智能變電站過程層綜合智能單元的集成技術(shù)探討

朱 珠，郭寶甫

（1.銅陵學(xué)院，安徽銅陵244000；2.國(guó)家電網(wǎng)許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌461000）

供用電

智能變電站過程層綜合智能單元的集成技術(shù)探討

朱 珠1，郭寶甫2

（1.銅陵學(xué)院，安徽銅陵244000；2.國(guó)家電網(wǎng)許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌461000）

隨著智能變電站在全國(guó)范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用，其中的設(shè)備集成與整合技術(shù)受到了廣泛地關(guān)注。對(duì)目前主流廠家生產(chǎn)的過程層綜合智能單元進(jìn)行分析，論述了其節(jié)約成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)勢(shì)。在此基礎(chǔ)之上，提出了采樣值（SV）和面向通用對(duì)象的變電站事件（GOOSE）共端口傳輸?shù)男录杉夹g(shù)。并對(duì)此技術(shù)下的傳輸優(yōu)先級(jí)選擇、對(duì)時(shí)信號(hào)選擇以及檢修壓板選擇等問題進(jìn)行了探討。同時(shí)說(shuō)明了與之相關(guān)的CPU整合、人機(jī)接口優(yōu)化、保護(hù)裝置接口改進(jìn)等。

智能變電站；合并單元；智能終端；集成技術(shù)

1 引言

目前智能化是變配電系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，在世界范圍內(nèi)發(fā)展智能電網(wǎng)已經(jīng)形成共識(shí)。智能電網(wǎng)是以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的網(wǎng)架為基礎(chǔ)，以通信信息平臺(tái)為支撐，具有信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化特征，包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電以及規(guī)劃、調(diào)度、通信等各個(gè)環(huán)節(jié)，覆蓋所有電壓等級(jí)，實(shí)現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合的現(xiàn)代化電網(wǎng)[1]。結(jié)合智能電網(wǎng)的需求，在現(xiàn)有的數(shù)字化變電站基礎(chǔ)之上，國(guó)家電網(wǎng)于2010年開始了智能變電站的建設(shè)工作。

智能變電站系統(tǒng)可以劃分為過程層、間隔層和站控層[2]。過程層不僅包括了常見的變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電壓/電流互感器等一次設(shè)備，還包括合并單元、智能終端以及過程層交換機(jī)；間隔層一般指繼電保護(hù)裝置、故障錄波和分析裝置、測(cè)控裝置等二次設(shè)備；而站控層主要包含監(jiān)視控制系統(tǒng)、對(duì)時(shí)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等等。

在過程層中，電磁型電壓/電流互感器采集的模擬量經(jīng)采集器上傳到合并單元。其對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合并同步和規(guī)約轉(zhuǎn)換后，向間隔層智能電子設(shè)備輸出符合IEC61850-9-2規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)的SV（Sample Value）信號(hào)。而斷路器及隔離開關(guān)等開關(guān)量信息上傳到智能終端，向間隔層設(shè)備輸出GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）信號(hào)。同時(shí)間隔層設(shè)備也可以通過智能終端操作控制斷路器及相關(guān)隔離開關(guān)的開合。所以智能變電站過程層柜體結(jié)構(gòu)初始的配置方案如圖1（a）所示，在柜中上下并列、分別擺放合并單元和智能終端的箱體。它們都是通過電纜與現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備連接，通過光纖與間隔層設(shè)備連接。

圖1 過程層柜體結(jié)構(gòu)

而當(dāng)前國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)廠家已經(jīng)將合并單元與智能終端兩個(gè)箱體一體化，集成為綜合智能單元一個(gè)箱體，如圖1（b）所示。而綜合智能單元中的SV插件和開入/出口插件分別部分實(shí)現(xiàn)原先合并單元和智能終端的功能，如圖2是國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)的綜合智能單元裝置的背視圖。一次設(shè)備的輸入經(jīng)電纜接入其中的交流插件和開入插件，SV插件和出口插件的輸出經(jīng)光纖接入過程層交換機(jī)或間隔層智能電子設(shè)備。

圖2 DTI－806綜合智能單元背視圖

2 當(dāng)前集成技術(shù)分析

可見，與初始的配置方案相比，集成后的綜合智能單元有諸多優(yōu)點(diǎn)。首先，柜中裝置數(shù)量減少了一半，相應(yīng)的設(shè)備成本會(huì)下降。同時(shí)由于柜中的裝置數(shù)量減少，柜體的高度也可以相應(yīng)降低，從而建設(shè)成本也會(huì)下降。其次，采集量和開關(guān)量的輸入都送到綜合智能單元，使其與相應(yīng)一次設(shè)備的連接變得簡(jiǎn)單，同時(shí)也降低了電纜連接成本。再次，綜合智能單元下，過程層可以采用SV與GOOSE共組網(wǎng)模式。共網(wǎng)口與過程層交換機(jī)連接的方式在一定程度上降低了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備投資。

但是，集成后的綜合智能單元并沒有從系統(tǒng)角度上，對(duì)合并單元和智能終端進(jìn)行功能上的整合。在過程層中，作為數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)的合并單元與作為操作控制環(huán)節(jié)的智能終端都是服務(wù)于一次設(shè)備本身。同時(shí)按照繼電保護(hù)“直采直跳”的要求，它們的出口信息直接與繼電保護(hù)裝置聯(lián)系[3]。此外，出口信息還將通過過程交換機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)供間隔層其他設(shè)備使用?；谶@些功能上的共性，如圖3（b）集成的綜合智能單元2在傳輸SV和GOOSE信號(hào)時(shí)可以考慮使用相同的端口。

圖3 綜合智能單元集成方案

3 共端口集成技術(shù)探討

3.1 傳輸優(yōu)先級(jí)的選擇

由于繼電保護(hù)裝置要求點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，合并單元的SV報(bào)文是按照等間隔方式進(jìn)行傳輸，同時(shí)標(biāo)明延時(shí)。而映射跳閘命令、告警信號(hào)的GOOSE報(bào)文傳輸時(shí)需要高實(shí)時(shí)性。在當(dāng)前應(yīng)用中，其多采用搶占式處理機(jī)制，即一旦裝置接收到GOOSE報(bào)文會(huì)立即發(fā)起中斷，轉(zhuǎn)而處理GOOSE信息。當(dāng)集成后的綜合智能單元共端口發(fā)送SV和GOOSE時(shí)，在同時(shí)滿足兩者傳輸延時(shí)性的要求下，應(yīng)優(yōu)先發(fā)送SV報(bào)文。

優(yōu)先發(fā)送SV報(bào)文時(shí)，由于其報(bào)文長(zhǎng)度固定，可以精確計(jì)算發(fā)送該報(bào)文所導(dǎo)致的延遲時(shí)間。在等間隔SV報(bào)文發(fā)送完成后，裝置就可以處理GOOSE報(bào)文。由優(yōu)先發(fā)送SV報(bào)文所帶來(lái)的幾十微秒的延時(shí)，是不會(huì)影響GOOSE報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。因?yàn)樵贗EC 61850-7-2標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：數(shù)據(jù)在過程總線上傳輸時(shí)應(yīng)具有可測(cè)算的確定延時(shí)以及在最壞情況下的延時(shí)極值，GOOSE報(bào)文應(yīng)在3 ms內(nèi)完成傳輸[4]。對(duì)3 ms而言，延時(shí)的幾十微秒可以接受。

如果仍按照傳統(tǒng)的方式優(yōu)先發(fā)送GOOSE報(bào)文，在100 Mbit/s的帶寬下，100Byte的GOOSE報(bào)文需要約8 μs的傳輸時(shí)間，而200Byte時(shí)則需要約16 μs。但是在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸下，要求傳輸SV報(bào)文時(shí)等間隔的延時(shí)必須小于10 μs[4]?？梢?，優(yōu)先處理GOOSE報(bào)文會(huì)加大SV報(bào)文傳輸?shù)拈g隔時(shí)間，甚至超過要求的間隔延時(shí)。

3.2 對(duì)時(shí)信號(hào)的選擇

合并單元和智能終端功能的實(shí)現(xiàn)都要依賴于精確的時(shí)間同步技術(shù)。按照文獻(xiàn)要求，目前合并單元采用IRIG-B碼或IEC61588實(shí)現(xiàn)同步對(duì)時(shí)，其采樣的同步誤差不大于±1 μs[5]。常用的IRIG-B碼對(duì)時(shí)中，衛(wèi)星GPS信號(hào)傳入授時(shí)源裝置，授時(shí)源裝置輸出的IRIG-B碼通過光纖到達(dá)合并單元CPU，完成本地脈沖信號(hào)的同步工作。與合并單元類似，智能終端對(duì)時(shí)也常采用IRIG-B碼或IEC61588。當(dāng)兩者集成后，可共用一個(gè)對(duì)時(shí)接口。但是集成后的綜合智能單元的硬件配置會(huì)有不同，可用一塊CPU實(shí)現(xiàn)所有功能或者兩塊CPU分別實(shí)現(xiàn)各自的功能。當(dāng)使用兩塊CPU時(shí)，對(duì)時(shí)應(yīng)以合并單元的對(duì)時(shí)信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗耐讲蓸訉?duì)時(shí)精度遠(yuǎn)高于智能終端的毫秒級(jí)。

3.3 檢修壓板的選擇

當(dāng)前國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的綜合智能單元雖已經(jīng)將合并單元和智能終端集成在一起，但其SV和GOOSE的檢修壓板仍然是分別配置的。當(dāng)共端口集成后，SV和GOOSE信號(hào)可以共用一個(gè)檢修壓板。以同間隔下的合并單元和智能終端為例，某時(shí)刻檢修采樣環(huán)節(jié)，SV檢修壓板打開。此時(shí)沒有數(shù)據(jù)上傳間隔層保護(hù)，保護(hù)出口被閉鎖，不會(huì)有GOOSE信號(hào)的傳輸，就好像SV和GOOSE檢修壓板被同時(shí)打開。同理，某時(shí)刻檢修操作控制環(huán)節(jié)，GOOSE檢修壓板打開，SV信號(hào)仍然實(shí)時(shí)上傳。即使發(fā)生短路故障，繼電保護(hù)被啟動(dòng)但無(wú)法出口跳閘，此時(shí)也可看作兩檢修壓板同時(shí)被打開。

不僅如此，實(shí)際的測(cè)試檢修中，當(dāng)檢修SV或GOOSE通路時(shí)，因?yàn)闀?huì)涉及檢修對(duì)應(yīng)的一次設(shè)備，目前為了操作人員的絕對(duì)安全會(huì)同時(shí)斷開SV和GOOSE檢修壓板。相比而言，當(dāng)同間隔下SV和GOOSE共用一個(gè)檢修壓板后，不僅為使用者帶來(lái)方便，而且杜絕了因操作失誤而導(dǎo)致的安全隱患。

3.4 其他資源的整合

首先是CPU。當(dāng)前集成技術(shù)下的綜合智能單元，處理SV和GOOSE是分別配置CPU。當(dāng)兩者集成后，CPU資源需要重新整合。例如通常SV計(jì)算負(fù)荷很重，而GOOSE負(fù)荷輕許多；時(shí)間同步時(shí)以合并單元對(duì)時(shí)信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行B碼解析；另外由于目前合并單元實(shí)現(xiàn)電壓切換和并列的功能，所以合并單元還需要配置GOOSE網(wǎng)口獲取同間隔內(nèi)的智能終端信息。而集成后的CPU在數(shù)據(jù)處理階段就可以完成SV和GOOSE數(shù)據(jù)的共享。

其次是人機(jī)接口?，F(xiàn)有放于室內(nèi)的綜合智能單元會(huì)配有液晶屏，方便人員操作各項(xiàng)軟壓板功能。當(dāng)SV和GOOSE共端口集成后，只需在原有液晶屏基礎(chǔ)上改變?nèi)舾勺硬藛谓缑婕纯?。放于室外的綜合智能單元所處環(huán)境惡劣，通常沒有配置液晶屏，而是通過調(diào)試網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。當(dāng)共端口集成后，只需將原先的SV和GOOSE遠(yuǎn)程控制功能進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜诤隙灿靡粋€(gè)調(diào)試網(wǎng)口。

4 結(jié)論

隨著智能變電站技術(shù)的普及與研究的深入，智能變電站過程層合并單元和智能終端的集成問題受到了廣泛的關(guān)注[6]?，F(xiàn)有的集成產(chǎn)品綜合智能單元雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但并未從系統(tǒng)角度上，對(duì)合并單元和智能終端進(jìn)行功能上的集成。本文提出了綜合智能單元在傳輸SV和GOOSE信號(hào)時(shí)可以共用端口，并就此技術(shù)下的傳輸優(yōu)先級(jí)選擇、對(duì)時(shí)信號(hào)選擇以及檢修壓板選擇等問題進(jìn)行了探討。但需要指出的是，共端口集成技術(shù)依賴于間隔層保護(hù)裝置可以SV和GOOSE共端口接收。若保護(hù)裝置仍然采用分端口接收時(shí)，共端口傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)便沒有體現(xiàn)，與現(xiàn)有的綜合智能單元無(wú)異。在過程層組網(wǎng)時(shí)，集成后的SV與GOOSE信號(hào)共端口傳輸與之前的分端口傳輸無(wú)異，組網(wǎng)時(shí)仍然采用“先到先發(fā)”的模式進(jìn)行SV/GOOSE報(bào)文的發(fā)送。

目前國(guó)內(nèi)主流的廠家已陸續(xù)生產(chǎn)過程層集成產(chǎn)品并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。其節(jié)約了成本，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。但是由于智能變電站發(fā)展周期較短，投入運(yùn)行的產(chǎn)品可能存在的一些潛問題還未充分暴露。所以在探討新技術(shù)的同時(shí)，需在充分的論證后小心謹(jǐn)慎地運(yùn)用到產(chǎn)品中。

[1]殷剛.智能電網(wǎng)研究[J].能源與節(jié)能，2013，（10）.

[2]王書峰.中國(guó)電谷（保定）智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程項(xiàng)目實(shí)施研究[D].華北電力大學(xué)，2013.

[3]劉昊昱，左群業(yè).智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試與分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，（18）.

[4]IEC 61850 Communication networks and systems in substations [S].2003．

[5]國(guó)家電網(wǎng)公司.Q/GDW 383-2009智能變電站技術(shù)導(dǎo)則[S].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[6]倪益民，楊宇.智能變電站二次設(shè)備集成方案討論[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，（3）.

Discussion on Integration Technology of Intelligent Unit in Process Layer of Smart Substation

ZHU Zhu1，GUO Baofu2
（1.Tongling University，Tongling，Anhui 244000；2.Xuji Group Corporation of State Grid，Xuchang,Henan 461000）

With nationwide popularization and application of intelligent substation,its devices integration technology has been received extensive attention.The integrated intelligent unit produced by present mainstream manufactures is analyzed concerning its economic benefits.Based on this,the paper puts forward a new integration technology that the sample value (SV)and generic object oriented substation event(GOOSE)shares the same transmission port. After that,it discusses related problems such as transmission priority selection,time signal selection and maintenance platen selection.Meanwhile,the resource integration of CPU,the man-machine interface optimization and the port improvement of protection devices are presented.

smart substation;merging unit;intelligent terminal;integrated technology

TM762

A

1006-6764(2015)05-0001-03

2014－03－13

朱珠（1987-），女，2011年畢業(yè)于新南威爾士大學(xué)（澳大利亞）電力學(xué)院新能源發(fā)電專業(yè)，碩士研究生學(xué)歷，助教，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制。