀閘配置一次五防邏輯,然后將邏輯中的對(duì)象與各間隔中的實(shí)際對(duì)象做映射。

2)3/2串分組測(cè)控

根據(jù)相關(guān)性集中原則,3/2串分組測(cè)控包含完整串中2個(gè)邊開關(guān)間隔、1個(gè)中開關(guān)間隔以及2個(gè)線路間隔,共5個(gè)間隔,如圖6所示。程序中設(shè)計(jì)了完整串中邊開關(guān)、中開關(guān)以及線路間隔功能類,根據(jù)配置信息實(shí)例化各間隔。測(cè)控內(nèi)共享了完整串內(nèi)開關(guān)量與模擬量的信息,刀閘遙控的聯(lián)閉鎖信息基本不再依賴間隔間測(cè)控裝置的站控層聯(lián)閉鎖GOOSE,提高了防誤可靠性。

圖6 3/2串分組測(cè)控設(shè)計(jì)圖Fig.6 Design of 3/2 bay-group control unit

在SV采樣值接收上,從串角度出發(fā)按單相母線電壓通道、三相線路電壓通道及三相邊、中開關(guān)電流通道,共17個(gè)通道設(shè)計(jì),接收后直接根據(jù)通道映射傳遞給相應(yīng)間隔功能模塊,完成所有頻率、電壓、電流及功率等電氣量的計(jì)算。

3)母線及主變分組測(cè)控

與母線相關(guān)的間隔主要包括母線間隔,母聯(lián)間隔及分段間隔,上述間隔的狀態(tài)構(gòu)成了不同的母線運(yùn)行方式,因此母線分組測(cè)控可集成上述間隔功能。目前的母線測(cè)控裝置最多可測(cè)量控制四條母線。母線分組測(cè)控以雙母雙分段結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),在四母線測(cè)控的基礎(chǔ)上集成了母聯(lián)與分段間隔測(cè)控功能。該測(cè)控也可適用于單母線、雙母線、雙母分段等結(jié)構(gòu)。

集成后的母線分組測(cè)控可完整采集母線相關(guān)的所有信息,對(duì)于母線狀態(tài)的判斷和倒母操作帶來了便利。

主變分組測(cè)控相對(duì)來說較為簡單,目前常規(guī)測(cè)控已有主變本體加三側(cè)一體測(cè)控,分組式主變測(cè)控即該種測(cè)控的數(shù)字化版本。

3 基于分組式測(cè)控的新型監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

由于分組式測(cè)控采用了集中式技術(shù),一臺(tái)測(cè)控集中了若干間隔的功能,因此站內(nèi)測(cè)控的數(shù)量將大大減少。為提高系統(tǒng)可靠性以及消除單套測(cè)控的弊端,分組式測(cè)控系統(tǒng)采用A,B雙套冗余結(jié)構(gòu),其系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D7所示。

3.1 設(shè)備連接

測(cè)控裝置站控層采用雙網(wǎng)模式,與現(xiàn)有測(cè)控方式相同。過程層設(shè)備連接方面存在3種連接方式:①單套接入,即雙套測(cè)控分別只接入過程層A套設(shè)備;②雙套分別接入,即過程層A套設(shè)備接入A套測(cè)控,過程層B套設(shè)備接入B套測(cè)控;③雙套同時(shí)接入,即每套測(cè)控同時(shí)接入A,B套過程層設(shè)備。

圖7 分組式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.7 Network structure of bay-group control unit

上述方案中第1種和第2種為單套設(shè)備接入方案,第3種方案為雙套設(shè)備同時(shí)接入方案。由于A,B套智能終端與合并單元的信號(hào)并不完全相同,因此第2種方案下A,B套測(cè)控的模型并不完全相同。文獻(xiàn)[9]介紹了該方案下間隔層設(shè)備和站控層設(shè)備對(duì)于冗余數(shù)據(jù)的處理方式。分組式測(cè)控雙套冗余方案更多考慮解決目前單套測(cè)控?zé)o備用的問題,需要雙套測(cè)控完全冗余,所以第2種設(shè)備接入方案不完全適用。

第3種方案為同時(shí)接入A,B套智能終端與合并單元,由測(cè)控裝置完成雙套冗余數(shù)據(jù)的選擇與切換,文獻(xiàn)[10]給出了該種方式下測(cè)控裝置的實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[11]介紹了雙套設(shè)備同時(shí)接入時(shí)數(shù)據(jù)處理的方案。該方案下分組式測(cè)控接入的過程層設(shè)備數(shù)量將會(huì)翻倍,接收的GOOSE和SV數(shù)量也將翻倍。根據(jù)第2節(jié)中對(duì)報(bào)文流量的分析,單塊過程層功能模件已不適合該模式,需要采用較為復(fù)雜的多過程層模件設(shè)計(jì)方式。

根據(jù)以上分析,本文中分組式測(cè)控過程層設(shè)備接入采用第1種方案,該方式也與目前測(cè)控接入方式相同。

3.2 運(yùn)行方式

文獻(xiàn)[4]中介紹了間隔測(cè)控雙重化情況下的組網(wǎng)及切換方案,分組式測(cè)控組網(wǎng)也可采用該方案。根據(jù)分組測(cè)控的配置及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),有2種相匹配的運(yùn)行方式。

1)并行冗余運(yùn)行

該運(yùn)行方式下A,B套測(cè)控同時(shí)采集智能終端與合并單元數(shù)據(jù),并同時(shí)上送后臺(tái)遠(yuǎn)動(dòng),互為冗余備用。后臺(tái)遠(yuǎn)動(dòng)根據(jù)一定算法確定選擇一套設(shè)備為當(dāng)前運(yùn)行主設(shè)備。正常運(yùn)行時(shí)采用主設(shè)備上送的采集數(shù)據(jù),遙控下行也選擇主設(shè)備作為遙控執(zhí)行端。

選擇主設(shè)備的方法類似目前跨雙網(wǎng)測(cè)控方式,即當(dāng)A,B套設(shè)備均正常運(yùn)行或均異常時(shí),選擇A套作為主設(shè)備,而當(dāng)A套異常,B套正常時(shí)選擇B套為主設(shè)備。而A套設(shè)備異常的判斷包括通信是否正常、是否處于檢修狀態(tài)、數(shù)據(jù)品質(zhì)是否正常等。

2)主備模式運(yùn)行

主備模式也是冷備用模式,即規(guī)定A套為主測(cè)控和B套為備用測(cè)控。正常運(yùn)行條件下運(yùn)行A套。當(dāng)A套故障或檢修等情況下,退出A套,投入B套備用測(cè)控。該方式下后臺(tái)無須進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)的處理及切換,任何情況下只有一套測(cè)控裝置投入運(yùn)行。

并行冗余方式的優(yōu)勢(shì)在于數(shù)據(jù)的無縫切換,不會(huì)丟失任何數(shù)據(jù),但缺點(diǎn)在于后臺(tái)系統(tǒng)需要同時(shí)接收雙套測(cè)控裝置的冗余信息,增加了處理難度。而主備模式,即冷備用模式無須增加后臺(tái)任何負(fù)擔(dān),但缺點(diǎn)在于主測(cè)控退出及備用測(cè)控投入時(shí)發(fā)生的事件信息的丟失。

4 分組式測(cè)控的應(yīng)用驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬搭建了雙主變的500 kV智能變電站監(jiān)控系統(tǒng),如圖8所示。采用雙套冗余系統(tǒng)架構(gòu),使用了4臺(tái)線路分組測(cè)控、6臺(tái)母線分組測(cè)控、6臺(tái)3/2串分組測(cè)控以及4臺(tái)主變分組測(cè)控,共20臺(tái)測(cè)控裝置。若按目前間隔測(cè)控配置方式,該接線方式下共需要12臺(tái)中壓線路測(cè)控、2臺(tái)中壓母線測(cè)控、4臺(tái)母聯(lián)分段測(cè)控、15臺(tái)3/2接線斷路器及出線間隔測(cè)控、2臺(tái)高壓母線測(cè)控以及4臺(tái)主變本體及中壓側(cè)測(cè)控,共計(jì)39臺(tái)測(cè)控裝置。

圖8 驗(yàn)證變電站接線圖Fig.8 Substation wiring diagram for verification

驗(yàn)證系統(tǒng)分別驗(yàn)證了并行冗余模式及主備模式兩種運(yùn)行方式,每種方式分別進(jìn)行了正常運(yùn)行時(shí)單個(gè)A套(或B套)分組測(cè)控、多個(gè)A套(或B套)分組測(cè)控故障退出及檢修情況下的系統(tǒng)運(yùn)行情況實(shí)驗(yàn)。正常情況下,各間隔測(cè)控功能正常,從后臺(tái)看集中式測(cè)控與單間隔測(cè)控?zé)o明顯區(qū)別。并行冗余方式下,當(dāng)單臺(tái)或多臺(tái)A套分組測(cè)控檢修或退出后,B套設(shè)備數(shù)據(jù)可以無縫銜接,A套退出判斷時(shí)間內(nèi)的信號(hào)數(shù)據(jù)可由B套歷史庫中補(bǔ)充,B套設(shè)備很好地起到了備用的作用;由于該方式下A套測(cè)控為主設(shè)備,因此當(dāng)單臺(tái)或多臺(tái)B套分組測(cè)控檢修或退出后間隔功能無影響。主備模式下當(dāng)單臺(tái)或多臺(tái)A套測(cè)控退出運(yùn)行后人工投入B套設(shè)備,此時(shí)間隔測(cè)控功能恢復(fù)。

在運(yùn)維方面,分組式測(cè)控的檢修與現(xiàn)有方式有所區(qū)別。二次設(shè)備檢修方面,對(duì)于智能終端與合并單元的檢修情況,由于信號(hào)自身帶有檢修品質(zhì),因此處理與現(xiàn)有情況相同。測(cè)控裝置自身檢修與現(xiàn)有情況稍有不同,由于測(cè)控采用雙套冗余配置,則當(dāng)單臺(tái)測(cè)控需要檢修時(shí),可由另一臺(tái)測(cè)控完成間隔功能,因此測(cè)控裝置的檢修將不再影響間隔測(cè)控功能。而單間隔檢修軟壓板投入功能也確保了某間隔終端裝置檢修時(shí)遙控命令的順利執(zhí)行。

參考文獻(xiàn)

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