數(shù)字化集成保護(hù)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案

曹潤(rùn)彬，董新洲，王 賓，施慎行，BAK Dominik，何世恩，孫辰軍

（1.清華大學(xué) 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.甘肅省電力公司風(fēng)電中心，甘肅 蘭州 730050；3.河北省電力公司，河北 石家莊 050021）

0 引言

近年來，線路切除引發(fā)的潮流轉(zhuǎn)移和后備保護(hù)的不合理跳閘成為了多起大停電事故的導(dǎo)火索[1-3]。在結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜、運(yùn)行方式愈加靈活的電網(wǎng)中，傳統(tǒng)保護(hù)選擇性和靈敏性、保護(hù)元件和保護(hù)系統(tǒng)之間的矛盾以及與安全穩(wěn)定控制裝置配合不當(dāng)?shù)膯栴}越發(fā)突出。為此，文獻(xiàn)[4-5]在現(xiàn)有保護(hù)的基礎(chǔ)上增加了新的判據(jù)，文獻(xiàn)[6-7]分別研究了基于潮流轉(zhuǎn)移識(shí)別和故障電壓分布的廣域后備保護(hù)算法，此方案對(duì)通信可靠性和實(shí)時(shí)性要求較高，實(shí)現(xiàn)較為困難。文獻(xiàn)[8]提出了基于變電站站域信息集成的系統(tǒng)保護(hù)，將消除過負(fù)荷而不是簡(jiǎn)單切除過負(fù)荷電氣設(shè)備為目標(biāo)，革新了現(xiàn)有保護(hù)的準(zhǔn)則和理念，切實(shí)可行，是繼電保護(hù)和安全穩(wěn)定控制技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果和趨勢(shì)。

電子式互感器、合并單元MU（Merging Unit）和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，給電力系統(tǒng)帶來了數(shù)字化的變革。一個(gè)變電站內(nèi)的各種數(shù)據(jù)完全可以通過網(wǎng)絡(luò)方式和統(tǒng)一的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)得到共享。充分利用這些信息，可以構(gòu)成智能變電站集成保護(hù)控制系統(tǒng)[9]，使得1969年由美國學(xué)者Rockfeller提出的計(jì)算機(jī)保護(hù)變成現(xiàn)實(shí)。研發(fā)基于站域信息的集成保護(hù)控制系統(tǒng)勢(shì)在必行。

文獻(xiàn)[10-12]研究了基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的集中式保護(hù)，將變電站中分散的保護(hù)功能模塊集中在一臺(tái)智能電子設(shè)備（IED）中完成，實(shí)現(xiàn)了硬件和功能的整合，然而對(duì)冗余信息的挖掘利用不足?；诙嘀悄荏w技術(shù)，文獻(xiàn)[13]提出了一種多保護(hù)算法的集成保護(hù)方案，文獻(xiàn)[14]提出了集合保護(hù)的概念，上述方案引進(jìn)了有限廣域信息，存在通信和計(jì)算的問題。文獻(xiàn)[15]提出了數(shù)字化集成保護(hù)控制DIPC（Digital Integrated Protection and Control）系統(tǒng)的構(gòu)想，旨在實(shí)現(xiàn)整個(gè)變電站保護(hù)和控制系統(tǒng)的集成，達(dá)到智能變電站二次系統(tǒng)的硬件集成、功能集成和信息集成。

本文在文獻(xiàn)[15]的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了多功能保護(hù)控制器、合并單元和智能終端全套DIPC系統(tǒng)，給出了其硬件方案及主要軟件設(shè)計(jì)流程，同時(shí)給出了該系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果。

1 DIPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DIPC系統(tǒng)是基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的二次保護(hù)控制系統(tǒng)，由設(shè)備層智能終端IT（Intelligent Terminal）、合并單元和系統(tǒng)層多功能保護(hù)控制器MPCU（Multifunctional Protection and Control Unit）三大核心部件及光纖以太網(wǎng)、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，配置方案如圖1所示。

圖1 智能變電站DIPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of DIPC system for smart substation

智能變電站組網(wǎng)方式靈活，圖1所示為采樣值（SV）報(bào)文和GOOSE報(bào)文共享雙網(wǎng)且網(wǎng)采網(wǎng)跳的情況，多功能保護(hù)控制器A、B及交換機(jī)A、B均為雙配置。在DIPC系統(tǒng)中，電流/電壓互感器（TA/TV）數(shù)據(jù)經(jīng)合并單元采集，通過以太網(wǎng)發(fā)送SV報(bào)文給多功能保護(hù)控制器，實(shí)現(xiàn)變電站信息共享與集成；多功能保護(hù)控制器收集多個(gè)合并單元傳送的SV報(bào)文，利用站域信息提高保護(hù)性能、優(yōu)化控制功能，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)需要開合本站設(shè)備時(shí)，通過以太網(wǎng)下發(fā)GOOSE報(bào)文給智能終端，對(duì)一次開關(guān)設(shè)備進(jìn)行操作。

2 多功能保護(hù)控制器的實(shí)現(xiàn)方案

多功能保護(hù)控制器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算和邏輯判斷，是DIPC的核心元件，也是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)[16]。多功能保護(hù)控制器研制有2個(gè)難點(diǎn)：一是通信瓶頸，即大量數(shù)據(jù)的同步采集問題；二是處理瓶頸，即大量數(shù)據(jù)的快速處理問題。針對(duì)這2個(gè)問題，本文在硬件平臺(tái)、軟件構(gòu)架、代碼執(zhí)行效率等方面進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)計(jì)。

2.1 硬件構(gòu)成

多功能保護(hù)控制器采用T型插件式結(jié)構(gòu)，主要由功能板、監(jiān)控板構(gòu)成，另外還有電源板、母板、前面板等。功能板接收SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文并進(jìn)行解析，完成保護(hù)、測(cè)量和控制功能所要求的計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果以GOOSE報(bào)文的形式下發(fā)給特定的智能終端進(jìn)行操作。監(jiān)控板和各功能板之間采用高速的CAN總線通信。

功能板既需要進(jìn)行高強(qiáng)度的通信，又要承擔(dān)大量的計(jì)算任務(wù)，對(duì)速度和可靠性都有較高要求，采用嵌入式微處理器（ARM）AT91SAM9263和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）TMS320C6713雙CPU構(gòu)架模式。其中，ARM專門負(fù)責(zé)SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文的收發(fā)、解析以及以太網(wǎng)通信的控制，其外圍包括了存儲(chǔ)系統(tǒng)、以太網(wǎng)通信系統(tǒng)、CAN通信系統(tǒng)等；DSP專門負(fù)責(zé)保護(hù)計(jì)算和邏輯判斷，其外圍主要是存儲(chǔ)系統(tǒng)。雙CPU間通過一個(gè)高速雙口靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）和4根中斷信號(hào)線交換數(shù)據(jù)。2個(gè)CPU的協(xié)同工作極大提高了功能板的處理能力，對(duì)解決集成保護(hù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理瓶頸提供了幫助。硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 MPCU功能板硬件框圖Fig.2 Block diagram of functional board of MPCU

監(jiān)控插件在多功能保護(hù)控制器中負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行監(jiān)控和管理，同時(shí)提供人機(jī)交互的界面，采用ARM單CPU配置，并包含存儲(chǔ)系統(tǒng)、通信模塊、液晶顯示、電源、復(fù)位電路、調(diào)試接口等外設(shè)接口。

2.2 軟件構(gòu)成

功能板DSP負(fù)責(zé)核心的保護(hù)控制程序，主程序流程圖見圖3，各保護(hù)對(duì)象的處理程序相同，圖中進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

圖3 MPCU保護(hù)控制主程序流程圖Fig.3 Flowchart of main protection and control program of MPCU

對(duì)保護(hù)對(duì)象（線路）依次進(jìn)行處理。如果該保護(hù)對(duì)象開放，則先對(duì)其進(jìn)行起動(dòng)判斷和相量計(jì)算。如果二級(jí)起動(dòng)則進(jìn)入保護(hù)模塊的處理區(qū)，否則直接進(jìn)入下一個(gè)保護(hù)對(duì)象的處理。在保護(hù)模塊的處理區(qū)，根據(jù)該對(duì)象的壓板投入情況判斷是否開啟該保護(hù)模塊的判斷處理。

傳統(tǒng)全周波或半周波傅里葉算法及在此基礎(chǔ)上的起動(dòng)判斷，不能滿足多功能保護(hù)控制器對(duì)多個(gè)保護(hù)對(duì)象的冗余信息進(jìn)行快速可靠處理的要求。為解決此問題，設(shè)計(jì)了兩級(jí)相量計(jì)算和兩級(jí)起動(dòng)方法。

本文相量計(jì)算采用級(jí)數(shù)形式的滑動(dòng)離散傅里葉變換（DFT）優(yōu)化算法[16]，其計(jì)算形式如下：

其中，N為每周期采樣點(diǎn)數(shù)；xk為第k點(diǎn)SV；Xp為第p點(diǎn)相量；為第p點(diǎn)采樣值累積級(jí)數(shù)和。將相量分為兩級(jí)求解，一級(jí)相量求累積級(jí)數(shù)和，即：

每增加1個(gè)采樣點(diǎn)，進(jìn)行一級(jí)相量計(jì)算，包括2次乘法和加法，較式（1）大幅減小了計(jì)算量。

二級(jí)相量計(jì)算求DFT有效值，利用時(shí)間上相差1個(gè)周期的2個(gè)累積級(jí)數(shù)和的差得到這1個(gè)周期采樣點(diǎn)的級(jí)數(shù)和（需考慮越限問題），再計(jì)算該相量的實(shí)部、虛部以及幅值等。電壓/電流相量的實(shí)部和虛部分別為：

其中，p＞N。

對(duì)電流SV相間突變量進(jìn)行一級(jí)起動(dòng)判斷，如果判定為一級(jí)起動(dòng)，則進(jìn)行二級(jí)相量計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上對(duì)相電流工頻變化量、負(fù)序過流和零序電流進(jìn)行二級(jí)起動(dòng)判斷。

正常情況下，只需執(zhí)行一級(jí)相量計(jì)算和一級(jí)起動(dòng)判據(jù)；發(fā)生故障或擾動(dòng)時(shí)，才進(jìn)行二級(jí)相量計(jì)算和二級(jí)起動(dòng)判據(jù)。這樣，不僅減少了計(jì)算量，靈活運(yùn)用CPU資源，保證了保護(hù)的快速性，而且可以避免在非故障情況下保護(hù)誤動(dòng)，提高保護(hù)的可靠性[17]。

2.3 功能板ARM程序

功能板ARM是核心通信模塊，既負(fù)責(zé)板卡內(nèi)部ARM與DSP通信，又負(fù)責(zé)板卡間CAN通信以及裝置外部以太網(wǎng)通信。程序設(shè)有以太網(wǎng)接收中斷、CAN接收中斷、定時(shí)器中斷和外部中斷4類中斷。

3 智能終端的實(shí)現(xiàn)方案

智能終端采用電纜與一次設(shè)備連接，采用光纖與測(cè)控、保護(hù)等二次設(shè)備連接，采集并以GOOSE方式上傳一次設(shè)備的狀態(tài)信息，同時(shí)接收來自二次設(shè)備的下行控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)一次設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。智能終端研發(fā)重點(diǎn)在于對(duì)一次開關(guān)設(shè)備及時(shí)可靠的控制[17]。

3.1 硬件構(gòu)成

智能終端裝置主要由主控板、開出板、聯(lián)鎖板、開入板、操作箱板和模擬輸入板等部分組成。其中，開入板采集開關(guān)設(shè)備狀態(tài)信號(hào)，模擬輸入板采集開關(guān)設(shè)備傳感信號(hào)，并送至主控板處理。為滿足功能要求，主控板采用ARM和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）雙CPU構(gòu)架模式，主要由核心控制模塊、通信模塊、同步時(shí)間模塊和事件記錄模塊組成，帶8個(gè)以太網(wǎng)光纖通信接口和1個(gè)以太網(wǎng)電纜通信接口，如圖4所示。

開出板通過控制繼電器觸點(diǎn)分合來實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)設(shè)備一次回路的通斷、告警和閉鎖。其中，發(fā)送給變電站系統(tǒng)層或設(shè)備層IED裝置的閉鎖、告警信號(hào)通過開出板1實(shí)現(xiàn)；對(duì)隔離開關(guān)以及接地刀閘的操作通過聯(lián)鎖板的聯(lián)鎖繼電器串聯(lián)控制；針對(duì)斷路器的開出信號(hào)需要再經(jīng)過操作回路板實(shí)現(xiàn)跳位監(jiān)視、合閘保持、重合閘、防跳、手合、手跳、保護(hù)跳閘、跳閘保持、合位監(jiān)視等功能。三者的關(guān)系見圖5。

3.2 軟件構(gòu)成

智能終端的軟件主要包括配置記錄、開關(guān)量采集、開關(guān)控制、通信、模擬量采集、同步對(duì)時(shí)6個(gè)部分，在主控板FPGA和ARM中實(shí)現(xiàn)。

圖4 智能終端主控板硬件框圖Fig.4 Block diagram of main board of intelligent terminal

其中，F(xiàn)PGA主要完成對(duì)開入、開出、聯(lián)鎖板模擬開關(guān)的操作，片選以太網(wǎng)控制器和同步對(duì)時(shí)。ARM程序由一個(gè)主程序和以太網(wǎng)接收中斷、定時(shí)器中斷、串口接收中斷3類中斷構(gòu)成。初始化、CRC校驗(yàn)、SOE記錄在主程序中實(shí)現(xiàn)；通過以太網(wǎng)接收中斷實(shí)現(xiàn)后臺(tái)配置和GOOSE報(bào)文接收，接收到跳閘報(bào)文后調(diào)用FPGA中的開出控制模塊實(shí)現(xiàn)開關(guān)操作；定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)開入量采集，并調(diào)用同步對(duì)時(shí)和以太網(wǎng)發(fā)送模塊；模擬輸入板定時(shí)向主控板經(jīng)串口發(fā)送模擬采樣數(shù)據(jù)，并調(diào)用模擬量采集模塊進(jìn)行濾波以及向系統(tǒng)層發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖5 智能終端開出板、聯(lián)鎖板及操作回路板連接示意圖Fig.5 Connection of intelligent terminal’s output board，interlock board and operation circuit board

4 合并單元的實(shí)現(xiàn)方案

合并單元采集一次側(cè)信號(hào)，經(jīng)過一定的預(yù)處理后，按 IEC61850-9 協(xié)議或 IEC60044-7/8（FT3）協(xié)議接口輸出。對(duì)于SV組網(wǎng)傳輸?shù)姆绞?，合并單元需提供相?yīng)的以太網(wǎng)口，對(duì)于SV點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)姆绞?，合并單元?yīng)分別對(duì)保護(hù)、測(cè)控、錄波、計(jì)量等不同的二次設(shè)備提供足夠的輸出接口[18]。在老站改造或新建變電站中，存在電磁式互感器和電子式互感器混合使用或單獨(dú)使用的情況，需考慮對(duì)傳統(tǒng)互感器的兼容。靈活多變的通信配置，數(shù)據(jù)同步采樣、實(shí)時(shí)可靠傳輸?shù)母咭蠛痛罅客ㄐ艛?shù)據(jù)流，都是合并單元設(shè)計(jì)中面臨的挑戰(zhàn)。

4.1 硬件構(gòu)成

針對(duì)上述問題，兼顧模擬采樣和數(shù)字輸入、SV和FT3報(bào)文輸出、開關(guān)狀態(tài)GOOSE采集和電纜接入、母線和線路間隔，合并單元設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)如圖6所示。

針對(duì)電磁式互感器，本文在設(shè)計(jì)中加入TA/TV模塊；針對(duì)電子式互感器，設(shè)計(jì)FT3報(bào)文接收模塊。另外，如果間隔二次設(shè)備需要母線電壓，安裝于間隔的合并單元還應(yīng)接入母線合并單元的母線電壓信號(hào)，多采用FT3報(bào)文格式傳輸；同理，如果合并單元安裝于母線處，則需要考慮FT3報(bào)文輸出。針對(duì)2種報(bào)文的輸出情況，本方案設(shè)計(jì)了最多6路光纖以太網(wǎng)收/發(fā)接口和8路光串口。其中，核心板上布置3路光串口、2路光纖以太網(wǎng)接口，增加2塊帶4路光纖以太網(wǎng)接口的通信擴(kuò)展板1和帶5路光串口接口的通信擴(kuò)展板2，可根據(jù)需求靈活配置。

圖6 合并單元總體硬件構(gòu)架圖Fig.6 Overall hardware framework of MU

合并單元可通過開入開出板直采開關(guān)位置接點(diǎn)，也可接收GOOSE報(bào)文獲取開關(guān)信息。TA/TV板需滿足測(cè)量電流精度不低于0.2S級(jí)、測(cè)量用電壓精度不低于0.2級(jí)、保護(hù)用電流精度不低于5P級(jí)、保護(hù)用電壓精度不低于3P級(jí)的要求。核心板采用了ARM+FPGA雙CPU配置。考慮到采樣同步和實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊螅珹/D采樣、同步對(duì)時(shí)和FT3報(bào)文接收、解析、發(fā)送等功能均在FPGA中完成，給ARM預(yù)留足夠資源完成數(shù)據(jù)處理、以太網(wǎng)通信、人機(jī)接口等功能。GPS秒脈沖和IRIG-B碼作為同步時(shí)鐘源以TTL電平或光纖接入?？紤]到同步對(duì)時(shí)的可靠性，可采用雙GPS主從模式。

4.2 軟件構(gòu)成

根據(jù)合并單元的功能要求，其軟件主要由數(shù)據(jù)接收、同步對(duì)時(shí)、開入開出、數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)處理五大模塊構(gòu)成，由ARM和FPGA協(xié)作完成。

數(shù)據(jù)接收模塊在FPGA中實(shí)現(xiàn)，可分為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)2類。接收的數(shù)字量是來自母線合并單元的母線電壓信號(hào)，以FT3報(bào)文格式傳輸，標(biāo)準(zhǔn)傳輸速度為2.5 Mbit/s，采用曼切斯特編碼，處理程序包括解碼和CRC校驗(yàn)。接收的模擬量首先經(jīng)過有源二階低通濾波器，再由FPGA驅(qū)動(dòng)A/D采樣模塊進(jìn)行采樣并采集數(shù)據(jù)。FPGA程序用3個(gè)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)同步采樣，其中前2個(gè)進(jìn)程根據(jù)時(shí)間同步信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)啟動(dòng)采樣的方波信號(hào)，采樣率可調(diào)，第3個(gè)進(jìn)程則為A/D采樣模塊和采集數(shù)據(jù)的進(jìn)程。

同步對(duì)時(shí)程序在FPGA中完成，主要包括2個(gè)部分：對(duì)IRIG-B碼解碼提取時(shí)間信息，為避免解碼時(shí)差，將解碼時(shí)間加1 s在下一個(gè)秒脈沖來到時(shí)寫入作為當(dāng)前時(shí)刻（精確到s）；對(duì)秒脈沖在上升沿來到時(shí)，進(jìn)行觸發(fā)重新分頻和計(jì)數(shù)器清零，分頻信號(hào)供A/D采樣模塊進(jìn)行同步采樣，計(jì)數(shù)器提供當(dāng)前時(shí)刻的μs級(jí)計(jì)數(shù)。需檢查秒脈沖判斷是否合理。若秒脈沖丟失，可根據(jù)IRIG-B碼碼元進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償式對(duì)時(shí)。

開入/開出模塊主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能：接收開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)信息；對(duì)安裝于線路間隔的合并單元，實(shí)現(xiàn)母線電壓切換，對(duì)母線合并單元實(shí)現(xiàn)電壓并列；對(duì)開關(guān)異常情況發(fā)出告警信號(hào)。電壓并列和電壓切換與變電站一次接線相關(guān)，具體邏輯在此不詳述。

數(shù)據(jù)處理模塊主要有數(shù)字濾波、重采樣和組幀3個(gè)功能，其中，數(shù)字濾波針對(duì)內(nèi)設(shè)TA/TV板的情況。IEC60044-8中對(duì)數(shù)據(jù)有線性相位的要求，并且要求數(shù)據(jù)精度高、噪聲小，測(cè)控部分要求可以處理13次及以下諧波，故選擇15階FIR濾波器，截止頻率為650 Hz。

根據(jù)IEC61850-9-2le可知：對(duì)于保護(hù)數(shù)據(jù)，每周波采樣80個(gè)點(diǎn)，發(fā)送80個(gè)SV報(bào)文；對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)，每周期采樣256個(gè)點(diǎn)，每周期向二次單元發(fā)送32個(gè)SV報(bào)文。由于IEC60044-8協(xié)議傳輸速率有限，不能傳輸采樣率高于4000點(diǎn)/s的SV數(shù)據(jù)，因此對(duì)FT3報(bào)文輸入、SV報(bào)文輸出的測(cè)量數(shù)據(jù)，需要在ARM中完成重采樣。對(duì)于其他數(shù)據(jù)，由于FPGA采樣率可調(diào)和FT3報(bào)文速率限制，無需重采樣。

根據(jù)變電站要求，合并單元可提供FT3報(bào)文和SV報(bào)文2種數(shù)據(jù)輸出，其中FT3報(bào)文由FPGA直接發(fā)送，SV報(bào)文由ARM發(fā)送。當(dāng)多臺(tái)合并單元共同工作時(shí)，需考慮時(shí)序配合，詳見5.2節(jié)。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在DIPC系統(tǒng)平臺(tái)上，已編寫三段式距離保護(hù)、三段式過電流保護(hù)、重合閘等算法，下面對(duì)保護(hù)功能、集成通信和計(jì)算能力進(jìn)行測(cè)試。

5.1 保護(hù)功能測(cè)試

5.1.1 距離保護(hù)算法

為對(duì)DIPC系統(tǒng)的距離保護(hù)算法進(jìn)行驗(yàn)證，搭建測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)由2臺(tái)繼電保護(hù)測(cè)試儀、4臺(tái)合并單元、1臺(tái)GPS同步對(duì)時(shí)裝置、1臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和多功能保護(hù)控制器構(gòu)成。

將保護(hù)動(dòng)作出口信號(hào)接入繼電保護(hù)測(cè)試儀的開入端子，并以“單相故障跳單相，多相故障跳三相”的方式向繼電保護(hù)測(cè)試儀發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。通過繼電保護(hù)測(cè)試儀的實(shí)驗(yàn)波形、出口時(shí)間等信息，驗(yàn)證保護(hù)算法的正確性，并根據(jù)監(jiān)控界面顯示的故障報(bào)文檢驗(yàn)故障測(cè)距和選相等功能。對(duì)不同故障類型和故障距離進(jìn)行測(cè)試，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明基于DIPC系統(tǒng)的距離保護(hù)算法可以正確起動(dòng)并正確選相，滿足相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。典型測(cè)試結(jié)果見圖7，圖中，保護(hù)I段范圍內(nèi)A相接地，故障繼電器在21.1 ms動(dòng)作出口。

圖7 距離保護(hù)功能測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results of distance protection

5.1.2 過流保護(hù)算法與重合閘

利用RTDS能實(shí)現(xiàn)DIPC系統(tǒng)閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證過流保護(hù)及重合閘算法，測(cè)試平臺(tái)如圖8所示。

圖8 RTDS閉環(huán)仿真測(cè)試平臺(tái)Fig.8 Test platform of RTDS close-loop simulation

利用RSCAD建立35 kV模型，仿真故障發(fā)生在下一段線路出口處，過流Ⅲ段應(yīng)起動(dòng)。圖9為永久故障下的保護(hù)及重合閘情況，圖中，由上至下分別為線路電流、電壓及保護(hù)出口合閘信息。由圖9可見，當(dāng)重合于永久性故障時(shí)，保護(hù)Ⅲ段加速跳閘，延時(shí)約20 ms保護(hù)出口。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在故障情況下，DIPC系統(tǒng)能做出快速可靠的反應(yīng)。

圖9 永久故障下保護(hù)和重合閘動(dòng)作情況Fig.9 Behavior of protection under permanent fault

5.2 集成通信與計(jì)算能力測(cè)試

針對(duì)集成保護(hù)算法的集成通信和運(yùn)算能力，對(duì)4間隔ARM通信處理時(shí)間和4條線路同時(shí)故障狀態(tài)下DSP相關(guān)程序運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。由圖10可知，在增加合并單元發(fā)包延時(shí)的基礎(chǔ)上，ARM可以處理4間隔SV報(bào)文，耗時(shí)160 μs。圖11中，上面的波形為功能模塊DSP進(jìn)行一級(jí)啟動(dòng)判斷和一級(jí)相量計(jì)算的時(shí)間信號(hào)，時(shí)長(zhǎng)約25 μs；下面的波形為DSP進(jìn)行二級(jí)相量計(jì)算的時(shí)間信號(hào)，當(dāng)4條線路同時(shí)故障時(shí)，DSP主程序的運(yùn)行周期約為20 ms，可以滿足保護(hù)跳閘的要求。

圖10 4間隔ARM通信處理時(shí)間Fig.10 Processing time of ARM communication for four bays

圖11 4個(gè)保護(hù)對(duì)象故障狀態(tài)下DSP處理時(shí)間Fig.11 Calculation time of DSP for four faulty elements

本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了DIPC系統(tǒng)在極端條件下的集成計(jì)算能力。在實(shí)際運(yùn)行情況中，4個(gè)保護(hù)對(duì)象同時(shí)發(fā)生故障的概率極小。在只發(fā)生1條線路故障的情況下，由于DSP對(duì)其他無故障保護(hù)對(duì)象的處理運(yùn)算相對(duì)很小，保護(hù)程序的總體運(yùn)行時(shí)間增加比例不大。保護(hù)裝置對(duì)故障的響應(yīng)速度較之傳統(tǒng)的單一對(duì)象保護(hù)裝置增加不明顯。

6 結(jié)論

本文針對(duì)智能變電站的特點(diǎn)，并考慮對(duì)傳統(tǒng)一次設(shè)備的兼容，設(shè)計(jì)研制了DIPC系統(tǒng)。該系統(tǒng)由多功能保護(hù)控制器、智能終端和合并單元三大核心部件構(gòu)成，具有如下性能。

a.多功能保護(hù)控制器能及時(shí)接收并處理4間隔SV報(bào)文，可集成距離保護(hù)、過流保護(hù)、重合閘等基本算法，能在故障后20 ms左右發(fā)出GOOSE跳閘報(bào)文，滿足繼電保護(hù)要求。

b.智能終端可以采集80路開關(guān)量信息和10路模擬量信息，具備完善的斷路器控制功能和GOOSE上/下傳通信功能，信息處理延時(shí)不超過5 ms。

c.合并單元具備和電子式互感器、傳統(tǒng)互感器的接口，采樣精度滿足規(guī)程要求，通信穩(wěn)定可靠，可滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求。

d.系統(tǒng)支持直采直跳、直采網(wǎng)跳等形式，軟件模塊可靈活配置，適用于220 kV及以上智能變電站集成后備保護(hù)和110 kV及以下配網(wǎng)站域保護(hù)控制。

本文提出的DIPC系統(tǒng)具備節(jié)省資源、減少運(yùn)行和維護(hù)工作量等優(yōu)勢(shì)，其構(gòu)成模式對(duì)智能變電站站域保護(hù)控制的實(shí)現(xiàn)具有重要指導(dǎo)意義。后續(xù)工作將基于此平臺(tái)進(jìn)一步研究信息集成和功能集成的軟件算法，充分挖掘基于變電站信息共享的故障二次擾動(dòng)和系統(tǒng)擾動(dòng)等動(dòng)態(tài)信息，促進(jìn)保護(hù)和控制技術(shù)的融合，進(jìn)一步提高變電站的數(shù)字化、智能化水平和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。