智能變電站基于站控層GOOSE輸入輸出的備自投裝置研制

仲雅霓， 姚成， 郄朝輝， 陳小衛(wèi)， 劉洪亮

(1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司, 江蘇 南京　210003； 2.南京供電公司，江蘇 南京　210008)

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智能變電站基于站控層GOOSE輸入輸出的備自投裝置研制

仲雅霓1， 姚成1， 郄朝輝1， 陳小衛(wèi)1， 劉洪亮2

(1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司, 江蘇 南京210003； 2.南京供電公司，江蘇 南京210008)

分析了目前備自投裝置開(kāi)關(guān)量輸入輸出的兩種方式，在此基礎(chǔ)上，綜合考慮實(shí)時(shí)性和成本效益，提出了一種基于站控層GOOSE方式實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量輸入輸出方案，將站控層MMS與GOOSE雙網(wǎng)合一，以站控層GOOSE方式采集變電站全站實(shí)時(shí)開(kāi)關(guān)量信息、開(kāi)出跳合閘命令，實(shí)現(xiàn)備自投功能。結(jié)合工程實(shí)踐介紹了分段備自投的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并詳述了備自投裝置實(shí)現(xiàn)站控層GOOSE收發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，給出了備自投裝置動(dòng)作性能指標(biāo)。保證備自投實(shí)時(shí)性的同時(shí)簡(jiǎn)化了變電站備自投裝置的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，有效降低了變電站的建設(shè)成本。研制的備自投裝置目前在多個(gè)智能變電站運(yùn)行效果良好。

智能變電站；站控層；GOOSE；備自投；集中控制技術(shù)

0　引　言

備用電源自動(dòng)投入裝置(簡(jiǎn)稱(chēng)備自投)是電力系統(tǒng)故障或其他原因?qū)е鹿ぷ麟娫磾嚅_(kāi)后，能迅速將備用電源或備用設(shè)備或其他正常工作的電源自動(dòng)投入工作的一種自動(dòng)控制裝置[1]，也能使原來(lái)工作電源被斷開(kāi)的用戶(hù)迅速恢復(fù)供電。

備自投裝置所需的信息來(lái)自變電站多個(gè)間隔，對(duì)外的輸入輸出信號(hào)連接較為復(fù)雜。常規(guī)變電站備自投裝置主要采用硬接點(diǎn)輸入輸出方式，通過(guò)二次電纜獲取開(kāi)關(guān)位置和閉鎖信號(hào)、開(kāi)出跳合閘信號(hào)。該方式需要在現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)大量二次電纜，接線繁復(fù)，當(dāng)變電站需要擴(kuò)建線路間隔或增加新設(shè)備時(shí)，則需重新敷設(shè)電纜，增加工作量和改造成本。隨著以IEC61850為標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站的發(fā)展，通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录鬏敊C(jī)制(GOOSE)借助先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，能夠確保報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和快速性[2]。備自投裝置從過(guò)程層GOOSE網(wǎng)獲取開(kāi)關(guān)位置信號(hào)及閉鎖信號(hào)，并開(kāi)出跳合閘命令。該方式實(shí)時(shí)性好，可靠性高，但需依賴(lài)GOOSE光纜和過(guò)程層交換機(jī)，通信造價(jià)昂貴[3]，對(duì)于中低壓變電站來(lái)說(shuō)，該方式建設(shè)成本較高。

綜合考慮備自投裝置開(kāi)關(guān)量輸入輸出的特點(diǎn)以及中低壓變電站的實(shí)際需求，本文提出一種基于站控層GOOSE方式實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量輸入輸出的備自投裝置，站控層MMS(制造報(bào)文規(guī)范)網(wǎng)與過(guò)程層GOOSE網(wǎng)雙網(wǎng)合一，通過(guò)站控層GOOSE方式接收開(kāi)關(guān)量信息、閉鎖信息，并發(fā)送跳合閘命令，簡(jiǎn)化了變電站二次架構(gòu)，有效降低了建設(shè)成本。

1　實(shí)現(xiàn)方案

基于站控層GOOSE的備自投裝置原理如圖1所示。

圖1　基于站控層GOOSE的備自投裝置原理框圖

本文提出的基于站控層GOOSE的備自投功能由備自投裝置和其他不同保護(hù)對(duì)象的間隔層裝置共同完成。

備自投裝置采用雙CPU的硬件架構(gòu)。基于MPC平臺(tái)的顯示和通訊管理單元主要實(shí)現(xiàn)裝置的菜單顯示以及站控層通信功能，DSP平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)備自投保護(hù)邏輯判斷，雙口RAM負(fù)責(zé)兩個(gè)CPU之間的信息交互。備自投裝置通過(guò)常規(guī)交流采樣或SMV9-2報(bào)文采集電壓、電流模擬量，間隔層保護(hù)測(cè)控裝置采集實(shí)時(shí)開(kāi)關(guān)量信息通過(guò)站控層電以太網(wǎng)，以GOOSE報(bào)文的形式上送開(kāi)關(guān)位置信息至備自投裝置，備自投裝置MPC平臺(tái)收到站控層GOOSE數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)傳輸給雙口RAM，由雙口RAM將數(shù)據(jù)交互給基于DSP平臺(tái)的保護(hù)測(cè)控單元，用于備自投保護(hù)邏輯判斷，DSP平臺(tái)的保測(cè)單元輸出跳合閘出口命令經(jīng)雙口RAM傳遞給MPC平臺(tái)，由MPC平臺(tái)開(kāi)出站控層GOOSE跳合閘命令，間隔層保護(hù)測(cè)控裝置執(zhí)行備自投裝置發(fā)出的跳合閘命令，共同實(shí)現(xiàn)備自投功能。

2　實(shí)施過(guò)程

圖2　分段備自投保護(hù)一次接線圖

以分段備投的實(shí)施過(guò)程為例，保護(hù)一次接線圖如圖2所示。

圖2中，進(jìn)線1、進(jìn)線2互為備用電源，備自投裝置需采集進(jìn)線1、進(jìn)線2以及分段的開(kāi)關(guān)位置、合后信息以及其他保護(hù)動(dòng)作的邏輯閉鎖信號(hào)。由#1主變保護(hù)測(cè)控裝置完成1DL開(kāi)關(guān)位置采集，由#2主變保護(hù)測(cè)控裝置完成2DL開(kāi)關(guān)位置采集，由分段保護(hù)測(cè)控裝置完成3DL開(kāi)關(guān)位置信息采集，主變保護(hù)動(dòng)作信號(hào)由#1、#2主變保護(hù)測(cè)控裝置傳遞給備自投裝置用于邏輯閉鎖。備自投裝置根據(jù)電網(wǎng)實(shí)時(shí)狀況，進(jìn)行充電，若母線失壓且進(jìn)線無(wú)流滿(mǎn)足備自投動(dòng)作條件，則備自投裝置通過(guò)站控層GOOSE發(fā)出跳開(kāi)工作電源開(kāi)關(guān)1DL(或2DL)命令，#1主變(或#2主變)保護(hù)測(cè)控裝置通過(guò)站控層網(wǎng)絡(luò)接受到GOOSE跳閘令跳開(kāi)1DL(或2DL)開(kāi)關(guān)，#1主變(或#2主變)保護(hù)測(cè)控裝置將1DL(或2DL)開(kāi)關(guān)位置發(fā)送給備自投后，由備自投裝置通過(guò)站控層GOOSE網(wǎng)絡(luò)發(fā)送合3DL命令給分段保護(hù)測(cè)控裝置，由分段保護(hù)測(cè)控裝置合上3DL開(kāi)關(guān)。

本方案在構(gòu)成上只保留了SV網(wǎng)(或常規(guī)交流輸入)和站控層通信網(wǎng)，取消了過(guò)程層GOOSE網(wǎng)和開(kāi)關(guān)量電纜輸入輸出，GOOSE信號(hào)與MMS信號(hào)共用站控層通信網(wǎng)絡(luò)。方案實(shí)施時(shí)，無(wú)需為備自投裝置敷設(shè)采集開(kāi)關(guān)位置、閉鎖信息和跳合閘命令的電纜或光纜，只需將間隔層裝置接入到站控層通信網(wǎng)絡(luò)。

3　關(guān)鍵技術(shù)分析與實(shí)現(xiàn)

3.1基于站控層GOOSE的開(kāi)關(guān)量高速輸入輸出技術(shù)

由于GOOSE技術(shù)要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)位置、保護(hù)跳閘以及邏輯閉鎖等重要報(bào)文的傳送，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其通信延遲要求小于4 ms[4]，這對(duì)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性要求很高。

對(duì)保護(hù)裝置而言，與通過(guò)專(zhuān)門(mén)的GOOSE板來(lái)接收過(guò)程層GOOSE不同，站控層GOOSE通過(guò)負(fù)責(zé)顯示和通訊功能的CPU來(lái)完成收發(fā)功能，因此需要對(duì)裝置的嵌入式環(huán)境作出重新設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

基于備自投保護(hù)測(cè)控裝置的雙CPU的硬件架構(gòu)，為保證站控層GOOSE收發(fā)實(shí)時(shí)性，采取以下技術(shù)來(lái)進(jìn)行改進(jìn)和提高：

(1) 提升基于應(yīng)用層的站控層GOOSE數(shù)據(jù)處理任務(wù)優(yōu)先級(jí)。由于MPC平臺(tái)是基于任務(wù)調(diào)度機(jī)制的，為保證GOOSE收發(fā)的實(shí)時(shí)性，需要將站控層GOOSE數(shù)據(jù)處理任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)置的比MMS數(shù)據(jù)處理任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高，保證GOOSE報(bào)文優(yōu)先MMS報(bào)文處理，從而使GOOSE報(bào)文的收發(fā)在第一時(shí)間完成。

(2) 將MPC平臺(tái)的GOOSE數(shù)據(jù)處理任務(wù)的調(diào)度時(shí)間調(diào)低至小于1 ms。由于GOOSE變位最小的發(fā)送時(shí)間是1 ms，為保證最快識(shí)別出該變位信息，需要設(shè)置站控層GOOSE數(shù)據(jù)處理任務(wù)的調(diào)度時(shí)間低于1 ms，才能保證最快識(shí)別出該GOOSE變位，同時(shí)保證GOOSE信息的快速傳輸。

(3) 將雙口RAM與MPC平臺(tái)或DSP平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互采用硬中斷實(shí)現(xiàn)。由于硬中斷是由FPGA的計(jì)時(shí)器定時(shí)產(chǎn)生，而且FPGA的時(shí)間誤差為納秒級(jí)，因此硬中斷是保證實(shí)時(shí)性最高的實(shí)現(xiàn)方式之一，有力保證了站控層GOOSE數(shù)據(jù)交互在MPC平臺(tái)和DSP平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互的實(shí)時(shí)性。

相對(duì)于過(guò)程層GOOSE來(lái)說(shuō)，雖然站控層GOOSE增加了MPC與FPGA的交互環(huán)節(jié)，但是通過(guò)采取上述三種措施，仍保證了站控層GOOSE數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩院涂煽啃浴?/p>

表1為本文提出的基于站控層GOOSE備自投裝置與智能變電站基于過(guò)程層GOOSE的備自投裝置GOOSE動(dòng)作性能比較一覽表。

表1　GOOSE動(dòng)作性能對(duì)比表

表1中，GOOSE 動(dòng)作性能是指?jìng)渥酝堆b置從接收到GOOSE命令到開(kāi)出GOOSE跳閘命令的動(dòng)作時(shí)間[5]，該指標(biāo)能夠表征出裝置在兩種不同機(jī)制下處理站控層GOOSE和過(guò)程層GOOSE的時(shí)間差異。從該表可看出，站控層GOOSE的動(dòng)作性能非常接近過(guò)程層GOOSE。經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試，本文研制的備自投裝置整體保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不大于35 ms(小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的40 ms)，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用需求。

3.2基于站控層GOOSE的雙網(wǎng)冗余技術(shù)

智能變電站的站控層MMS網(wǎng)均設(shè)雙網(wǎng)，因此可借助通過(guò)智能變電站已有的雙冗余站控層MMS網(wǎng)，來(lái)保證間隔層裝置與備自投裝置的GOOSE信息傳輸?shù)目煽啃詡鬏敗?/p>

首先通過(guò)雙冗余的MMS網(wǎng)同時(shí)傳輸GOOSE信息，保證了站控層GOOSE的可靠性；其次增加備自投裝置接收GOOSE信息的切換機(jī)制。備自投裝置同時(shí)接收和存儲(chǔ)A、B網(wǎng)的GOOSE信息，兩網(wǎng)均在工作狀態(tài)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)鏈路情況進(jìn)行GOOSE信息在站控層A網(wǎng)和B網(wǎng)之間的實(shí)時(shí)切換。正常情況下優(yōu)先使用A網(wǎng)數(shù)據(jù)，當(dāng)連續(xù)2個(gè)Ts(一個(gè)Ts一般為5s)時(shí)間內(nèi)接收不到A網(wǎng)GOOSE報(bào)文，且B網(wǎng)GOOSE報(bào)文傳輸正常，則將備自投裝置接收的GOOSE信息立即切換至B網(wǎng)，由于B網(wǎng)數(shù)據(jù)一直在接收，是連續(xù)有效的，因此，雙網(wǎng)切換不存在時(shí)間間隔，不會(huì)造成報(bào)文丟失。若此時(shí)備自投裝置連續(xù)5個(gè)Ts時(shí)間連續(xù)收到A網(wǎng)GOOSE報(bào)文，證明A網(wǎng)GOOSE通信已恢復(fù)，則仍切換回A網(wǎng)。

通過(guò)上述站控層雙冗余傳輸技術(shù)，極大地保證了站控層GOOSE的傳輸可靠性。

3.3全站備自投集中控制技術(shù)

基于站控層GOOSE的備自投裝置可以獲取全站的開(kāi)關(guān)位置和閉鎖信息，從而可將多個(gè)電壓等級(jí)整合在一起，實(shí)現(xiàn)全站備自投功能[6]，將高側(cè)進(jìn)線/橋備自投、中側(cè)分段備自投、低側(cè)分段備自投以及主變備自投等多種功能集成在一個(gè)裝置里，并可在裝置里增加過(guò)負(fù)荷聯(lián)切、過(guò)負(fù)荷閉鎖功能，實(shí)現(xiàn)全站的備自投集中控制保護(hù)功能。實(shí)現(xiàn)全站備自投集中控制功能的備自投裝置可替代以往變電站多個(gè)備自投裝置，無(wú)需在每個(gè)備投點(diǎn)設(shè)置獨(dú)立的備自投裝置，在簡(jiǎn)化變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的同時(shí)減少了間隔層保護(hù)設(shè)備數(shù)量，大大降低了變電站建設(shè)成本。

4　特點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)了一種接線方式簡(jiǎn)單、動(dòng)作性能佳的智能變電站備自投裝置。該裝置通過(guò)站控層GOOSE網(wǎng)采集開(kāi)關(guān)位置、閉鎖信號(hào)以及發(fā)送跳、合閘命令，取消了硬接點(diǎn)接線及過(guò)程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)，大大簡(jiǎn)化了備自投裝置的二次接線，既降低了電網(wǎng)建設(shè)成本，又有效提高了電網(wǎng)運(yùn)行可靠性，保證電網(wǎng)負(fù)荷合理分配，并且可以借助軟PLC軟件，靈活構(gòu)建基于全站的各種實(shí)時(shí)控制功能。

圖3為典型智能變電站備自投裝置和本文研制的備自投裝置的二次接線結(jié)構(gòu)比較圖。

通過(guò)圖3可以看出，對(duì)于備自投裝置而言，站控層MMS與GOOSE合二為一，備自投裝置通過(guò)已有的站控層MMS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行GOOSE橫向通信。一方面簡(jiǎn)化了變電站備自投裝置的二次接線，縮短了建設(shè)周期，另一方面降低了建設(shè)成本，裝置無(wú)需使用專(zhuān)門(mén)的GOOSE插件，無(wú)需鋪設(shè)大量光纖，更適應(yīng)中低壓變電站的需求，實(shí)時(shí)性和經(jīng)濟(jì)效益兩者兼顧。

圖3　基于過(guò)程層GOOSE與基于站控層GOOSE的備自投裝置

需要指出的是，本文設(shè)計(jì)的備自投裝置所需的實(shí)時(shí)開(kāi)關(guān)量信息是從間隔層裝置獲得的，因此對(duì)間隔層裝置提出新的要求，需具備站控層GOOSE收發(fā)功能。智能變電站內(nèi)站控層網(wǎng)絡(luò)通信通道好壞將直接會(huì)影響該系統(tǒng)的動(dòng)作性能和實(shí)施效果。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合備自投開(kāi)關(guān)量輸入輸出特點(diǎn)，針對(duì)中低壓智能變電站的實(shí)際情況，提出了一種兼顧實(shí)時(shí)性和經(jīng)濟(jì)效益的站控層GOOSE傳輸方案，并在備自投裝置上得到實(shí)施。該方案簡(jiǎn)化了中低壓智能變電站的二次網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，有效降低了建設(shè)成本，且動(dòng)作性能優(yōu)越，可滿(mǎn)足110 kV電壓等級(jí)以下的智能變電站運(yùn)行的實(shí)際需求。目前，采用該方案研制的基于站控層GOOSE輸入輸出的備自投裝置在多個(gè)智能變電站運(yùn)行良好。

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Design of a Backup Power Automatic Switching Device Based on Station-level GOOSE Input/output at Smart Substations

ZHONG Ya-ni1, YAO Cheng1, QIE Zhao-hui1, CHEN Xiao-wei1, LIU Hong-liang2

(1. State Grid Electric Power Research Institute/ NARI Group Corporation, Nanjing Jiangsu 210003, China; 2. Nanjing Power Supply Company, Nanjing Jiangsu 210008, China)

This paper analyzes two current on-off input/output modes of the backup power automatic switching device. On that basis, considering both real time performance and cost effectiveness, it presents a scheme of on-off input and output based on the station-level GOOSE mode, which combines the station-level MMS and GOOSE, collects real-time on-off information of the whole substation in the station-level GOOSE method and gives out switching off/on commands to realize the backup power automatic switching. Based on this scheme and under consideration of engineering practice, it introduces the process of realizing fragmented automatic connection, describes in detail the key technique for station-level GOOSE reception/transmission in the backup automatic switching, and gives motion performance indicators of the backup automatic switching device. This scheme can not only ensure real-time performance of backup automatic switching, but also simplify its network framework, thus reducing the construction cost of the substation. Backup automatic switching devices researched and developed in this scheme are operating very well at a number of intelligent substations.

smart substation； station level； GOOSE； backup power automatic switching； centralized control technique

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.020

TM762

A

1000-3886(2016)01-0062-03

仲雅霓 (1986 -)，女，江蘇南通人，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的研究與開(kāi)發(fā)。姚成 (1974 -)，男，江蘇南京人，碩士，研究員級(jí)高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究與開(kāi)發(fā)。郄朝輝(1985 -)，男，河北石家莊人，碩士，工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化。

定稿日期: 2015-02-12