新一代智能變電站采控裝置

李肖博，于楊，姚浩，習(xí)偉，蔡田田

(南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東 廣州 510640)

0 引言

隨著合并單元、智能終端等大量應(yīng)用，智能變電站建設(shè)規(guī)模逐年擴(kuò)大[1-4]。在智能變電站中，合并單元和智能終端是非常重要的設(shè)備，但是這類設(shè)備在安全、可靠、穩(wěn)定性等方面不夠成熟[5-6]。

目前，大量智能變電站采用“智能終端+合并單元”過程層設(shè)備[7-11]，合并單元和智能終端按照間隔配置，其性能好壞關(guān)系著智能變電站的可靠性。目前設(shè)備故障率比常規(guī)保護(hù)的故障率要高的多，甚至達(dá)到2倍以上。由于單一設(shè)備故障可能造成多套保護(hù)不正確動作[12-13]。造成高故障率的原因為合并單元及智能終端的報文一般為一幀報文，且在處理這些報文時均通過單核中央處理器，一旦單核中央處理器出現(xiàn)異常往往會導(dǎo)致誤動[14-15]。2015年中國南方電網(wǎng)有限公司為提升過程層設(shè)備的可靠性，發(fā)布了《關(guān)于印發(fā)防止變電站全停十六項措施（試行）的通知》，規(guī)定“智能變電站采用常規(guī)互感器時，應(yīng)通過二次電纜直接接入保護(hù)裝置”，該規(guī)定有利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，防止變電站全站停電[16-17]。同時國家電網(wǎng)有限公司發(fā)布《IEC 61850 工程繼電保護(hù)應(yīng)用模型》標(biāo)準(zhǔn)，避免了因各制造廠商數(shù)據(jù)類型不統(tǒng)一導(dǎo)致的數(shù)據(jù)類型沖突問題[18]。

上述工作在一定程度上緩解了智能變電站的突出問題，但從根本上解決問題還需要更深層次的探索，需要從裝置軟硬件、整站方案、運(yùn)維模式等方面做開創(chuàng)性思考[19-20]。早年通用電氣公司推出了符合IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的變電站過程層總線解決方案，該方案通過光纖與保護(hù)控制裝置進(jìn)行了數(shù)據(jù)交換[19]。方案中采控裝置作為過程層設(shè)備，遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，為數(shù)字化變電站間隔層、站控層設(shè)備提供電壓、電流信號、刀閘等狀態(tài)量信息以及完成相應(yīng)控制執(zhí)行操作[20-27]。一旦采控裝置運(yùn)行異常，誤動或拒動都會造成嚴(yán)重事故，嚴(yán)重時會造成全變電站失電。本文立足于提高繼電保護(hù)的可靠性和降低電網(wǎng)設(shè)備故障率，提出一種高可靠芯片智能采控裝置平臺的整體架構(gòu)和設(shè)計原則，并闡述相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 智能采控裝置運(yùn)行方式

智能采控裝置包含合并單元部分和智能終端部分。合并單元部分采集現(xiàn)場的電壓和電流信號，發(fā)送采樣值（SV）報文給保護(hù)裝置。智能終端部分采集現(xiàn)場的斷路器位置、刀閘位置、遙信信號等信號，控制斷路器和刀閘分合狀態(tài)。智能采控裝置根據(jù)現(xiàn)場的運(yùn)行環(huán)境有3種運(yùn)行方式。

（1）全數(shù)字化方式。通過光纖傳輸將采集到的電壓和電流量數(shù)字量送給采控裝置，采控裝置將收集到各光纖通道的電壓、電流進(jìn)行重采樣后，把所有的采集量轉(zhuǎn)化到同一時間斷面發(fā)送給保護(hù)裝置，保護(hù)裝置收到SV報文后，進(jìn)行保護(hù)邏輯判斷。

（2）就地數(shù)字化方式。采集執(zhí)行單元配置電流互感器（CT）和電壓互感器（PT）連接一次側(cè)CT、PT，并對信號進(jìn)行濾波，然后完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得離散數(shù)字信號，時間對齊處理后組成SV報文通過交換機(jī)發(fā)送給保護(hù)裝置。

（3）常規(guī)采樣面向通用對象的變電站事件（GOOSE）跳閘。保護(hù)裝置直接采集現(xiàn)場的一次CT和PT的信號，進(jìn)行保護(hù)邏輯判斷，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，通過GOOSE報文向采控裝置發(fā)出跳合閘信號，采控裝置收到跳合閘命令并確認(rèn)無誤后進(jìn)行開關(guān)分合操作。

2 采控裝置硬件設(shè)計

智能采控裝置采集電壓、電流信號，通過SV報文上送給保護(hù)裝置。采集斷路器位置信號以及其他必要的開關(guān)量，通過GOOSE報文給保護(hù)裝置。保護(hù)裝置與采控裝置之間僅采用一根光纖連接，減少光纜數(shù)量以及二次回路的復(fù)雜性。為了提高可靠性，采控裝置由中央處理器（CPU）插件、交流插件、開入插件、開出插件、直流插件、智能開入開出插件、跳閘插件、合閘插件和電源插件組成。

2.1 CPU芯片

CPU 選用 Xilinx公司的 ZYNQ XC7 Z015芯片，該芯片采用28 nm先進(jìn)工藝，集成豐富的外設(shè)，核心處理器為2個Cortex-A9 內(nèi)核，同時集成了可編程邏輯陣列和部分常用外設(shè)，性能強(qiáng)大，可靠性高。與過去采用嵌入式處理器不同，其不僅能在開機(jī)時啟動并獨(dú)立運(yùn)行，還可根據(jù)需要配置可編程邏輯，采用以處理器為中心的開發(fā)流程。

2.2 電源芯片

根據(jù)CPU芯片及單板上其他外設(shè)的電源需求，選定Linear半導(dǎo)體公司的多路合一DC/DC電源芯片LTC3374 A。該芯片具有8通道輸出，每個通道相互獨(dú)立。通道額定電流為1 A。通道間可任意組合得到更大功率的輸出，最高輸出到達(dá)4 A。通道可實現(xiàn)各種組合的上電時序控制。單板設(shè)計時，根據(jù)板件需要獨(dú)立采用DC/DC芯片進(jìn)行2次變壓，產(chǎn)生板件自身所需要的各種電壓。

2.3 以太網(wǎng)芯片

以太網(wǎng)芯片是智能采控裝置的關(guān)鍵芯片之一，其性能好壞影響整個變電站的穩(wěn)定性。CPU插件和Master插件需要配置多個以太網(wǎng)接口，如選用單口以太網(wǎng)的芯片不但會占用較大面積，而且需要大量的數(shù)據(jù)線與以太網(wǎng)接口，給FPGA造成很大負(fù)擔(dān)，而且會增加單板功耗。基于以上原因，選型MARVELL公司的8口PHY芯片88 E3082。共有8個端口，每個端口支持電口和光口模式，可以靈活配置，任意組合。

除了CPU芯片、電源芯片和以太網(wǎng)芯片之外，其余的芯片均采用高可靠性的芯片，以提升硬件的可靠性[22-23]。

3 采控裝置軟件設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 母線電壓無縫選擇技術(shù)

3.1.1 間隔采控裝置現(xiàn)狀

現(xiàn)有智能站中母線采控裝置直接采集母線電壓并實現(xiàn)并列功能[24-25]。各間隔采控裝置通過級聯(lián)母線的SV報文來獲得母線電壓。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采集執(zhí)行單元級聯(lián)連接Fig. 1 Acquisition execution unit cascade connection diagram

現(xiàn)有方式只有1臺母線采集裝置采集母線電壓，完成電壓并列功能，通過點對點方式給各間隔裝置，采集執(zhí)行單元收到級聯(lián)的母線電壓后重采樣與本裝置采集的數(shù)據(jù)組成同一個SV報文發(fā)送給各保護(hù)裝置。當(dāng)母線采集裝置有異常時，退出運(yùn)行后，所有間隔裝置都收不到電壓，導(dǎo)致所有保護(hù)裝置均失壓，因而對于母線采集裝置的可靠性要求非常高，幾乎不允許單獨(dú)退出檢修。對于110 KV母線由于保護(hù)裝置、母線采控裝置和間隔采控裝置均單套配置，母線單元檢修會波及所有的保護(hù)裝置，該方式將嚴(yán)重影響電網(wǎng)可靠性。

3.1.2 母線電壓無縫選擇功能

為充分利用2套母線采控裝置，每個間隔采集裝置同時級聯(lián)2套母線采控裝置，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 采集執(zhí)行單元級聯(lián)無縫選擇級聯(lián)Fig. 2 Cascade diagram of seamless selection of acquisition execution unit cascade

A套、B套母線采控裝置為全冗余配置，均采集2段母線電壓，進(jìn)行并列邏輯操作后通過點對點方式級聯(lián)到各間隔采控裝置，采控裝置收到2套母線電壓后，分別放入A套母線電壓數(shù)據(jù)庫和B套母線電壓數(shù)據(jù)庫，判斷當(dāng)前選取裝置的母線電壓。無縫選擇軟件流程如圖3所示。

圖3 無縫選擇軟件流程Fig. 3 Seamless selection of software flowcharts

參與判斷的SV報文異常特征包括：報文接收抖動超標(biāo)、處于檢修狀態(tài)、品質(zhì)位異常、有丟幀狀態(tài)下報文發(fā)送無效。當(dāng)某臺設(shè)備發(fā)生上述異常，而另一套設(shè)備沒有上述異常，自動切換到另一臺母線電壓作為本間隔的母線電壓，發(fā)送到各保護(hù)間隔。如2套母線采集裝置均異常時，保持在當(dāng)前狀態(tài)。由于現(xiàn)場的情況比較復(fù)雜，為了人工參與，設(shè)置了選A套、選B套和自動選擇3個選擇把手。

3.2 延時可測交換技術(shù)

組網(wǎng)方式下，不同間隔的SV報文轉(zhuǎn)發(fā)到同一保護(hù)設(shè)備，存在網(wǎng)絡(luò)沖突可能。交換機(jī)采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制來解決網(wǎng)絡(luò)沖突，報文在交換機(jī)內(nèi)的駐留時間受報文長度、發(fā)送隊列優(yōu)先級等因素的影響。采用多級交換機(jī)時，每一級交換機(jī)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時會累積到過程層網(wǎng)絡(luò)的總體傳輸延時中，因此，組網(wǎng)方式下SV報文的傳輸延時并不確定。如果能夠?qū)V報文在交換機(jī)中的駐留時間進(jìn)行記錄并添加到報文中，保護(hù)裝置通過獲取報文的駐留時間就可以還原報文原始采樣時刻，進(jìn)行同步處理。實現(xiàn)交換機(jī)的SV報文延時可測是實現(xiàn)設(shè)備可靠的而關(guān)鍵技術(shù)之一。通過交換機(jī)的交換延時累加功能，將報文在整個交換網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延時傳遞給下游保護(hù)裝置，使得組網(wǎng)模式下系統(tǒng)也不再依賴于變電站的時鐘信號，提升了可靠性。

交換機(jī)從接收到SV數(shù)據(jù)幀的第一個比特開始到按設(shè)定規(guī)則將該SV數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)出交換機(jī)需要經(jīng)過一定的處理時間，該處理時間即為SV數(shù)據(jù)幀的交換延時，交換機(jī)將該值在SV數(shù)據(jù)幀的特定位置進(jìn)行累加，可為訂閱設(shè)備提供數(shù)據(jù)幀在整個網(wǎng)絡(luò)中傳輸時延，從而回溯到該SV數(shù)據(jù)幀發(fā)布的準(zhǔn)確時刻。

為了實現(xiàn)延時可測，在SV報文中設(shè)置交換延時累加值（ART）字段。交換延時累加功能遵循以下規(guī)定。

(1) 分辨率 8 ns，字長 24位，最大值為0 xFFFFFF；

(2) 對符合規(guī)范要求的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行ART累加；

(3) 默認(rèn)情況下，溢出標(biāo)志位（OVF)置為0；

(4) 累加過程中，若發(fā)現(xiàn)ART計數(shù)器溢出或由于硬件故障等原因無法完成ART累加時，將OVF標(biāo)志位置1，ART值保持不變；

(5) ART累加功能和 IEC 62351系列規(guī)約使用了相同的保留字段，出于兼容性考慮，當(dāng)使用IEC 62351功能時，交換機(jī)將OVF標(biāo)志位設(shè)為1，保留字段保持不變；

(6) 交換機(jī)檢測到OVF標(biāo)志位為1時，保持SV數(shù)據(jù)幀的保留字段不變；

(7) SV 數(shù)據(jù)幀長度為 64～1 522字節(jié)，交換機(jī)端口線速轉(zhuǎn)發(fā)時，交換延時累加功能正常工作；

(8) 交換延時累加的準(zhǔn)確度優(yōu)于 200 ns。

3.3 過程層組網(wǎng)方式技術(shù)

對于雙母線接線，當(dāng)母線采集單元異?；驒z修時，導(dǎo)致所有的間隔單元的母線電壓均異常，使得該母線的所有保護(hù)裝置都將處于不正常狀態(tài)。

針對過程層組網(wǎng)的這些問題，新一代母線采控裝置具有并列功能，再級聯(lián)到間隔采控裝置，有2 ms延時。經(jīng)延時可測交換機(jī)裝置接入結(jié)構(gòu)如圖4所示，該方法保障了設(shè)備的速動性。

圖4 經(jīng)延時可測交換機(jī)裝置接入結(jié)構(gòu)Fig. 4 Structure of delay measurable switch device

為防止一臺母線采集單元故障或檢修波及所有的間隔采集單元，進(jìn)而影響到該母線的所有保護(hù)裝置，將每臺間隔采集裝置級聯(lián)2臺冗余的母線單元。啟動電流采集和保護(hù)出口電流采集分不同的CPU，進(jìn)一步提高裝置可靠性。綜合上述改進(jìn)，整個系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 經(jīng)延時可測交換機(jī)全冗余硬件結(jié)構(gòu)Fig. 5 Fully redundant hardware structure of delay switch

3.4 采樣值同步插值技術(shù)

智能采控裝置需要使用插值算法進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。目前常用的插值方法包括：線性拉格朗日插值、二階拉格朗日插值、牛頓插值等。

以線性拉格朗日插值為例進(jìn)行諧波誤差分析。按照采樣原理，設(shè)備定時采樣，依次得到2個采樣點，其中為采樣時間；yk為該時刻的采樣值；k為采樣序號。本文構(gòu)造近似函數(shù)為

對所有點誤差進(jìn)行求導(dǎo)和積分運(yùn)算，可以得到一階拉格朗日插值的最大理論誤差R1為

式中：N為采樣點個數(shù)；A為幅值；m為諧波次數(shù)。

根據(jù)類似的方法可以計算出二階拉格朗日插值的最大理論誤差R2為

當(dāng)采樣點個數(shù)為80時，不同次諧波誤差如表1所示。

表1 N=80時各次諧波的理論計算誤差Table 1 Theoretical calculation errors of each harmonic when N=80

在智能采控裝置中采用了二階拉格朗日進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，以提高采樣精度，便于保護(hù)裝置和錄波器等記錄和分析。

3.5 采控裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

母線采控裝置可采集各段母線電壓，依據(jù)母聯(lián)位置和強(qiáng)制并列把手的狀態(tài)進(jìn)行并列邏輯，根據(jù)并列邏輯結(jié)果選取所采集的母線電壓填入SV報文中，采集PT刀閘位置送給保護(hù)裝置，同時接收保護(hù)和測控的遙控命令控制PT刀閘和PT接地刀閘。

間隔采控裝置可采集各段間隔電壓、電流，依據(jù)出現(xiàn)的刀閘位置進(jìn)行電壓切換邏輯，根據(jù)電壓切換邏輯結(jié)果選取所采集的母線電壓并填入SV報文中，采集間隔斷路器、刀閘位置送給保護(hù)裝置，同時接收保護(hù)和測控的遙控命令控制斷路器、刀閘和接地刀閘。

3.6 采控裝置一鍵式運(yùn)維

一鍵式調(diào)試和運(yùn)維是以裝置為最小單位，用一個調(diào)試口、一套調(diào)試運(yùn)維工具對裝置內(nèi)所有的軟件、配置進(jìn)行下載、上傳、備份。

將新一代智能采控裝置內(nèi)的配置信息數(shù)目、特征字、存儲特征等信息生成一個裝置運(yùn)維的配置文件，存放在智能運(yùn)維系統(tǒng)中。由一鍵調(diào)試運(yùn)維工具解析這個配置文件，針對每個軟件或配置形成含存儲、通訊等信息的數(shù)據(jù)幀。

采控裝置一鍵調(diào)試方案包括：（1）一鍵下載程序和配置。智能運(yùn)維系統(tǒng)連接到智能采控裝置調(diào)試口，通過以太網(wǎng)下發(fā)所有應(yīng)用程序、FPGA程序和所有配置文件。根據(jù)文件名或識別標(biāo)志，直接存入程序的規(guī)定區(qū)域。配置文件存入數(shù)據(jù)的規(guī)定區(qū)域。（2）一鍵備份。智能運(yùn)維系統(tǒng)連接到智能采控裝置調(diào)試口，CORE 0讀取程序flash和數(shù)據(jù)flash規(guī)定區(qū)域，通過調(diào)試以太網(wǎng)上傳文件帶規(guī)定區(qū)域識別標(biāo)志，PC工具根據(jù)識別標(biāo)志建立相應(yīng)文件夾，與識別標(biāo)志對應(yīng)，將上傳的二進(jìn)制文件存入文件夾中可加密，實現(xiàn)一鍵備份。（3）一鍵復(fù)制。智能運(yùn)維系統(tǒng)解析解密一鍵備份的文件，然后使用1的流程，將程序配置下發(fā)到CORE 0，根據(jù)識別標(biāo)志存入相應(yīng)的flash區(qū)域。裝置重啟后，按復(fù)制的程序和配置進(jìn)行運(yùn)行。

4 結(jié)論

為提高繼電保護(hù)的可靠性和降低故障率，本文提出了采集和控制完全雙重化的新一代采控裝置架構(gòu)，該架構(gòu)可以保證任意單一元件損壞或軟件異常不會導(dǎo)致誤動的發(fā)生。

本文重點討論了該架構(gòu)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計方案，從以下方面提高采集設(shè)備的可靠性：提出了母線電壓無縫選擇方案，確保任意一套母線采集單元異常或檢修，不影響該母線的保護(hù)裝置的正常運(yùn)行；采用延時可測技術(shù)，使用延時可測交換機(jī)，使得SV的傳輸和接收不受對時信號的影響；采用過程層組網(wǎng)技術(shù)，徹底解決點對點下光纖眾多，成本高昂且維護(hù)難度大的問題；采用了二階拉格朗日進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，提高采樣精度。

本文進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，同時在設(shè)備管理單元上實現(xiàn)采控裝置的參數(shù)及配置文件的一鍵式備份、一鍵式下裝，并對接入網(wǎng)絡(luò)的裝置的自動偵測、自動識別、自動匹配、自動配置和自動備份功能，實現(xiàn)裝置的快速檢修替換和新增擴(kuò)建。本文提出的裝置已通過權(quán)威機(jī)構(gòu)的檢測，并完成試運(yùn)行，效果良好。