關(guān)于合并單元和智能終端應(yīng)用模式的探討

劉 曦，朱繼紅

（1.溫州電力局，浙江 溫州 325000；2.南瑞繼保工程技術(shù)有限公司，南京 211100）

0 引言

隨著數(shù)字化變電站的發(fā)展以及IEC 61850協(xié)議的不斷推廣，數(shù)字化變電站的建設(shè)已由理論研究階段走向工程實(shí)踐階段，目前數(shù)字化變電站已經(jīng)向智能化邁進(jìn)。數(shù)字化變電站的特點(diǎn)是一次設(shè)備的智能化，二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化和運(yùn)行管理系統(tǒng)的自動(dòng)化。在邏輯結(jié)構(gòu)上又可以分為過程層、間隔層和站控層3個(gè)層次。

在這里著重討論過程層的設(shè)備。過程層被定義為一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合面，或者說過程層即為電氣設(shè)備的智能化部分。過程層的主要功能有∶系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)電氣量實(shí)時(shí)檢測(cè)；運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)；操作控制執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)。

合并單元和智能終端作為過程層中的重要設(shè)備，是體現(xiàn)智能化水平的主要標(biāo)志，一直備受關(guān)注。合并單元作為電子式互感器的不可缺少一部分，實(shí)現(xiàn)了將不同的電壓電流信號(hào)合并、同步以及進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換的功能。智能終端則通過快速通信功能（GOOSE）實(shí)現(xiàn)了對(duì)開關(guān)整間隔的完整控制，包括對(duì)斷路器、隔離閘刀和地刀等的控制和相關(guān)的狀態(tài)信號(hào)采集。合并單元和智能終端的出現(xiàn)大大改變了傳統(tǒng)變電站大量電纜硬接線的局面，轉(zhuǎn)而采用光纖替代傳統(tǒng)電纜，并采用數(shù)據(jù)共享的方式減少了布線的復(fù)雜程度，減少了人工維護(hù)的工作量，充分體現(xiàn)了數(shù)字化變電站的巨大優(yōu)勢(shì)。

1 合并單元的應(yīng)用

合并單元（Merging Unit）用于二次設(shè)備之間的信息交換，主要用于連接數(shù)字化輸出的電子式互感器與保護(hù)、測(cè)控及表計(jì)。隨著數(shù)字化變電站的建設(shè)，合并單元的含義也有所擴(kuò)展。在進(jìn)行傳統(tǒng)變電站數(shù)字化改造的過程中，由于一次側(cè)的常規(guī)互感器運(yùn)行年限未到，在改造時(shí)為了節(jié)省成本不更換為電子式互感器，所以出現(xiàn)了不接收數(shù)字量而是直接采集常規(guī)模擬量的合并單元。再如1個(gè)線路間隔的合并單元即采集常規(guī)的三相電流電壓信號(hào)同時(shí)又接收電子式互感器的母線電壓信號(hào)。圖1即為一種應(yīng)用場(chǎng)合比較復(fù)雜的合并單元。

圖1 不同原理互感器混用場(chǎng)合

圖1展示了不同原理互感器應(yīng)用的一種模式，同一個(gè)合并單元的輸出又可以根據(jù)實(shí)際的情況有所改變。眾所周知，IEC 60044-8最大的優(yōu)點(diǎn)就是所有的數(shù)據(jù)同步和數(shù)據(jù)傳輸均不依賴于GPS對(duì)時(shí)，這是由于其點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸模式和固定傳送延遲所決定的。同樣是使用了固定傳送延遲的概念解決了原來IEC 61850-9-2嚴(yán)重依賴GPS對(duì)時(shí)和交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)的情況。

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的IEC 61850-9-2除了支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)功能的同時(shí)，同時(shí)也支持交換機(jī)組網(wǎng)的傳輸方式。這樣既解決了由于組網(wǎng)方式帶來的對(duì)GPS對(duì)時(shí)和交換機(jī)過度依賴的風(fēng)險(xiǎn)，又解決了數(shù)據(jù)共享的問題。圖2為采樣值組網(wǎng)方式和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)共存的示意圖。

圖2 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)IEC 61850-9-2應(yīng)用

2 智能終端的應(yīng)用

智能終端作為過程層中的重要設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)斷路器間隔的完全控制（斷路器間隔包括斷路器、接地刀閘和隔離刀閘）。由于IEC 61850-8-1標(biāo)準(zhǔn)中的GOOSE也是通過組網(wǎng)方式來進(jìn)行傳輸，不可避免地對(duì)交換機(jī)也產(chǎn)生了較大的依賴，雖然可以通過雙網(wǎng)的模式降低交換機(jī)帶來的風(fēng)險(xiǎn)程度，但不能從根本上解決問題。在《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中，同樣對(duì)GOOSE提出了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的運(yùn)行模式。明確指出繼電保護(hù)設(shè)備與本間隔智能終端之間通信應(yīng)采用GOOSE點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式；繼電保護(hù)之間的聯(lián)閉鎖信息、失靈啟動(dòng)等信息宜采用 GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的GOOSE應(yīng)用模式同樣也解決了可靠性和數(shù)據(jù)共享兩方面的問題。

智能終端的GOOSE應(yīng)用較傳統(tǒng)操作箱在安全性方面得到較大幅度提高。一方面，由于采用光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸，所以抗電磁干擾性能有較大提升；另外一方面，由于采用了數(shù)字信號(hào)通信的邏輯連接方式，可以實(shí)現(xiàn)在線物理連接斷鏈檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了在線智能告警。

隨著數(shù)字化變電站的推廣和建設(shè)，雖然智能終端的技術(shù)也日趨成熟，但對(duì)于各大二次設(shè)備生產(chǎn)廠家而言，還是有一些問題需要解決。

比如智能終端的就地安裝運(yùn)行環(huán)境問題，雖然終端設(shè)備安裝在智能控制柜中，但戶外溫度、濕度和沙塵等環(huán)境因素都會(huì)給設(shè)備運(yùn)行帶來考驗(yàn)，目前已有智能終端在戶外安全運(yùn)行近2年的經(jīng)驗(yàn)，但還有待長(zhǎng)期考驗(yàn)。

再如遙信和遙控?cái)?shù)量可擴(kuò)刪的問題。對(duì)于不同電壓等級(jí)的間隔對(duì)遙信和遙控的數(shù)量有著不同的需求。如果智能終端支持可模塊化擴(kuò)充和刪減，則無論從經(jīng)濟(jì)性和安全性方面都會(huì)帶來較大的好處。

3 合并單元和智能終端的新型應(yīng)用模式

目前在建的許多數(shù)字化變電站均采用了合并單元和智能終端就地安放的方式，在110 kV及以下電壓等級(jí)的變電站中，由于多數(shù)采用單配置原則，即只有1套保護(hù)、合并單元和智能終端，所以智能控制柜的空間使用問題還不是很突出。但在220 kV及以上電壓等級(jí)的變電站中，由于采用雙重化配置，即有2套獨(dú)立的保護(hù)，2套獨(dú)立的合并單元，2套獨(dú)立的智能終端。如果保護(hù)也采用就地放置的原則，1個(gè)智能控制柜中要安放6個(gè)單元設(shè)備，這還不包括將來可能加入的開關(guān)在線監(jiān)測(cè)等設(shè)備，如圖3所示。

圖3 常規(guī)就地智能控制柜

就地安裝原則在高電壓等級(jí)變電站中對(duì)本來空間就比較緊張的智能控制柜提出了較高的要求。當(dāng)然也可以把雙重化配置的設(shè)備安放在兩個(gè)獨(dú)立的智能控制柜中，但這無疑又增加了占地和數(shù)字化變電站建設(shè)的成本。

設(shè)想如果把合并單元和智能終端作為一體化設(shè)備（這里暫且稱為“合并終端一體化設(shè)備”），則可以很好地解決智能控制柜的安裝問題，又可以節(jié)省大量的建設(shè)資金，不失為一種較好的應(yīng)用模式。如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后一體化的就地智能控制柜

4 合并單元和智能終端一體化的可能性

4.1 負(fù)載率分析

合并單元作為數(shù)據(jù)同步的關(guān)鍵性設(shè)備，需要同步三相保護(hù)、測(cè)量電流和三相電壓，可能還需要同步外接零序電流和間隙零序電流等，加上雙A/D采樣后需要同步的信號(hào)多的時(shí)候可能達(dá)到20路左右，發(fā)送速率一般為4 kHz，信號(hào)間的同步通常使用插值方式來進(jìn)行。

以ADI公司的BF534 DSP為例來進(jìn)行說明。浮點(diǎn)方式的插值每路大概需要8 μs，這樣1個(gè)采樣中斷20路信號(hào)需要處理數(shù)據(jù)的時(shí)間為20×8＝160 μs，再加上其它程序占用45 μs左右， 則 4 kHz采樣率時(shí)DSP的負(fù)載率約為（160+45）/250＝0.82?？梢娯?fù)載率還是比較高的。由于插值的DSP負(fù)載比較高，所以一般還會(huì)有另外一個(gè)DSP來進(jìn)行以太網(wǎng)IEC 61850-9-2組包和發(fā)送。以BF537 DSP為例，組包和發(fā)送的時(shí)間約為40 μs，加上其它程序占用30 μs，DSP負(fù)載率約為（40+30）/250＝0.28。

而智能終端由于實(shí)時(shí)性要求沒有合并單元那么高，處理報(bào)文的中斷時(shí)間設(shè)為833 μs即可。以BF537 DSP為例，完成1個(gè)GOOSE報(bào)文接收解碼和發(fā)送編碼的時(shí)間約為220 μs（以600字節(jié)GOOSE報(bào)文長(zhǎng)度為例），加上智能終端各種邏輯程序時(shí)間 40 μs， DSP 負(fù)載率為（220+40）/833＝0.312。

由上面的數(shù)據(jù)分析可見，合并單元單獨(dú)IEC 61850-9-2的發(fā)送對(duì)DSP資源的占用不是很多；智能終端單獨(dú)GOOSE接收和發(fā)送對(duì)DSP資源的占用也不是很多。所以完全可能將IEC 61850-9-2和GOOSE報(bào)文的處理放在一個(gè)DSP上完成，設(shè)計(jì)時(shí)只需要保證IEC 61850-9-2運(yùn)行優(yōu)先級(jí)比GOOSE優(yōu)先級(jí)高，保證IEC 61850-9-2的實(shí)時(shí)性即可。

4.2 一體化后的單元體積

目前國(guó)內(nèi)的二次設(shè)備生產(chǎn)廠家合并單元體積大小不一，有標(biāo)準(zhǔn)整層4U的，有標(biāo)準(zhǔn)整層1U的，也有寬度為半層4U的。總體來說裝置空間空余比較多，可用空間還比較大。智能終端隨著電壓的不同，1個(gè)間隔內(nèi)對(duì)遙控和遙信數(shù)量需求也有所不同。隨著電壓等級(jí)提高相應(yīng)遙控和遙信的數(shù)量也會(huì)相應(yīng)增加，如500 kV的智能終端一般需要80路左右遙信接點(diǎn)，30路左右遙控接點(diǎn)，另外還包括6路左右4～20 mA（或者0～5 V）的傳感器模擬量。所以大多均以標(biāo)準(zhǔn)整層4U裝置來進(jìn)行設(shè)計(jì)，裝置空間剩余不多。

從上面的分析可知由于合并單元對(duì)空間的需求較小，為合并單元和智能終端的合并在裝置空間上提供了可行性。

4.3 合并單元和智能終端的復(fù)用性

由于合并單元和智能終端均為過程層設(shè)備，分別使用IEC 61850-9-2和GOOSE傳輸數(shù)據(jù)，雖然協(xié)議不同，但都是通過光纖以太網(wǎng)組播發(fā)送的方式來傳輸數(shù)據(jù)，所以理論上物理端口雙方是完全可以復(fù)用的。假設(shè)一個(gè)合并終端一體化設(shè)備提供了10個(gè)光接口，那么可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的使用情況進(jìn)行配置，如6個(gè)用于GOOSE，4個(gè)用于采樣傳輸（SMV）；或者4個(gè)用于GOOSE，6個(gè)用于SMV；甚至當(dāng)GOOSE和SMV采用共網(wǎng)模式時(shí)，可以配置2個(gè)用于GOOSE+SMV，4個(gè)用于GOOSE，4個(gè)用于SMV。圖5顯示了采用一體化裝置后接口的減少數(shù)量。

圖5 采用一體化裝置后光接口數(shù)量改變

關(guān)于信號(hào)復(fù)用的問題，比如當(dāng)合并單元需要進(jìn)行電壓切換的時(shí)候，就需要知道線路和母線間的隔刀位置，而智能終端本身具備位置信號(hào)采集功能，當(dāng)采用合并終端一體化設(shè)備時(shí)，位置信號(hào)可以在裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)共享，合并單元就無需為了獲取位置信號(hào)再占用1個(gè)GOOSE交換機(jī)光接口，節(jié)約了交互機(jī)和裝置2個(gè)光接口。又如，目前建設(shè)的數(shù)據(jù)化變電站由于合并單元數(shù)量眾多，為了節(jié)約交換機(jī)光接口，一般合并單元告警采用裝置硬接點(diǎn)的方式通過測(cè)控進(jìn)行告警，告警時(shí)也無法知道具體的告警內(nèi)容，必須到合并單元裝置端進(jìn)行查詢才能定位。采用合并終端一體化的方式，在不增加成本的基礎(chǔ)上，合并單元和智能終端的裝置告警信息可以通過GOOSE上送，增加了裝置的信息透明度，也為問題定位帶來了極大的方便。

以浙江溫州某110 kV數(shù)字化站為例，其主接線采用內(nèi)橋接線模式，在方案設(shè)計(jì)時(shí)2條進(jìn)線開關(guān)和橋開關(guān)均配置了合并終端一體化裝置。合并終端一體化裝置除了完成開關(guān)、刀閘的采集及控制功能外，還完成電壓、電流模擬信號(hào)的采集并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后以SMV+GOOSE點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式輸出給保護(hù)裝置。一般保護(hù)裝置需要2個(gè)光接口和一個(gè)間隔智能操作箱和合并單元連接，而采用合并終端一體化裝置后保護(hù)只需要1個(gè)光接口即可。在高電壓等級(jí)變電站中，當(dāng)智能操作箱和合并單元均需和多個(gè)保護(hù)裝置點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接時(shí)，節(jié)省的光接口數(shù)量可觀。

4.4 一體化的實(shí)際應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)二次設(shè)備生產(chǎn)廠家中，南瑞繼保在這方面的研發(fā)工作走在了前列，推出了PCS-222D、PCS-222E兩大系列合并終端一體化裝置，該系列產(chǎn)品基于HTM高速串行總線的UAPC平臺(tái)能使多DSP并行處理，能將電子式互感器合并單元和智能終端合為一體，也能將常規(guī)采樣合并單元和智能終端合在一起。裝置已在浙江金華500 kV芝堰變、河南洛陽(yáng)110 kV金谷園以及浙江溫州110 kV數(shù)字化站工程中得到了應(yīng)用，并取得了良好的運(yùn)行效果。

5 結(jié)語(yǔ)

分析了合并單元和智能終端的單獨(dú)應(yīng)用模式，合并終端一體化裝置實(shí)現(xiàn)的可能和方法。一體化裝置可以共享一個(gè)機(jī)箱，一塊電源板，可以共享CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)和報(bào)文處理，可以共享以太網(wǎng)光接口，節(jié)約了就地安放智能控制柜的空間，也節(jié)約了變電站建設(shè)用地，能夠帶來很好的社會(huì)效益，符合國(guó)家建設(shè)智能電網(wǎng)的初衷。為此可以大膽預(yù)測(cè)，這種一體化模式具有非常廣闊的應(yīng)用空間，值得在智能電網(wǎng)中推廣應(yīng)用。

[1]殷志良，劉萬(wàn)順，楊奇遜，等.變電站自動(dòng)化過程層與間隔層串行通訊研究[J].中國(guó)電力，2004，32（7）∶25-29.

[2]竇曉波，吳在軍，胡敏強(qiáng)，等.IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下合并單元的信息模型與映射實(shí)現(xiàn)[J].電網(wǎng)技術(shù),2006，30（2）∶80-86.