朱華，劉柱揆，許守東，張可，胡凡君，胡永承

（1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司大理供電局，云南 大理 671099；3. 南京智匯電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211100）

0 前言

智能變電站是推進(jìn)我國(guó)電網(wǎng)智能化建設(shè)的重要一環(huán)，對(duì)電網(wǎng)的發(fā)、輸、變、配等環(huán)節(jié)起到重要的支撐作用，其中網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是該領(lǐng)域內(nèi)的重要技術(shù)之一[1]。目前我國(guó)智能變電站通信部分建設(shè)的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)通常是利用工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)進(jìn)行組網(wǎng)，該過(guò)程所需要用到的工業(yè)交換機(jī)成本相當(dāng)昂貴，使得智能電網(wǎng)的建設(shè)成本急劇攀升。現(xiàn)階段一般利用EPON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)替代工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)智能變電站的信息傳遞。

變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)是為確保變電站系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)，第一時(shí)間隔離故障設(shè)備，維持變電站的穩(wěn)定運(yùn)行。其中對(duì)繼電保護(hù)測(cè)試技術(shù)的研究是提升變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的重要途徑[2-4]。

采用EPON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)雖然能很好地滿足智能變電站的通信需求，并且減少建設(shè)成本，但也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的繼電保護(hù)造成安全性、可靠性、實(shí)時(shí)性等問(wèn)題，同時(shí)也容易導(dǎo)致變電站繼電保護(hù)產(chǎn)生拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)[5-7]。所以研究如何解決這些問(wèn)題極為必要。

1 問(wèn)題分析

現(xiàn)階段變電站常用的數(shù)字繼電保護(hù)測(cè)試儀通常基于單個(gè)保護(hù)測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試儀器，測(cè)試時(shí)可對(duì)保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、智能終端進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試。通過(guò)大量的調(diào)研分析，現(xiàn)將目前的數(shù)字繼電保護(hù)測(cè)試儀所存在問(wèn)題總結(jié)如下：

1）現(xiàn)有的智能變電站數(shù)字繼電保護(hù)測(cè)試儀不能實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、智能終端的通信一致性進(jìn)行檢查；

2）現(xiàn)有的數(shù)字繼電保護(hù)測(cè)試儀不能實(shí)現(xiàn)智能化，即每一種測(cè)試類型的設(shè)置都需經(jīng)過(guò)調(diào)試人員的計(jì)算并手動(dòng)輸入到測(cè)試儀；

3）現(xiàn)有的數(shù)字繼電保護(hù)測(cè)試儀不能實(shí)現(xiàn)在試驗(yàn)過(guò)程中自動(dòng)讀取保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、智能終端的定值，即每一種測(cè)試類型的定值設(shè)置都需經(jīng)過(guò)調(diào)試人員的察看保護(hù)裝置的定值參數(shù)并手動(dòng)輸入到測(cè)試儀中；

4）現(xiàn)有的數(shù)字繼電保護(hù)測(cè)試儀不能檢測(cè)基于EPON網(wǎng)絡(luò)通信的繼電保護(hù)設(shè)備。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文研究設(shè)計(jì)了一種基于EPON網(wǎng)絡(luò)的智能變電站繼電保護(hù)測(cè)試技術(shù)來(lái)滿足基于EPON網(wǎng)絡(luò)的智能變電站發(fā)展建設(shè)的需要。

2 技術(shù)與功能

本文所研究的基于EPON網(wǎng)絡(luò)的智能變電站繼電保護(hù)測(cè)試儀可對(duì)智能變電站的保護(hù)裝置、測(cè)試裝置、智能終端進(jìn)行測(cè)試，并且可以通過(guò)導(dǎo)入全站SCD模型文件針對(duì)智能變電站的保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、智能終端三者進(jìn)行自動(dòng)設(shè)定測(cè)試方案并模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況與故障，輸出符合智能變電站的規(guī)約或模擬報(bào)文錯(cuò)誤，從而達(dá)到對(duì)保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、智能終端的通信一致性和可靠性進(jìn)行檢查的目的。該測(cè)試所采用的主要技術(shù)如下：

1）EPON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)可支持以太網(wǎng)類的多種業(yè)務(wù)傳輸，實(shí)現(xiàn)信息在無(wú)源光纖上的點(diǎn)到點(diǎn)傳輸。相較于傳統(tǒng)技術(shù)而言，其覆蓋范圍更廣、造價(jià)更為低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的自動(dòng)讀取以及通信一致性等功能；

2）新型數(shù)字繼電保護(hù)測(cè)試儀，包括中央處理單元、對(duì)時(shí)單元、光輸入輸出單元等，能夠?qū)崿F(xiàn)上行數(shù)據(jù)的收集以及下行數(shù)據(jù)的分發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能變電站的保護(hù)裝置、測(cè)控裝置以及智能終端的自動(dòng)化測(cè)試。

3 EPON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

智能變電站采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，通過(guò)架構(gòu)分層完成智能變電站內(nèi)各智能設(shè)備間的信息共享與互操作，這就對(duì)變電站的通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求?，F(xiàn)階段，我國(guó)變電站通信網(wǎng)絡(luò)仍經(jīng)由數(shù)字微波和光纖進(jìn)行傳播為主，同時(shí)也有電力線載波以及衛(wèi)星通訊等多種類型的輔助通信方式。為了實(shí)現(xiàn)變電站的智能化升級(jí)，同時(shí)伴隨著光通信技術(shù)的進(jìn)步，EPON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也逐步開(kāi)始運(yùn)用到智能變電站的建設(shè)當(dāng)中。

EPON網(wǎng)絡(luò)主要由光線路終端(OLT)、光配線網(wǎng)絡(luò)(ODN)、光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)組成，形成單纖雙向系統(tǒng)。其中，光纖、無(wú)源光分路器（或連接器）組成ODN，ODN在ONU與OLT之間構(gòu)建起光通道，起到收集上行數(shù)據(jù)、分發(fā)下行數(shù)據(jù)的功能，此外還具有波長(zhǎng)復(fù)用和分配光信號(hào)功率的作用。EPON網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳輸是通過(guò)波分復(fù)用技術(shù)對(duì)雙向信號(hào)的傳輸進(jìn)行處理，上行數(shù)據(jù)可由不同的ONU處通過(guò)時(shí)分復(fù)用的方式聚集到中心局端處的OLT，而下行數(shù)據(jù)則是通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的類型廣播方式又沿著OLT傳輸?shù)饺康腛NU上[8]。EPON的網(wǎng)絡(luò)組成以及其各部分間的信息傳遞的示意圖如下所示：

圖1 EPON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

總體而言，EPON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的信號(hào)傳輸方式更加科學(xué)合理化，并且其動(dòng)態(tài)帶寬分配、補(bǔ)償測(cè)距、自動(dòng)發(fā)現(xiàn)技術(shù)、基于時(shí)分復(fù)用的同步技術(shù)、光纖保護(hù)倒換、物理層的加解密等特點(diǎn)也使得其相較于傳統(tǒng)通信技術(shù)而言，具有更大的優(yōu)勢(shì)。

4 數(shù)字測(cè)試儀的組成及功能

基于EPON網(wǎng)絡(luò)的智能變電站數(shù)字繼電保護(hù)測(cè)試儀的主要組成部分包括中央處理單元以及分別與其連接的對(duì)時(shí)單元、EPON輸出/輸入單元等三個(gè)部分。其連接框圖如圖2所示。

圖2 新型數(shù)字測(cè)試儀的連接框圖

1）中央處理單元，包括ADSP、FPGA兩個(gè)子處理模塊。其中ADSP子模塊包括BF518處理器，是作為主控CPU，用于與工控機(jī)的通訊和EPON無(wú)源光數(shù)字部分輸入輸出；而FPGA子模塊包括XC3S500E，用于與CPU同步及通訊、對(duì)時(shí)；中央處理單元將控制與通訊分開(kāi)處理實(shí)時(shí)性可達(dá)30 ns。

2）對(duì)時(shí)單元，包括GPS模塊、IRIG-B碼對(duì)時(shí)模塊和IEEE1588對(duì)時(shí)模塊。GPS模塊和IEEE1588對(duì)時(shí)模塊分別與ADSP子模塊中的BF518處理器連接；GPS模塊、IRIG-B碼對(duì)時(shí)模塊和IEEE1588對(duì)時(shí)模塊均與FPGA子模塊連接。該單元主要用于矯正測(cè)試儀器的絕對(duì)時(shí)刻，完成同步的時(shí)間測(cè)試，保證在絕對(duì)的相同時(shí)間完成測(cè)試。

3）光輸出/輸入單元，包括FTLF1217 P2xTL模塊，用于以太網(wǎng)電信號(hào)產(chǎn)生EPON無(wú)源光模塊輸出的以太網(wǎng)EPON無(wú)源光信息。該單元提供針對(duì)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的9-1、9-2、9-1擴(kuò)展和GOOSE信息，完整解析保護(hù)模型文件，實(shí)現(xiàn)電流電壓通道選擇、比例系數(shù)、ASDU數(shù)目、采樣率、GOOSE信息的配置，可靈活方便地與不同型號(hào)保護(hù)接口。

5 新型數(shù)字測(cè)試儀流程及連接方式

該新型數(shù)字測(cè)試儀在使用時(shí)，對(duì)時(shí)模塊矯正測(cè)試儀器的絕對(duì)時(shí)刻并完成同步的時(shí)間測(cè)試，中央處理單進(jìn)行解析、處理；EPON無(wú)源光輸出/輸入單元用于以太網(wǎng)電信號(hào)產(chǎn)生EPON光模塊輸出的以太網(wǎng)無(wú)源光信息，中央處理單元再進(jìn)行處理、判斷。測(cè)試裝置的各單元連接關(guān)系如圖3所示。

圖3 測(cè)試裝置的各單元連接

EPON無(wú)源光輸出/輸入單元與外部單元之間的連接采用SC接口，減小了接口面積，可以縮小到普通接口面積的1/3。中央處理單元與EPON無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)單元之間通過(guò)MII數(shù)據(jù)總線連接。GPS模塊通過(guò)串口通訊與BF518連接。IEEE1588對(duì)時(shí)模塊通過(guò)以太網(wǎng)與BF518連接，BF518獲取時(shí)間信息。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)梳理目前智能變電站繼電保護(hù)數(shù)字測(cè)試儀的使用現(xiàn)狀，針對(duì)其一些痛點(diǎn)問(wèn)題，提出了一種基于EPON網(wǎng)絡(luò)的智能變電站繼電保護(hù)測(cè)試技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款新型繼電保護(hù)數(shù)字測(cè)試儀器，并對(duì)其內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，從而有效地解決了目前變電站繼電保護(hù)測(cè)試不能實(shí)現(xiàn)各單元間地通信一致性、自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)以及手工作業(yè)量過(guò)大導(dǎo)致效率低下等問(wèn)題。一方面實(shí)現(xiàn)了智能變電站繼電保護(hù)測(cè)試的智能化管理，另一方面也改變了變電站的傳統(tǒng)通信現(xiàn)狀，極大地提高了智能變電站的通信能力，減少了變電站的建設(shè)成本。

由于智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的復(fù)雜性和繁瑣性，在實(shí)際的繼電保護(hù)測(cè)試過(guò)程中，仍會(huì)碰到各種其他問(wèn)題，比如采用EPON網(wǎng)絡(luò)所造成的安全性、實(shí)時(shí)性以及可靠性的問(wèn)題，可能隨著測(cè)試設(shè)備的精度提高而需要繼續(xù)加以優(yōu)化與提升。