智能變電站網(wǎng)絡(luò)分析與故障錄波一體化設(shè)計與實現(xiàn)

付國新，戴超金

（國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210003）

0 引言

自2008年數(shù)字化變電站試點到目前智能變電站逐步大面積推廣的整個過程中，故障錄波裝置和網(wǎng)絡(luò)分析裝置[1]都作為獨立的2個裝置進行設(shè)計、組屏，這2種裝置都要對全站報文進行采集，需要分配較多的交換機端口[2]。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障或報文異常引起繼電保護裝置動作時，很難將網(wǎng)絡(luò)報文數(shù)據(jù)和故障錄波數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)、綜合分析，智能變電站網(wǎng)絡(luò)分析與故障錄波系統(tǒng)將這2個裝置的功能進行整合設(shè)計[3]，很好地滿足了Q／GDW383—2009《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》和Q／GDW 441—2010《智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范》提出的“故障錄波裝置采用網(wǎng)絡(luò)方式接受SV報文和GOOSE報文時，故障錄波功能和網(wǎng)絡(luò)記錄分析功能可采用一體化設(shè)計”[4]的要求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)分析和故障錄波一體化設(shè)計有3個關(guān)鍵問題需要克服：

a.大容量數(shù)據(jù)采集與存儲，通常1個變電站有幾十個合并單元（MU），1個MU的每個采樣點平均采樣字節(jié)數(shù)為255 Byte，按4 kHz的采樣頻率，1個MU每秒有近1 MByte的數(shù)據(jù)量，這就要求系統(tǒng)具有很強的數(shù)據(jù)吞吐和處理能力，數(shù)據(jù)采集實時可靠，能通過高速通道把數(shù)據(jù)共享給故障錄波和網(wǎng)絡(luò)報文監(jiān)測記錄[5]；

b.故障錄波與報文記錄硬件上能獨立，2個模塊互不影響，1個出現(xiàn)故障時另外1個能正常運行；

c.故障錄波數(shù)據(jù)和報文記錄數(shù)據(jù)能關(guān)聯(lián)分析，2種數(shù)據(jù)能相互印證[6]。

智能變電站網(wǎng)絡(luò)分析與故障錄波系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由5個模塊組成：IEC61850報文采集、解析模塊，配以6個10 Mbit·s-1／100 Mbit·s-1／1 000 Mbit·s-1三速以太網(wǎng)接口，工作于混雜模式，可監(jiān)聽、接收網(wǎng)絡(luò)報文，對報文進行相應(yīng)處理；故障錄波模塊負責(zé)錄波啟動、波形記錄，完成故障錄波裝置的功能[7]；報文記錄、監(jiān)測模塊負責(zé)報文在線實時監(jiān)測和無損記錄，完成網(wǎng)絡(luò)報文監(jiān)測記錄裝置的功能[8]；高精度時鐘模塊為系統(tǒng)各個模塊提供精準絕對時標，該模塊已經(jīng)獲得專利（專利號為CN200920235205.2）；分析站負責(zé)裝置建模、各個模塊的配置與管理和故障、報文分析及對外通信。報文采集處理、故障啟動錄波、報文監(jiān)測記錄均采用獨立CPU進行處理，保證了網(wǎng)絡(luò)報文記錄監(jiān)測和故障錄波在硬件系統(tǒng)上的獨立性；報文采集和錄波數(shù)據(jù)的同步處理采用同一網(wǎng)口的數(shù)據(jù)源，使用同一時標，在關(guān)聯(lián)分析中可以通過同一時刻點將錄波數(shù)據(jù)與報文數(shù)據(jù)對齊分析[9]。報文采集處理模塊和報文記錄模塊間采用PCI-E高速總線，能夠提供5 GByte／s的帶寬。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計

2.1 報文采集、解析模塊

報文采集、解析模塊是一體化設(shè)計中的關(guān)鍵部分。模塊示意圖見圖2，其采用Altera CycloneⅣFPGA進行處理，運用成熟的Triple-Speed Ethernet MegaCore IP 核，可內(nèi)嵌 8 個 10Mbit·s-1／100Mbit·s-1／1 000 Mbit·s-1介質(zhì)訪問控制層（MAC）控制器，所有MAC控制器獨立并行工作，通過以太網(wǎng)嗅探技術(shù)[10]捕獲網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，再通過FPGA內(nèi)部直接內(nèi)存存取 DMA（Direct Memory Access）通道，及時把數(shù)據(jù)傳給報文組裝模塊和報文解析模塊。時鐘接收模塊通過高速串行總線接收時標；報文組裝模塊負責(zé)收到報文后立即從時標緩存區(qū)中讀取當(dāng)前時標，給報文打上時間印章，這個時標和GPS同步，精確到20 ns，結(jié)合時標和SV報文中的采樣計數(shù)器，可精確測出數(shù)據(jù)從采集到傳輸?shù)难訒r。為了降低IEC61850報文檢測、記錄模塊的中斷響應(yīng)頻率，報文組裝模塊將小包組成大包再通過PCI-E傳給報文檢測、記錄模塊。報文解析模塊按照采樣計數(shù)器同步或者插值同步方式將所有MU數(shù)據(jù)進行同步[11]，再根據(jù)錄波通道配置，從SV報文和GOOSE報文中提取出錄波模擬量和開關(guān)量，經(jīng)提取后的數(shù)據(jù)量相對于原始報文數(shù)據(jù)量小了很多，最后通過千兆以太網(wǎng)傳給故障錄波模塊。報文組裝模塊和報文解析模塊運用Verilong HDL模塊化硬件描述語言編程[12]，真正實現(xiàn)軟件功能硬件化，2個模塊并行運行，具有很強的實時性。在FPGA中嵌入NIOS處理器主要是為了解析XML文件，配置整個模塊。

圖2 報文采集、解析模塊Fig.2 Message collection and analysis module

2.2 報文監(jiān)測、記錄模塊

報文監(jiān)測、記錄模塊主要負責(zé)實時、連續(xù)、無損記錄各通信實體（監(jiān)控、保護／測控裝置、智能終端等）間交互的信息以及交互過程，包括鏈路層及以上的全部通信協(xié)議，對整個通信網(wǎng)絡(luò)、各個通信連接、特定通信報文，特定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、特定交換機及端口等各個網(wǎng)絡(luò)層次的網(wǎng)絡(luò)流量和報文信息進行統(tǒng)計。該模塊除完成記錄外，還具備變電站網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)的在線實時監(jiān)測和狀態(tài)評估功能，依據(jù)IEC61850監(jiān)測各種報文是否出現(xiàn)異常，對SV報文錯誤／丟包／錯序／重復(fù)、模型符合性判斷、SV失步程度判斷、GOOSE報文符合性判斷、GOOSE中斷判斷均進行實時預(yù)警。該模塊配置4個500 GByte SATA接口的硬盤，滿足海量數(shù)據(jù)長時間存儲的需求。

2.3 故障錄波模塊

實現(xiàn)智能變電站故障錄波的全部功能[13]，負責(zé)錄波啟動（包括模擬啟動和開關(guān)量啟動）和波形記錄。錄波啟動按 DL／T663—1999《220～500 kV 電力系統(tǒng)故障動態(tài)記錄裝置檢驗測試要求》中的要求提供各項啟動：任何一路交流通道突變啟動，且能在1 ms內(nèi)判斷出突變啟動；任何一路交流電流過量啟動；任何一條線路負序過流啟動及電流變差振蕩判別啟動；任何一組電壓高頻、低頻啟動，正序過壓、欠壓啟動；波形記錄按照 DL／T553—94《220～500 kV 電力系統(tǒng)故障動態(tài)記錄技術(shù)準則》和 DL／T663—1999《220～500 kV電力系統(tǒng)故障動態(tài)記錄裝置檢驗測試要求》中的采樣及記錄方式要求形成故障波形文件[14]。

2.4 高精度時鐘模塊

負責(zé)維護20 ns分辨率的高精度時鐘系統(tǒng)，提供脈沖對時、B碼對時、1588對時3種對時方式和GPS進行同步，該模塊通過高速串行總線，可以同時給多個CPU提供時標。

2.5 分析站模塊

分析站主要負責(zé)分析變電站網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)和電力系統(tǒng)故障，提供各種可視化分析工具，輔助維護人員排查網(wǎng)絡(luò)故障和電力系統(tǒng)故障，包含在線監(jiān)測、離線分析、建模和配置、對外通信四大模塊。

a.在線監(jiān)測模塊實時顯示各種監(jiān)測信息，包括GOOSE報文監(jiān)測、SV報文監(jiān)測、故障錄波在線監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測。GOOSE報文監(jiān)測按照GOOSE正常發(fā)布周期（見表1）和GOOSE發(fā)布錯誤原則（見表2）進行監(jiān)測，包括GOOSE報文發(fā)布異常檢查；SV報文監(jiān)測包括MU間同步偏差監(jiān)測及失步告警、監(jiān)測報文丟點／錯序／倒序／重復(fù)、SV報文格式錯誤和模型符合性判斷；故障錄波在線監(jiān)視包括波形慢掃描、開關(guān)量狀態(tài)監(jiān)視、模擬量向量監(jiān)視；網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測包括流量突增、突減和出現(xiàn)異常報文。

表1 GOOSE報文正常發(fā)布周期Tab.1 Normal release period of GOOSE message

表2 GOOSE報文發(fā)布錯誤Tab.2 Release fault of GOOSE message

b.離線分析模塊如圖3所示。對SV、GOOSE、MMS報文進行詳細分析，電力系統(tǒng)故障測距及故障分析，并將故障波形和網(wǎng)絡(luò)報文進行點對點關(guān)聯(lián)，從故障波形里任意時刻的采樣點迅速定位到該時刻的SV報文，從任意時刻的SV報文能迅速找到對應(yīng)的故障波形里的采樣點，并實現(xiàn)圖形化分析，該功能在網(wǎng)絡(luò)記錄分析和故障錄波獨立設(shè)計下很難實現(xiàn)[15]。

圖3 離線分析模塊Fig.3 Offline analysis module

c.裝置建模和配置模塊配置管理各個模塊，修改測距參數(shù)和啟動定值等。

d.對外通信模塊負責(zé)與站控層設(shè)備通信，主要提供以下服務(wù)：IEC61850文件服務(wù)，傳輸故障錄波文件、報文記錄文件、故障錄波簡報和報文分析簡報；IEC61850定值組控制塊服務(wù)，實現(xiàn)定值查看、修改、投退；IEC61850報告服務(wù)，傳輸故障裝置故障信號和故障錄波啟動信號；IEC61850控制服務(wù)，實現(xiàn)遠方啟動錄波和復(fù)歸錄波告警信號。

2.6 硬件平臺及軟件平臺構(gòu)成

系統(tǒng)采用嵌入式、32位雙核處理器MPC8379，其e300c4內(nèi)核CPU主頻工作在800 MHz，自帶有4個串行高級技術(shù)附件（SATA）控制器，支持3 Gbit／s（第 1代 SATA）和 6 bit／s（第 2代 SATA 和 eSATA），自帶2個千兆以太網(wǎng)接口，具有很強的通信處理能力和數(shù)據(jù)存儲能力。軟件平臺采用嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)vxWorks。

3 工程應(yīng)用實例

在500 kV桂林智能變電站的聯(lián)調(diào)及試運行中，網(wǎng)絡(luò)分析與故障錄波一體化裝置按圖4接入，過程層采用SV組網(wǎng)和GOOSE共網(wǎng)模式，以1個間隔為例，分別采用網(wǎng)絡(luò)記錄分析與故障錄波分析獨立設(shè)計（方案a）和一體化（方案b）設(shè)計，2種方案對比如表3所示。

圖4 500 kV桂林變一體化裝置接入圖Fig.4 Connection diagram of integrated device in 500 kV Guilin station

表3 獨立設(shè)計和一體化設(shè)計對比Tab.3 Comparison between independent design and integrated design

通過比較可以看出，將網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析功能與故障錄波功能進行一體化設(shè)計顯示出巨大的優(yōu)勢，在聯(lián)調(diào)和試運行中，通過網(wǎng)絡(luò)分析與故障錄波系統(tǒng)進行了如下試驗。

a.SV報文傳輸延時及SV離散度測試。裝置在接收每幀SV報文時打上與GPS同步的高分辨率絕對時間Tc，在采樣計數(shù)器為零時，絕對時標應(yīng)為整秒To，網(wǎng)絡(luò)延時；另外分析每幀的絕對時間，就可分析出SV報文傳輸?shù)木鶆虺潭?，即離散度。

b.SV丟點試驗，試驗中某個MU丟失5個采樣點，此時錄波啟動進行波形記錄，而一次系統(tǒng)的電壓連續(xù)，沒有出現(xiàn)間斷，將錄波啟動時刻的SV報文和錄波波形關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)SV丟失5個采樣點，導(dǎo)致錄波在同步數(shù)據(jù)時找不到這幾個點，并非一次系統(tǒng)電壓間斷導(dǎo)致的錄波啟動，這樣很方便地分析出是一次系統(tǒng)故障還是網(wǎng)絡(luò)報文異常[16]。

c.故障錄波波形和網(wǎng)絡(luò)報文關(guān)聯(lián)分析。

4 結(jié)語

智能變電站網(wǎng)絡(luò)分析與故障錄波一體化系統(tǒng)集傳統(tǒng)故障錄波與新興網(wǎng)絡(luò)分析2種技術(shù)于一體，優(yōu)化了二次設(shè)備，適應(yīng)了未來智能變電站發(fā)展趨勢。該系統(tǒng)2011年上半年在500 kV桂林變、110 kV淮安變、110 kV白午變?nèi)〉昧肆己玫倪\行效果。