基于背板總線的繼電保護裝置過程總線功能設計

丁 毅，葉品勇，郭 曉，徐頔飛，尹 軍

（國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210003）

0 引言

IEC61850將智能變電站自動化系統(tǒng)分為站控層、間隔層、過程層3層設備，其中繼電保護裝置屬于間隔層設備[1-2]。相比于常規(guī)變電站，智能變電站在過程層采用智能電子設備（IED）完成開關量／模擬量采集和控制命令發(fā)送等與一次設備相關功能，并以數(shù)字信號方式經由過程總線與繼電保護裝置等間隔層設備通信[2]。過程總線應用簡化了繼電保護裝置內部結構，但對其功能和性能提出新的要求，包括多間隔高速以太網通信、采樣值（SV）接收與同步處理、GOOSE報文收發(fā)、基于IEC61850模型的功能配置以及數(shù)據傳輸?shù)膶崟r性和可靠性保證等[3]。

基于以太網的過程總線技術已得到廣泛應用，采用快速、交換式以太網技術，SV及GOOSE報文在過程總線上傳輸?shù)膶崟r性和可靠性已得到充分驗證[4-6]。而組網和點對點這2種過程總線應用模式的提出，要求繼電保護裝置必須提升其通信及處理能力以接收過程總線數(shù)據[7]。一般采用功能獨立的分立模件分別實現(xiàn)過程總線數(shù)據接收處理、繼電保護邏輯運算等功能，模件之間采用直接通信或使用兼容 CAN 總線的 FlexRay 總線交換數(shù)據[2，8]。 通過增加通信模件僅能擴展有限過程總線通信能力，且裝置內部數(shù)據流和配置流程復雜；而FlexRay總線數(shù)據傳輸速率偏低，不能滿足智能變電站多間隔通信要求，且硬件接口和配置參數(shù)復雜。

針對以上問題，本文提出一種基于背板總線的繼電保護裝置平臺架構，優(yōu)化裝置內部面向過程總線數(shù)據流和配置流程，簡化裝置功能和參數(shù)配置。在擴展繼電保護裝置通信和計算能力的同時，提升裝置接入過程總線的靈活性。

1 過程總線功能設計

1.1 主變保護測控一體化裝置典型配置

智能變電站繼電保護裝置與一次設備的直接電氣連接被獨立于一次設備的IED代替，包括合并單元和智能終端[9-10]。以110kV智能變電站主變保護測控一體化裝置為例，該裝置與過程層IED典型連接配置按功能分類如圖1所示，包括高、中、低壓三側及其他部分共接入5個合并單元、11個智能終端，均通過過程總線接入。圖中每側方框左邊為SV接入，右側為GOOSE接入。

圖1 110kV主變保護測控一體化裝置過程總線功能接入Fig.1 Aggregation of process bus functions in integrated measuring and control device of 110kV primary transformer protection

繼電保護裝置與過程層IED之間連接方式分組網和點對點2種[7]。結合110kV主變保護測控一體化裝置，繼電保護裝置過程總線相關功能描述為[5，10]：

a.多端口高速以太網通信，滿足點對點和組網2種應用模式要求，實現(xiàn)多間隔通信；

b.SV接收，具備IEC61850-9-2報文解碼及處理能力；

c.支持GOOSE報文處理，按應用層配置實現(xiàn)狀態(tài)量、模擬量、整數(shù)、品質屬性、時標等信息收發(fā)；

d.結合IEC61850模型實現(xiàn)過程總線功能靈活配置；

e.過程總線通信狀態(tài)監(jiān)視，提供異常告警功能。

1.2 功能總體設計

110kV智能變電站主變保護測控一體化裝置由保護模件、測控模件、監(jiān)控模件以及若干通信模件組成，其功能總體設計如圖2所示，點劃線表示地址線。過程總線數(shù)據由通信模件接入，裝置采用背板總線對數(shù)據進行優(yōu)化處理。

圖2 總體功能設計Fig.2 Design of overall functions

圖2中背板總線連接各模件，背板地址線唯一標識模件。保護模件、測控模件以及監(jiān)控模件等應用模件功能可分應用、以太網接口以及總線驅動3個部分。其中應用功能由主控制器完成，各應用模件實現(xiàn)不同應用功能；以太網接口和總線驅動功能由現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）芯片實現(xiàn)，以太網接口配合硬件接口完成多路以太網收發(fā)[11]。

背板總線在各分立模件間建立物理通信連接。通過總線可擴展模件間靈活的邏輯連接，滿足模件間多樣的通信要求，實現(xiàn)裝置面向過程總線程序、配置、數(shù)據以及通信狀態(tài)監(jiān)視一體化。

2 背板總線設計

2.1 單模件功能及通信接口設計

圖3 單模件功能及通信接口Fig.3 Functions and communication interfaces of single module

單模件功能及通信接口如圖3所示。其中虛線部分僅在應用模件中包含，以主控制器為中心完成應用功能；其余部分應用模件和通信模件共有，由FPGA芯片實現(xiàn)；單模件向外提供的通信接口包括背板總線和以太網口。

圖3中取自背板總線的數(shù)據經過濾分類后分別處理。其中配置報文用于功能配置；轉發(fā)報文透明轉發(fā)至以太網口，緩存報文通過本地總線交由主控制器處理，兩者均可為GOOSE報文和SV報文。從以太網口接收的報文分為轉發(fā)報文和SV報文2種，前者透明轉發(fā)至背板總線，后者經同步、插值以及采樣率調整后重新組幀再轉發(fā)至背板總線。

主控制器亦具備雙向數(shù)據傳輸能力。接收數(shù)據通過查詢緩沖區(qū)獲??；發(fā)送數(shù)據先通過本地總線寫入排序緩存區(qū)，再由總線驅動發(fā)送。

2.2 背板總線通信協(xié)議[12-13]

基于背板總線的通信協(xié)議層次關系如圖4所示，分應用數(shù)據層、傳輸控制層、數(shù)據鏈路層和物理層4層。物理層包含時鐘線、控制線以及可配置的數(shù)據線；數(shù)據鏈路層為協(xié)議核心，其數(shù)據幀由7段組成，如圖5所示。

圖4 通信協(xié)議層次關系圖Fig.4 Hierarchical relation of communication protocol

圖5 數(shù)據鏈路層數(shù)據幀F(xiàn)ig.5 Data frame of data link layer

仲裁段標注報文優(yōu)先級和源地址，令牌段保證總線控制正確輪轉，以上2段與空閑段、幀起始段采用異步傳輸方式；控制段標注目的地址；數(shù)據分靜態(tài)段和動態(tài)段兩部分，包含傳輸控制內容和應用數(shù)據，其中靜態(tài)段占用固定時隙，動態(tài)段按需分配時隙；校驗段校驗數(shù)據傳輸正確性。以上4段采用同步傳輸方式。

數(shù)據鏈路層主要完成以下功能：

a.數(shù)據在單模件間按模件地址進行單播／組播／廣播式數(shù)據傳遞；

b.基于優(yōu)先級進行總線沖突仲裁，按令牌環(huán)輪詢原理，通過優(yōu)先級設定實現(xiàn)多主通信，保證每個模件均能有效占用總線時間；

c.總線數(shù)據傳輸校驗及異常處理。

傳輸控制層根據報文類型提供可靠通信連接控制和簡單不可靠信息傳送服務；數(shù)據鏈路層功能由FPGA芯片實現(xiàn)；傳輸層及以上通信協(xié)議由主控制器完成，其中傳輸控制層保證通信可靠性，應用數(shù)據層擴展接入數(shù)據類型。

3 數(shù)據流設計

3.1 背板總線通信報文設計[11]

應用數(shù)據報文可分為3類：初始化報文，需進行傳輸確認，包括程序下載、配置傳輸?shù)?；強實時性報文，無需進行傳輸確認，包括SV和GOOSE報文；弱實時性報文，需進行傳輸確認，包括總線和通信狀態(tài)監(jiān)視報文。定義傳輸控制層報文格式如表1所示。

表1 傳輸控制層報文Tab.1 Message of transfer control protocol layer

表1中源地址和目的地址均為模件地址；幀標志／報文編號字段用于長報文傳輸；應用數(shù)據類型可擴展。在需進行確認傳輸時，確認報文把收到的應用數(shù)據類型最高位取反，源地址和目的地址顛倒后原樣發(fā)回，發(fā)送端收到后進行是否重發(fā)判斷。

3.2 SV 處理及同步[9]

SV在背板總線傳輸報文分2類：一類直接透明傳輸；另一類經同步、插值及采樣率轉換后采用內部SV報文格式傳輸，其處理在通信模件完成，步驟如圖6所示。

圖6 SV處理過程Fig.6 Processing of SV

合并同步模塊完成多個合并單元之間數(shù)據同步與合并，包括點對點時間同步和組網計數(shù)器同步2種模式?？偩€各應用模件對數(shù)據采樣率要求不盡相同，需專門模塊完成插值同步和采樣率轉換處理。報文組幀模塊經抽取處理后按表2所示格式進行內部SV報文組幀處理。

表2 背板總線內部SV報文格式Tab.2 Format of internal SV message of backboard bus

從圖6可知，主控制器可分別從以太網口和背板總線接收SV數(shù)據。過程層SV接入裝置后的同步分點對點和組網2種模式，點對點模式下由監(jiān)控模件發(fā)送同步信號至各模件完成同步；組網模式時僅需按序號進行同步處理。

3.3 透明傳輸數(shù)據流

GOOSE報文和SV報文均支持背板總線透明傳輸，其數(shù)據流如圖7所示。

圖7 透明傳輸數(shù)據流Fig.7 Data flow of transparent transmission

如圖7所示，單模件向裝置外提供8個以太網口；虛線框表示虛擬以太網口用于連接背板總線。所有以太網口收發(fā)共享統(tǒng)一內存區(qū)，根據配置轉發(fā)數(shù)據，包含虛擬以太網口，所有端口數(shù)據均等同處理，共有以下3條數(shù)據流：

a.以太網口收到報文后經背板總線轉發(fā)至其他模件；

b.以太網口收到報文后經背板總線轉發(fā)至報文緩存區(qū)由主控制器查詢解碼；

c.其他模件數(shù)據經背板總線轉發(fā)至報文緩存區(qū)由主控制器查詢解碼。

3.4 配置信息及下載[14]

總線配置信息包括程序和功能兩部分，所有配置流程由監(jiān)控模件完成。程序配置可分主控制器和FPGA兩部分；功能配置由IEC61850模型導出，其流程如圖8所示。

圖8 過程總線功能配置流程Fig.8 Configuration of process bus functions

資源信息指面向裝置的軟硬件資源；系統(tǒng)配置工具、IED配置工具以及調試工具均為支持智能變電站 IED 開發(fā)工具軟件[15]；ICD、SSD、SCD、CID 4 個文件為IEC61850模型標準文件[16]。臨時功能配置文件下載至監(jiān)控模件，調試工具增加私有配置信息生成功能配置文件。結合程序配置，監(jiān)控模件過程總線配置步驟如下：

a.上電后加載自身程序并開始運行；

b.通過背板總線查詢其他模件有無程序更新，如有則通過總線下載；

c.解析功能配置文件，通過總線下傳配置信息；

d.總線各模件配置結束后回傳報文至監(jiān)控模件，全部配置完成后監(jiān)控模件下發(fā)正式運行報文；

e.總線上某模件異常重啟后，與該模件相關的程序和配置都應重新加載。

4 試驗驗證[9-10]

基于背板總線開發(fā)的110kV主變保護測控一體化裝置應用于某智能變電站工程，已完成工程試驗驗證。裝置背板總線共有5個節(jié)點模件，其數(shù)據交互如圖9所示。

圖9 主變保護測控一體化裝置總線模件數(shù)據交互Fig.9 Data exchange of bus module in integrated measuring and control device of primary transformer protection

通信模件1和2以點對點模式分別接入過程總線SV和GOOSE，SV占用5個以太網口，GOOSE占用11個以太網口。SV中電壓和保護電流輸入保護模件，采樣周期點數(shù)為24點；電壓和測量電流輸入測控模件，采樣周期點數(shù)為80點。GOOSE以透明轉發(fā)方式傳輸，其中與跳閘相關部分分別輸入保護模件和測控模件，其他僅輸入保護模件。程序和配置由監(jiān)控模件在初始化階段下傳，監(jiān)視信息長周期查詢，因此僅通信模件數(shù)據需實時傳遞。

總線配置帶寬為320 Mb，最長報文傳輸時間約為40.15 μs，實際輪轉周期等于最長報文傳輸時間和總線節(jié)點數(shù)目的乘積，而輪轉周期受SV采樣率控制。測控模件每周期80點采樣，輪轉周期最短為250 μs，則模件節(jié)點數(shù)最多為6個，滿足110kV主變保護測控一體化裝置2個通信模件節(jié)點的要求。

GOOSE報文在變位重傳時對總線負荷有影響。經驗證，11個間隔GOOSE變位同時傳遞，報文傳輸時間約為30 μs，不影響SV傳遞，且其延時小于250 μs。

5 結論

本文提出一種基于背板總線的繼電保護裝置面向過程總線功能解決方案?；诠δ芎托阅芤笤O計了該方案總體架構，分析了總線數(shù)據流以及基于IEC61850模型的配置流程。設計的背板總線配置簡單，功能可靠，優(yōu)化了繼電保護裝置面向過程總線數(shù)據流?；诒嘲蹇偩€設計的110kV主變保護測控一體化裝置已應用于某智能變電站工程，滿足繼電保護裝置面向過程總線功能和性能要求。后續(xù)可擴展背板總線功能至集中式保護和站域保護等應用場合。