智能變電站數(shù)字化錄波裝置硬件結(jié)構(gòu)研究

王利群 黃丹丹

(1.成都電業(yè)局安全監(jiān)察保衛(wèi)部，成都 610061；2.成都電業(yè)局繼電保護(hù)所，成都610021)

數(shù)字化錄波裝置是伴隨著變電站自動(dòng)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)而產(chǎn)生的，是數(shù)字化變電站的產(chǎn)物。數(shù)字化變電站在邏輯結(jié)構(gòu)上分為3個(gè)層次，根據(jù)變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)協(xié)議的定義，3個(gè)層次分別稱為過程層、間隔層、變電站層，3個(gè)層次的關(guān)系如圖1所示。

圖1 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)接口模型

合并單元和數(shù)字錄波裝置分別處于數(shù)字化變電站的過程層與間隔層。過程層是一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合面，主要完成開關(guān)量輸入/輸出，模擬量采集和控制命令發(fā)送等與一次設(shè)備相關(guān)的功能。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)要求過程層的電子式互感器將一次側(cè)的電壓、電流等模擬量直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送至間隔層；數(shù)字式執(zhí)行器能執(zhí)行由通信網(wǎng)絡(luò)傳送的命令。間隔層設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)控制和保護(hù)功能，并實(shí)現(xiàn)相關(guān)的控制閉鎖和間隔級(jí)信息的人機(jī)交互功能，間隔層設(shè)備可通過間隔層通信實(shí)現(xiàn)設(shè)備間相互對(duì)話機(jī)制。變電站層完成對(duì)站內(nèi)間隔層設(shè)備、一次設(shè)備的控制及與遠(yuǎn)方控制中心、工程師站及人機(jī)界面通信的功能。

適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化變電站已成為變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展方向。在過程層、間隔層及站控層上，按照IEC61850《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)部以及變電站與集控站間的信息共享和互操作。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多個(gè)數(shù)字化變電站投入運(yùn)行或開工建設(shè)，做為數(shù)字化變電站核心技術(shù)的光電電壓互感器和光電電流互感器陸續(xù)開始運(yùn)行，高速網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已經(jīng)逐漸為國(guó)內(nèi)主流二次設(shè)備廠家成熟掌握。過程層的合并單元，間隔層的二次保護(hù)、測(cè)量、控制單元，站控層的后臺(tái)軟件也日益開發(fā)完善。

傳統(tǒng)的電力故障錄波裝置對(duì)模擬量和開關(guān)量的采集需要通過硬電纜接入裝置，當(dāng)系統(tǒng)需要擴(kuò)容或需要改變采集的對(duì)象時(shí)往往很不靈活。而數(shù)字化變電站遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，一次設(shè)備電纜被數(shù)字光纖取代，即模擬量和開關(guān)量已經(jīng)網(wǎng)絡(luò)化；數(shù)字化變電站實(shí)現(xiàn)了過程層設(shè)備數(shù)字化，間隔層設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，因此涌現(xiàn)出了數(shù)字化錄波裝置，它能滿足數(shù)字化變電站對(duì)錄波裝置提出的要求，是數(shù)字化變電站和錄波裝置不斷發(fā)展的共同產(chǎn)物。

為了更好的理解數(shù)字化錄波裝置的重要作用，先給出數(shù)字錄波裝置在智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的位置，如下圖2所示。

圖2 數(shù)字錄波裝置在智能變電站中的位置

一、數(shù)字錄波裝置硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)字故障錄波裝置的硬件系統(tǒng)比傳統(tǒng)的故障錄波裝置要相對(duì)簡(jiǎn)單。因?yàn)椴辉傩枰杉蛿?shù)據(jù)變換，二次設(shè)備與設(shè)備之間通過高速通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交互，為變電站全站錄波帶來了極大的方便，節(jié)省了大量二次互感器電纜的投資。結(jié)合數(shù)字化變電站數(shù)據(jù)采集對(duì)象，硬件系統(tǒng)由故障記錄模塊和故障數(shù)據(jù)分析模塊組成，總體框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 錄波裝置硬件基本結(jié)構(gòu)

（1）故障通信記錄模塊硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)字錄波裝置的故障通信記錄模塊是整個(gè)裝置的核心，其硬件結(jié)構(gòu)如下圖4所示，它將接收和解析由合并單元發(fā)送來的IEC61850-9-2報(bào)文和由保護(hù)控制單元的面向通用對(duì)象的變電站事件（GOOSE）報(bào)文，分別提取采樣值數(shù)據(jù)和開關(guān)量數(shù)據(jù)；在故障通信記錄模塊具有數(shù)據(jù)同步、故障錄波啟動(dòng)判別、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)通信功能。

圖4 錄波裝置故障通信記錄模塊硬件框圖

故障通信記錄模塊主要由錄波分析主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器、打印機(jī)、液晶顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等組成。錄波分析主機(jī)中包含千兆光纖采集卡、高性能嵌入式CPU板卡等。

LAN1主要采集模擬量數(shù)據(jù)；LAN2主要采集開關(guān)量數(shù)據(jù)；LAN3主要完成時(shí)鐘對(duì)時(shí)；LAN4主要完成與其他監(jiān)控管理系統(tǒng)的通信；LAN5主要完成NAS網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器(Network Attached Storage)的交互。

（2）故障數(shù)據(jù)分析模塊硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)字錄波裝置的故障數(shù)據(jù)分析模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。它主要完成故障啟動(dòng)定值交互管理，故障數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，故障錄波波形分析及數(shù)據(jù)通信等功能。這里的數(shù)據(jù)通信與故障記錄通信模塊中數(shù)據(jù)通信呼應(yīng)，可利用以太網(wǎng)通信技術(shù)完成。

圖5 故障數(shù)據(jù)分析單元模塊結(jié)構(gòu)

圖6 處理器與整個(gè)裝置硬件關(guān)聯(lián)圖

二、數(shù)字錄波裝置CPU的選擇

本文裝置通信記錄模塊選用的Power－PC8270處理器芯片為摩托羅拉的一款基于基于摩托羅拉MPC82xx處理器的嵌入式開發(fā)平臺(tái)，MPC82xx集成PowerPC處理器適用于那些對(duì)成本、空間、功耗和性能都有很高要求的應(yīng)用領(lǐng)域，能完全滿足數(shù)字錄波各方面的需求。選用該芯片的原因有以下幾點(diǎn)：

（1）該芯片價(jià)格較低，目前市場(chǎng)價(jià)格每片只有兩千多元，而且存貨充足。

（2）該器件有較高的集成度，降低了功耗和加快了開發(fā)調(diào)試時(shí)間。這種低成本多用途的集成處理器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使用PCI接口的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、電訊和其它嵌入式應(yīng)用。它可用于路由器、接線器、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)應(yīng)用和圖像顯示系統(tǒng)。

（3）具有700MHz主頻的浮點(diǎn)DSP處理能力，可配置3個(gè)10Mbit/s或100Mbit/s自適應(yīng)以太網(wǎng)口，2個(gè)10Mbit/s以太網(wǎng)口。

（4）使用ARM芯片的HPI接口，可以訪問內(nèi)部的雙口RAM，從而實(shí)現(xiàn)芯片間快速、有效互聯(lián)。

DSP的快速數(shù)據(jù)計(jì)算能力，再加上ARM的通信能力保證了數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性，也提高了系統(tǒng)的易操作、可擴(kuò)展性。為實(shí)現(xiàn)數(shù)字錄波提供了良好的實(shí)用平臺(tái)。下面給出Power－PC8270處理器與整個(gè)錄波裝置的硬件關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖6。

SDRAM為同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器；CPLD為復(fù)雜可編程邏輯器件

PowerPC嵌入式處理器具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信能力和數(shù)據(jù)處理能力，豐富的外圍設(shè)備接口，伸縮性強(qiáng)，使用靈活，能很好的滿足錄波裝置要通信能力強(qiáng)的要求。

故障數(shù)據(jù)分析單元采用嵌入式Intel Pentium II處理器結(jié)構(gòu)，處理器主要完成故障啟動(dòng)定值交互管理，故障錄波波形分析以及與故障通信記錄模塊通信上的交互。

三、結(jié)論

數(shù)字化故障錄波裝置是以后錄波裝置研究的熱點(diǎn)，本文研究的智能變電站數(shù)字錄波裝置滿足數(shù)字化變電站發(fā)展要求，適應(yīng)未來智能電網(wǎng)的需要，雖然所作的工作只是整個(gè)錄波裝置研制的一些前瞻性工作，具仍有一定的工程參考價(jià)值。

[1]梁合慶.變電站綜合自動(dòng)化中的故障錄波裝置 [A].變電站綜合自動(dòng)化研討會(huì)論文集[C]，南京：電力自動(dòng)化研究院，1995,201-202

[2]陳昊琳.數(shù)字化分布故障錄波裝置關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].哈爾濱工業(yè),2009.06

[3]梁煜.故障錄波信息系統(tǒng)的構(gòu)建與實(shí)際應(yīng)用[D].華南理工大學(xué)碩士,2009.12