一種新型合智一體裝置的研制

竇乘國(guó)，張宏波（上海思弘瑞電力控制技術(shù)有限公司南京分公司，江蘇南京210012）

一種新型合智一體裝置的研制

竇乘國(guó)，張宏波
（上海思弘瑞電力控制技術(shù)有限公司南京分公司，江蘇南京210012）

為滿足智能變電站結(jié)構(gòu)緊湊化、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化的要求，過程層的合并單元和智能終端的整合設(shè)計(jì)（合智一體）是智能電網(wǎng)的趨勢(shì)。提出了一種新型合智一體裝置的軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，采用該方案研制的裝置，不僅能夠滿足合智一體的要求，而且能縮短裝置模擬量數(shù)據(jù)從輸入到輸出的延時(shí)，提高裝置數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩?，?shù)據(jù)傳輸時(shí)間遠(yuǎn)低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2 ms時(shí)間要求，另外，合智一體設(shè)計(jì)對(duì)配合的間隔層保護(hù)裝置的整體動(dòng)作時(shí)間也有提高。

合并單元；智能終端；合智一體；采樣值（SV）；面向通用對(duì)象的變電站事件（GOOSE）

合并單元與智能終端是智能變電站中的過程層二次設(shè)備的重要組成部分，合并單元通過直接或間接的方式采集電流、電壓數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)完成同步處理后再提供給間隔層設(shè)備使用；智能終端則通過采集斷路器、刀閘等位置信息上送間隔層，并接收間隔層的跳閘、遙控等命令。合并單元、智能終端與間隔層物理接口點(diǎn)基本相同，從現(xiàn)場(chǎng)安裝情況看，無論是就地化智能控制柜安裝，還是保護(hù)室的屏柜安裝，一定是按間隔來劃分安裝的。因而兩者一般安裝到同一屏柜或相鄰的2個(gè)屏柜中。隨著智能變電站的發(fā)展，合并單元、智能終端相關(guān)規(guī)范已經(jīng)比較完整［1，2］。對(duì)于二者需要實(shí)現(xiàn)的功能、對(duì)外的物理接口、虛端子接口等的規(guī)定都已經(jīng)很明確。國(guó)家電網(wǎng)公司相關(guān)規(guī)范也在制訂中［3］，并明確要求110 kV使用合智一體裝置。然而在現(xiàn)場(chǎng)的使用過程中存在合智一體模擬量數(shù)據(jù)延時(shí)偏大、裝置工程型號(hào)偏多、發(fā)熱嚴(yán)重的現(xiàn)象。

1　合智一體裝置設(shè)計(jì)思路

從目前主流的劃分方式來看，合并單元包括電壓合并單元、間隔合并單元；智能終端包括母線智能終端、斷路器智能終端、變壓器（高抗）本體智能終端。而合智一體化主要是從間隔的角度來看的，即間隔合并單元與斷路器智能終端的集成。當(dāng)然，部分電壓合并單元也可以和母線智能終端集成。對(duì)于母線合智一體，其集成思想同間隔合智集成，但由于其現(xiàn)場(chǎng)數(shù)量較少，故而作用沒有間隔集成那么明顯。從間隔角度看，合智集成裝置的組網(wǎng)方式如圖1所示（保護(hù)直采直跳）。合智一體有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）由雙裝置變?yōu)閱窝b置，減少空間。不僅節(jié)省硬件成本，而且減少了空間占用。尤其在現(xiàn)場(chǎng)就地安裝的情況下，最終減少變電站占地。

（2）減少了光纖連接數(shù)量，意味著光纖接口減少，不僅節(jié)省裝置成本，而且降低裝置功耗，減輕了跨多間隔保護(hù)裝置的發(fā)熱問題。例如在面向通用對(duì)象的變電站事件（GOOSE）及采樣值（SV）均為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)組網(wǎng)方式下，對(duì)于典型的支持24個(gè)間隔的集中式母差保護(hù)裝置，按照單插件8路光口計(jì)算，則需要4塊SV接口插件（除24個(gè)間隔對(duì)應(yīng)的3塊插件外，母線電壓SV采樣及SV組網(wǎng)需要1塊插件），4塊GOOSE接口插件（除24個(gè)間隔對(duì)應(yīng)的3塊插件外，GOOSE組網(wǎng)需要1塊插件），共計(jì)64個(gè)光口。該結(jié)構(gòu)的母線裝置，發(fā)熱量很大。而當(dāng)合智一體裝置出現(xiàn)后，SV和GOOSE通過共口方式連接，則可減少一半（4塊）SV和GOOSE共口（簡(jiǎn)稱為SG）的插件，此時(shí)母差保護(hù)在合理布置插件插槽位置后，發(fā)熱量大幅降低。

圖1　合智一體點(diǎn)對(duì)點(diǎn)組網(wǎng)

從實(shí)際工程使用上看，合并單元、智能終端與間隔層物理接口點(diǎn)基本相同；從兩者物理接口數(shù)據(jù)流動(dòng)上看，2種裝置的主要區(qū)別在于合并單元提供的采樣數(shù)據(jù)流是單向的，而智能終端的數(shù)據(jù)流是雙向的。因此硬件上存在共性。同時(shí)，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA）等芯片性能的提高，芯片功能的強(qiáng)大，單個(gè)硬件模塊能承擔(dān)的功能也日益增多。

基于上述工程實(shí)際情況和技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，文中提出了一種新型合智一體裝置的軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。該方案從軟硬件架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了任務(wù)分流，能使重要任務(wù)得到優(yōu)先處理，進(jìn)而使得關(guān)鍵性能指標(biāo)得到提升；任務(wù)的模塊化設(shè)計(jì)，使得功能重用便捷，進(jìn)而提高了工程功能的擴(kuò)展性。

2　合智一體硬件構(gòu)架設(shè)計(jì)

為保證裝置整體的可靠性，文中提出分級(jí)總線混合直連模式的硬件架構(gòu)，合并單元與智能終端功能各自在獨(dú)立插件中實(shí)現(xiàn)，一些智能板卡和擴(kuò)展板卡，也都在獨(dú)立插件中實(shí)現(xiàn)，通過總線支持完成相互間的數(shù)據(jù)交換，對(duì)于強(qiáng)實(shí)時(shí)要求的關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過直連的方式進(jìn)行交互。既可靠，又快速，在與間隔層保護(hù)裝置互聯(lián)配合時(shí)，減少了數(shù)據(jù)的中間傳輸延時(shí)，有利于加快整體的保護(hù)動(dòng)作速動(dòng)。

硬件構(gòu)架如圖2所示，插件間的數(shù)據(jù)連接包括兩大部分：總線部分和直連線部分。其中，總線部分包括高速總線、低速總線和對(duì)時(shí)同步總線。高速總線用于合并單元和智能終端二者的高速數(shù)據(jù)交換，低速總線用于智能開入、智能開出、直流采集插件與合并單元、智能終端之間的低速開關(guān)量的數(shù)據(jù)交換，而對(duì)時(shí)總線則用于全裝置的各插件同步。直連線部分包括模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）及電子式互感器數(shù)字輸出接口數(shù)據(jù)（因其幀格式是采用IEC 60870-5-1定義的定長(zhǎng)格式Format FT3，簡(jiǎn)稱FT3數(shù)據(jù)）直采插件與合并單元之間的連接、合并單元發(fā)送IEC61850-9-2及GOOSE數(shù)據(jù)的連接、合并單元發(fā)送FT3數(shù)據(jù)的連接、智能終端與出口插件的連接。整個(gè)合智一體裝置的主要插件配置示意如表1所示。

圖2　合智一體硬件主構(gòu)架體系

插件功能包括：

（1）交流信號(hào)采樣插件完成傳統(tǒng)電磁式互感器的小信號(hào)變換功能；直流信號(hào)采樣插件完成直流傳感器過來信號(hào)的接收功能。

（2）ADC插件完成ADC采集及FT3輸入功能。用于傳統(tǒng)電磁式互感器模擬量輸入情況下的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)可接入FT3輸入，完成電子式互感器與遠(yuǎn)端模塊的輸入接口或與電壓合并單元的輸入級(jí)聯(lián)接口。

表1　合智一體插件配置

（3）CPU插件包括多個(gè)處理器。分別完成人機(jī)接口（HMI）功能（包括站控層的制造商信息規(guī)范（MMS）通信功能）、合并單元應(yīng)用功能（包括數(shù)據(jù)SV數(shù)據(jù)接收、同步處理、電壓切換）等。

（4）SG插件完成智能終端功能。包括斷路器和刀閘的位置采集、對(duì)于保護(hù)跳閘命令、遙控命令的處理等；16號(hào)插件：擴(kuò)展SV、GOOSE發(fā)送插件。

（5）CPU插件光纖口不夠時(shí)，配置擴(kuò)展插件可完成SV、GOOSE擴(kuò)展口的發(fā)送功能；同時(shí)還可將擴(kuò)展插件配置為FT3數(shù)據(jù)發(fā)送插件。

該硬件構(gòu)架設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：

（1）快速合并單元的功能支持。為達(dá)到該目標(biāo)，則需要消除所有裝置內(nèi)部的中間延遲環(huán)節(jié)。一般實(shí)現(xiàn)方案中，由于同時(shí)考慮到模擬采樣和數(shù)字采樣時(shí)，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理過程中，可能有多CPU分布協(xié)調(diào)處理的情況，而合并單元最終發(fā)出的數(shù)據(jù)又必須是全裝置整體同步的，這樣就會(huì)引入多板卡間的數(shù)據(jù)交換問題，若處理不當(dāng)將會(huì)引起較大數(shù)據(jù)延時(shí)。該方案在數(shù)據(jù)接入方面，均采用硬線直連方式，即無論是傳統(tǒng)的ADC采樣接入、與電子式互感器的FT3接入、或電壓合并單元SV9-2的級(jí)聯(lián)接入均如此，使用高性能處理器統(tǒng)一完成數(shù)據(jù)處理；而對(duì)于數(shù)據(jù)發(fā)送，也采用插件內(nèi)數(shù)據(jù)直發(fā)。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，在此方案設(shè)計(jì)上，當(dāng)僅有傳統(tǒng)ADC采樣時(shí)，合并單元采樣數(shù)據(jù)延時(shí)為500 μs；當(dāng)有電子式互感器的FT3接入時(shí)，采樣數(shù)據(jù)延時(shí)為750 μs；在有9-2或FT3級(jí)聯(lián)情況下，則采樣數(shù)據(jù)延時(shí)最大為1500 μs。無論哪種情況均小于國(guó)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求的2 ms［4］。由以上數(shù)據(jù)可見，無論哪種數(shù)據(jù)接入方式，均可最大限度降低了合并單元本身的處理延時(shí)，從而縮短間隔層保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)延。

（2）合并單元功能對(duì)SV混合采樣的支持。通過上述插件功能配置，該硬件方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)于傳統(tǒng)ADC、FT3、SV9-2三種混合采樣方式的支持。

（3）IEC 61850-9-2的SV、GOOSE共口支持。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)情況下，SV數(shù)據(jù)要求強(qiáng)實(shí)時(shí)的250 μs間隔均勻發(fā)送，而GOOSE既發(fā)送數(shù)據(jù)又接收數(shù)據(jù)，其典型變化發(fā)送間隔為2 ms。由于設(shè)計(jì)中充分考慮減少數(shù)據(jù)流的中間環(huán)節(jié)，合理布置總線功能和結(jié)構(gòu)，減少了數(shù)據(jù)的處理工作，完全可以在發(fā)送SV數(shù)據(jù)的空隙時(shí)間片完成GOOSE數(shù)據(jù)的收發(fā)，因此既能滿足合并單元數(shù)據(jù)傳輸與處理的實(shí)時(shí)性，也滿足能智能終端跳閘的快速和可靠性要求。

（4）對(duì)時(shí)功能單插件實(shí)現(xiàn)，并全裝置同步。在當(dāng)前的智能變電站應(yīng)用中，對(duì)時(shí)方式主要包括B碼對(duì)時(shí)、IEC 61588、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（SNTP）對(duì)時(shí)等。在硬件方案中，B碼對(duì)時(shí)或IEC 61588對(duì)時(shí)均直接接入到CPU插件，該插件直接完成同步、守時(shí)、外部時(shí)鐘丟失與恢復(fù)過程中的內(nèi)部時(shí)鐘、中斷調(diào)節(jié)等功能。保證合并單元較小的發(fā)送數(shù)據(jù)的抖動(dòng)離散性。在CPU插件完成同步功能后，通過背板對(duì)時(shí)同步總線將信息發(fā)布給其他智能板卡，其他插件以此為基準(zhǔn)再進(jìn)行各自插件內(nèi)的同步。

（5）部分插件可靈活置換。為了兼容多種應(yīng)用場(chǎng)景，方案支持部分插件的互換功能，既可以配置為開關(guān)量輸入插件，也可以配置為擴(kuò)展IEC 61850-9-2的SV及GOOSE的數(shù)據(jù)發(fā)送插件，還可以配置為FT3數(shù)據(jù)發(fā)送插件。這種配置方式設(shè)計(jì)靈活，可簡(jiǎn)化生產(chǎn)及工程應(yīng)用過程。

3　合智一體軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)結(jié)合硬件系統(tǒng)構(gòu)架，按照平臺(tái)設(shè)計(jì)方法，分層、分模塊地給出系統(tǒng)構(gòu)架，從構(gòu)架縱向劃分，每個(gè)處理器所運(yùn)行的程序都基于三層式結(jié)構(gòu)：板級(jí)支持包（BSP）層、平臺(tái)接口層、應(yīng)用層；從構(gòu)架橫向劃分，包括系統(tǒng)管理模塊和子系統(tǒng)任務(wù)模塊兩部分。

由于采用分層模塊化結(jié)構(gòu)，軟件任務(wù)可以合理分配，硬件芯片的負(fù)載更加均衡，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定和功能的擴(kuò)展。軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3　合智一體軟件系統(tǒng)構(gòu)架

（1）BSP層：完成底層的硬件驅(qū)動(dòng)功能；

（2）平臺(tái)接口層：完成系統(tǒng)級(jí)功能。包括與管理模塊的通信交互，與其他插件的數(shù)據(jù)交換等；

（3）應(yīng)用層：最終的應(yīng)用程序。如合并單元模塊、智能終端模塊、人機(jī)接口模塊等。

該軟件構(gòu)架設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)清晰，分布高效。系統(tǒng)管理模塊作為整個(gè)裝置的樞紐，承擔(dān)管理整個(gè)裝置的各個(gè)插件上的程序協(xié)調(diào)一致運(yùn)行、異常狀況監(jiān)測(cè)、參數(shù)定值的管理等功能；子系統(tǒng)任務(wù)模塊作為整個(gè)裝置的具體功能實(shí)現(xiàn)單元，接受系統(tǒng)管理模塊的調(diào)度，在完成子系統(tǒng)功能的同時(shí)，并為外部其他子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。而根據(jù)模塊的劃分，又可清晰的給出各個(gè)處理器所需承擔(dān)的工作，同時(shí)選擇出合適的處理器，使得整個(gè)系統(tǒng)的硬件資源配置達(dá)到最優(yōu)。

（2）FPGA與CPU分工協(xié)作。在以往的電力系統(tǒng)二次設(shè)備中，F(xiàn)PGA通常僅完成數(shù)據(jù)碼流處理及邏輯功能處理:如IRIG-B編解碼、FT3的編解碼等。該方案中，F(xiàn)PGA完成了IEC 61850-9-2的SV報(bào)文接收、解包、解碼、有效數(shù)據(jù)通道抽取及SV的報(bào)文發(fā)送；GOOSE報(bào)文接收、解包、解碼、有效數(shù)據(jù)抽??；FT3數(shù)據(jù)收發(fā)及編解碼；IRIG-B解碼；高速總線數(shù)據(jù)交換等功能。FPGA完成以上工作后，使得CPU負(fù)載有效降低。同時(shí)，也更易于實(shí)現(xiàn)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的抑制與過濾。

（3）應(yīng)用層代碼唯一，自動(dòng)適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)景。由于一次系統(tǒng)主接線方式的不同，也帶來合并單元的多種應(yīng)用場(chǎng)景。再考慮到傳統(tǒng)電磁互感器與電子式互感器的不同應(yīng)用，其產(chǎn)品型號(hào)較多。但分析其主要不同點(diǎn)，在物理層面上，在于其收發(fā)數(shù)據(jù)接口形式的不同；從邏輯層面上，主要表現(xiàn)為對(duì)外收發(fā)虛端子的不同。該方案由于軟硬件均支持一定程度的靈活配置，可適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)景?；谠摲桨笇?shí)現(xiàn)的裝置通過工具完成研發(fā)級(jí)別的配置，對(duì)研發(fā)與工程進(jìn)行了合理有效分工，最終實(shí)現(xiàn)了以較小的應(yīng)用程序單一代碼兼容所有應(yīng)用場(chǎng)合，提高產(chǎn)品的易測(cè)性、易維護(hù)性。

4　結(jié)束語

為適應(yīng)智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合合智一體裝置的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)際情況，提出了一種軟硬件設(shè)計(jì)方案，并在此基礎(chǔ)上研制出一種新的合智一體裝置。該裝置通過優(yōu)化軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)，減少模擬量數(shù)據(jù)從輸入到輸出延時(shí)，性能優(yōu)于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，從而提高間隔層保護(hù)裝置的速度；同時(shí)裝置適應(yīng)工程配置的要求，能適應(yīng)當(dāng)前智能站的工程要求，有一定的實(shí)際意義。

［1］國(guó)家電網(wǎng)公司.Q/GDW 426—2010智能變電站合并單元技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)電力出版社，2010.

［2］國(guó)家電網(wǎng)公司.Q/GDW 428—2010智能變電站智能終端技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)電力出版社，2010.

［3］國(guó)家電網(wǎng)公司.Q/GDW1902—2013智能變電站110 kV合并單元智能終端裝置集成技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)電力出版社，2013.

［4］國(guó)家電網(wǎng)公司.Q/GDW 441—2010智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)電力出版社，2010.

The Development of a New Type of M erging Unit and Intelligent Term inal Integrated Device

DOU Chengguo，ZHANG Hongbo
（Shanghai SHR Electrical Power Technology Co.Ltd.，Nanjing Branch，Nanjing 210012，China）

For the purpose of compact structure and simple network design in smart substation，the integration of merging unit and intelligent terminal at the process level becomes a new trend in the smart substation.A new software and hardware solution for the integration of merging unit and intelligent term inal is proposed in this paper.Base on this scheme，not only the requirementoftheintegrationofmergingunitand intelligentterm inalcanbemet，butalso thetransmission timedelay from inputto outputoftheanalogdataisshorten and thedata transm issionspeed isim proved.The transm ission timedelay lessthan2msw hich is defined in relatedstandards.Italso improvestheoperation timeof theprotectiondevicesconnected to thisnew device.

merging unit；intelligent term inal；merging unit and intelligent term inal integrated device；SV；GOOSE

TM763

B

1009-0665（2015）05-0062-03

竇乘國(guó)（1974），男，湖南永州人，工程師，從事繼電保護(hù)、智能變電站應(yīng)用研究工作；

張宏波（1975），男，吉林伊通人，高級(jí)工程師，從事嵌入式軟件在電力系統(tǒng)、智能變電站應(yīng)用研究工作。

發(fā)電技術(shù)

2015-03-25；

2015-05-22