基于雙平面的測控裝置集成與研制

熊慕文 陳桂友 朱何榮

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

變電站自動(dòng)化從20 世紀(jì)80年代發(fā)展至今，經(jīng)歷了RTU 與分層分布式系統(tǒng)兩個(gè)階段；從早期的IO集中式采集到后來的功能分散式系統(tǒng)，綜合自動(dòng)化的水平與可靠性得到了很大程度提升。近年來，隨著智能電網(wǎng)概念的興起，變電站建設(shè)中智能化設(shè)備、數(shù)字化采樣技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)得到了很大程度的提升，智能變電站中二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和形態(tài)均發(fā)生了革命性的變化，主要表現(xiàn)在如下幾點(diǎn)：

1）過程層設(shè)備的實(shí)現(xiàn)：過程層合并單元、智能終端得到了廣泛應(yīng)用；真正意義上實(shí)現(xiàn)了變電站“三層兩網(wǎng)”的體系架構(gòu)[1]。

2）過程層網(wǎng)絡(luò)普及：由SV 與GOOSE 所組成的過程層網(wǎng)絡(luò)逐漸在智能變電站得到了普及，并隨著過程層組網(wǎng)技術(shù)及流量控制技術(shù)的成熟最大化實(shí)現(xiàn)了過程層數(shù)據(jù)的共享[2]。

3）間隔層裝置就地化：保護(hù)與測控等裝置傳統(tǒng)意義上的采樣與出口回路逐漸消亡，裝置更加精簡小巧，方便布置，節(jié)省變電站面積建設(shè)費(fèi)用[3]。

新一代智能變電站在“數(shù)據(jù)共享、功能精簡”的技術(shù)基礎(chǔ)上提出了“系統(tǒng)高度集成、結(jié)構(gòu)布局合理、裝備先進(jìn)適用、經(jīng)濟(jì)節(jié)能環(huán)?！苯ㄔO(shè)目標(biāo)[1]，這對變電站二次設(shè)備的優(yōu)化集成提出了更高的要求。但目前，變電站內(nèi)二次設(shè)備集成方案存在著一定的無序的狀態(tài)[4-5]；變電站二次設(shè)備的集成與研發(fā)沒有一個(gè)合理的指導(dǎo)原則。

本文首先從變電站保護(hù)緊急控制與經(jīng)濟(jì)調(diào)度平面原則出發(fā)，對變電站二次體系框架進(jìn)行了闡述，按照變電站雙平面原則，從橫、縱兩個(gè)方向，對變電站量測與控制業(yè)務(wù)的集成方式進(jìn)行了研究，并提供了不同集成方式下的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)與運(yùn)維解決方案。

1 基于雙平面的測控裝置優(yōu)化集成

1.1 變電站二次設(shè)備體系框架

目前，變電站內(nèi)的二次設(shè)備主要有保護(hù)、測控、錄波、PMU、穩(wěn)控及計(jì)量裝置；保護(hù)、穩(wěn)控等裝置主要是變電站異常情況下的實(shí)時(shí)保護(hù)與緊急控制，其特點(diǎn)主要是強(qiáng)實(shí)時(shí)的自適應(yīng)閉環(huán)系統(tǒng)。測控、PMU、計(jì)量主要為變電站運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視及調(diào)度端的經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)控制提出基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并完成經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制指令，其特點(diǎn)為高精度的開放式測量與控制系統(tǒng)。在圖1中，我們根據(jù)變電站數(shù)據(jù)邏輯功能用途不同，將電力系統(tǒng)二次設(shè)備控制、監(jiān)視分為“兩個(gè)平面”；一為調(diào)度監(jiān)控平面，另一個(gè)為緊急控制層面。其特征見表1。

表1 電力系統(tǒng)二次設(shè)備劃分平面

圖1 智能變電站框架體系

綜上所述，變電站二次設(shè)備的優(yōu)化與集成的原則，應(yīng)該依據(jù)數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求與控制方式的不同在同一控制平面內(nèi)進(jìn)行變電站多業(yè)務(wù)種類的集成與優(yōu)化，從而最終使整合后的設(shè)備功能布局更加合理，綜合性能更加完善，控制更加便捷，更具有社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 測控裝置的雙向集成

在變電站二次設(shè)備框架體系的基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)意義上的測控裝置的集成可以按照縱向與橫向兩個(gè)方向進(jìn)行集成。從而在其原有的簡單“四遙”基礎(chǔ)上賦予更多基礎(chǔ)數(shù)據(jù)載體與經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制的功能，主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集時(shí)間斷面、采樣精度和協(xié)同控制能力的提高。

縱向集成是將變電站內(nèi)的對數(shù)據(jù)來源相同，并具有類似數(shù)據(jù)質(zhì)量要求的不同業(yè)務(wù)進(jìn)行功能整合，從而實(shí)現(xiàn)最大意義上的同類功能整合與綜合性能提升，減少變電站的對設(shè)備的重復(fù)投資。

橫向集成是按照同一業(yè)務(wù)原則將變電站內(nèi)多個(gè)間隔數(shù)據(jù)集中采集與處理，最大化實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)信息的共享與集中式控制。

2 智能站多功能測控裝置的研制

多功能測控裝置按照縱向集成原則而設(shè)計(jì)，高度集成了一個(gè)間隔的測控、非關(guān)口計(jì)量和同步相量測量功能[6]。多功能測控裝置中測控、非關(guān)口計(jì)量與同步相量功能所采集與展示的都是測量級數(shù)據(jù)，反應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下的運(yùn)行水平，數(shù)據(jù)來源相同；且隨著主站狀態(tài)估計(jì)準(zhǔn)確度對測量數(shù)據(jù)時(shí)間斷面統(tǒng)一性的要求提升，遙測數(shù)據(jù)與相量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性逐漸有同質(zhì)化的要求。從技術(shù)角度而言，測控、PMU、非光口計(jì)量存在整合的可能及必要性，便于多業(yè)務(wù)的融合管理。從集成角度看，多功能測控裝置可以減少間隔內(nèi)IED 設(shè)備的種類，便于多專業(yè)的集成，減少站內(nèi)交換機(jī)數(shù)目。

2.1 硬件構(gòu)成

多功能測控的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。在該方案中過程層插件采用大容量FPGA 搭建100M 冗余過程層總線，實(shí)現(xiàn)過程層 SV 數(shù)據(jù)的信號采集以及GOOSE 信號發(fā)送，并通過高速背板總線將原始采樣數(shù)據(jù)同步后送給核心處理DSP 插件進(jìn)行處理。

圖2 硬件架構(gòu)

核心DSP 處理插件采用ADI 高性能的浮點(diǎn)DSP，對過程層數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)運(yùn)算，并針對測控、PMU 與計(jì)量功能在監(jiān)視方向輸出結(jié)果上數(shù)據(jù)質(zhì)量（精確性、顆粒度、實(shí)時(shí)性）的要求產(chǎn)生不同的結(jié)果，并將結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給通信處理插件。

通信管理插件采用專為高性能通信而設(shè)計(jì)的MPC5200 芯片組，實(shí)現(xiàn)PMU 與MMS 數(shù)據(jù)的并行上送以及電能量數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)。

2.2 軟件構(gòu)成

多功能測控裝置的軟件劃分為應(yīng)用軟件和平臺(tái)軟件兩個(gè)部分，應(yīng)用軟件負(fù)責(zé)測量量的計(jì)算處理，控制命令的邏輯執(zhí)行等具有專屬性質(zhì)的頂層應(yīng)用，平臺(tái)軟件負(fù)責(zé)具通用性質(zhì)的底層應(yīng)用如硬件驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)管理，公共服務(wù)等等。多功能測控軟件體系如圖3所示。

圖3 軟件架構(gòu)

2.3 多功能測控裝置關(guān)鍵技術(shù)

1）多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)融合

多功能測控包含了測控、PMU、計(jì)量三類計(jì)算功能，測控需要計(jì)算模擬量的全波有效值，上送間隔為200ms 級為單位；PMU 需要模擬量的基波有效值，上送間隔為10ms 級為單位；而計(jì)量則是計(jì)算各個(gè)方向下全波功率的能量積分，按小時(shí)進(jìn)行凍結(jié)上送。三類業(yè)務(wù)在數(shù)據(jù)源頭上都是圍繞測量數(shù)據(jù)而展開，而在輸出產(chǎn)物和上送頻度上，又各有不同。因此需要對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的公共處理進(jìn)行合并，提升運(yùn)算效率，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)運(yùn)算層面三類數(shù)據(jù)的融合。并最終通過共享物理接口的方式，按照不同實(shí)時(shí)性共板傳輸，實(shí)現(xiàn)物理鏈路的數(shù)據(jù)融合。

表2 多功能測控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)特征表

從表2可以看出，PMU 的測量數(shù)據(jù)是測控的子集；而狀態(tài)估計(jì)對測控遙測數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)的準(zhǔn)確性與WAMS 主站對相量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性均為0ms，上送頻度上PMU 與測控是倍數(shù)關(guān)系。

按照上述要求，多功能測控的前端計(jì)算處理模塊每10ms 一個(gè)間隔按照當(dāng)前系統(tǒng)頻率進(jìn)行完整插值，并對插值后的離散采樣點(diǎn)進(jìn)行離散傅里葉（DFT）變化，計(jì)算出各次諧波的幅值。根據(jù)諧波正交性原理，模擬量總有效值的計(jì)算公式如下：

其中Am（1）即為PMU 所需要的基波相量幅值，而A即為測控裝置所需要的全波有效值。同理，裝置的全波功率即為各次諧波功率的累加。

通過上述處理方法，可以在基礎(chǔ)運(yùn)算層實(shí)現(xiàn)測控、PMU、計(jì)量三類數(shù)據(jù)的融合，為三類業(yè)務(wù)的整體提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

從數(shù)據(jù)傳輸角度看，PMU 數(shù)據(jù)的上送顆粒度在10～40ms 為周期，通過C37.118 規(guī)約上送數(shù)據(jù)集中器或者是調(diào)度主站，實(shí)時(shí)性要求很高，但帶寬要求較低；測控?cái)?shù)據(jù)通過IEC 61850 服務(wù)將變電站信息上送至站控層，顆粒度按照百毫秒計(jì)，遙測響應(yīng)時(shí)間為秒級。為保證兩類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按照不同實(shí)時(shí)性要求進(jìn)行傳輸，將PMU 數(shù)據(jù)的socket 偵聽與發(fā)送放在實(shí)時(shí)進(jìn)程中執(zhí)行，以中斷喚醒方式將實(shí)時(shí)PMU數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)議棧緩沖區(qū)，并通過DMA 發(fā)送至網(wǎng)卡，從而保證數(shù)據(jù)發(fā)送實(shí)時(shí)性。

2）計(jì)量模塊IEC 61850 模型設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)計(jì)量業(yè)務(wù)一般通過DL/T 645 協(xié)議進(jìn)行上送，而多功能測控裝置中的計(jì)量模塊需要考慮按照IEC 61850 模型進(jìn)行設(shè)計(jì)[7]，以滿足多功能測控裝置數(shù)據(jù)上送接口標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)需要，為建設(shè)高度集成的系統(tǒng)提供條件。

表3中列舉的是多功能測控裝置計(jì)量模塊所涉及的邏輯接點(diǎn)。

表3

在實(shí)現(xiàn)過程中，可根據(jù)表4對計(jì)量DO 進(jìn)行擴(kuò)充，從而滿足對于各類電能量統(tǒng)計(jì)值的補(bǔ)充上送。

2.4 多功能測控裝置未來趨勢

多功能測控裝置本著面向間隔縱向集成的原則，隨著未來技術(shù)發(fā)展與集成度水平進(jìn)一步提高，多功能測控裝置功能上還可實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量分析等功能，在通信接口上，可根據(jù)主站業(yè)務(wù)需要將模擬量通道進(jìn)行進(jìn)一步整合，最終成為智能變電站內(nèi)量測數(shù)據(jù)的惟一載體。

3 智能站集中式測控裝置的研制

集中式測控裝置按照橫向原則，主要面向同類業(yè)務(wù)而設(shè)計(jì)，將變電站內(nèi)多間隔測控裝置功能進(jìn)行集中采集與控制。集中式測控可以配合保護(hù)就地化方案的布置需要，最大化程度上實(shí)現(xiàn)站內(nèi)間隔層設(shè)備的信息共享，減少間隔層IED 設(shè)備數(shù)量與占地面積[8]。

3.1 集中式測控裝置關(guān)鍵技術(shù)

集中式測控的關(guān)鍵技術(shù)主要有：

1）集中式測控雙重化配置數(shù)據(jù)冗余處理

由于集中式測控裝置集中采集了多個(gè)間隔IED設(shè)備的信息，為保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，避免在二次設(shè)備N-1 條件下造成電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的大面積缺失，因此對集中式測控按照雙重化進(jìn)行配置。為了避免測量、控制數(shù)據(jù)的不單一，避免2 套數(shù)據(jù)對運(yùn)行值班人員的影響[9-10]。在雙重化運(yùn)行模式下，集中式測控采用熱備用方案運(yùn)行，兩套集中測控各配置一個(gè)檢修壓板，正常運(yùn)行時(shí)，投入其中一套測控裝置的檢修壓板，作為熱備用測控；另一套未投入檢修壓板的集中式測控作為主測控運(yùn)行。在 IEC 61850 通信上，雙套測控采用相同模型進(jìn)行建模，

站控層裝置接收兩套測控裝置的監(jiān)視數(shù)據(jù)，并按照上送數(shù)據(jù)的品質(zhì)信息，將監(jiān)視信號反饋給站內(nèi)運(yùn)行人員及主站。正常運(yùn)行過程中，在控制方向上，針對主運(yùn)行的集中式測控裝置下發(fā)控制命令。

上述集中式測控雙冗余方案能夠最大程度上簡化集中測控裝置的運(yùn)行與管理。通過模型一致性映射，避免了后臺(tái)對于一次設(shè)備狀態(tài)點(diǎn)組態(tài)的問題；通過檢修壓板切換實(shí)現(xiàn)了集中式測控的熱備用冗余，并且簡化了在站控層的數(shù)據(jù)辨識(shí)方案。

2）集中式測控的運(yùn)維管理設(shè)計(jì)

集中式測控由于集成了多個(gè)間隔功能，因此在運(yùn)維管理的設(shè)計(jì)上與傳統(tǒng)的按間隔概念不同；

（1）一般運(yùn)行。集中式測控屏柜上不再設(shè)置就地操作按鈕，僅設(shè)置檢修按鈕。在智能變電站情況下，間隔的操作僅允許在遠(yuǎn)方遙控，或者是通過智能終端就地進(jìn)行。這避免了運(yùn)行人員在現(xiàn)場運(yùn)行時(shí)，通過屏柜誤操作的可能。

（2）檢修維護(hù)。智能化站一次設(shè)備檢修工況下，一次系統(tǒng)的回路設(shè)計(jì)與接線均直接與過程層裝置按照間隔對應(yīng)，不再與間隔層設(shè)備連接，且調(diào)試過程中的控制，也不在間隔層完成，因此，在一次設(shè)備檢修時(shí)，不需要對集中式測控進(jìn)行額外操作，可由集中式測控的數(shù)據(jù)辨識(shí)將過程層數(shù)據(jù)的有效信號上送站控層即可。而當(dāng)二次設(shè)備檢修情況下，一般并不需要一次設(shè)備陪停，可通投退檢修壓板，即可完成對應(yīng)集中式測控的檢修。

（3）擴(kuò)建。當(dāng)集中式測控需要增加間隔時(shí)，為避免最小情況下影響其他裝置的運(yùn)行，可通過檢修壓板進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)改擴(kuò)建的實(shí)施。對運(yùn)行間隔的操作切換至第A 套集中式測控上完成，對改擴(kuò)建間隔，將另一套集中式測控與過程層設(shè)備的置檢修壓板投上，通過檢修狀態(tài)下，對改擴(kuò)建間隔完成單套調(diào)試。

3.2 集中式測控裝置未來趨勢

集中式測控裝置作為間隔層的集中采集與管理裝置，不僅僅是傳統(tǒng)意義的大測控概念；它在保證原有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上，最大程度上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，因此未來可以作為變電站內(nèi)經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制的大腦，與主站或者區(qū)域進(jìn)行協(xié)調(diào)，完成站內(nèi)程序化操作與執(zhí)行。同時(shí)，集中式測控作為過程層數(shù)據(jù)與站控層數(shù)據(jù)的接口，在智能變電站海量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過有效的進(jìn)行數(shù)據(jù)辨識(shí)，最終實(shí)現(xiàn)變電站Raw數(shù)據(jù)向熟數(shù)據(jù)的過度，提升變電站運(yùn)行狀態(tài)水平。

4 結(jié)論

本文從智能變電站的體系框架入手，將變電站劃分為保護(hù)緊急控制與經(jīng)濟(jì)調(diào)度兩個(gè)層面，并在該原則下對變電站的量測與控制業(yè)務(wù)從橫向及縱向兩個(gè)方向的優(yōu)化集成進(jìn)行了研究，提出了多功能測控與集中式測控兩種實(shí)現(xiàn)形式，并針對兩類測控裝置的關(guān)鍵技術(shù)及未來趨勢進(jìn)行了研究，為變電站量測與控制業(yè)務(wù)的發(fā)展提供了參考。

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