智能變電站GOOSE插件內(nèi)部CAN通訊異常造成保護(hù)拒動(dòng)問題的分析

張浩, 張艷

(1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力調(diào)度控制中心,湖北 武漢 430077；2. 湖北省漢新發(fā)電有限公司, 湖北 漢川 432321)

智能變電站GOOSE插件內(nèi)部CAN通訊異常造成保護(hù)拒動(dòng)問題的分析

張浩1, 張艷2

(1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力調(diào)度控制中心,湖北 武漢 430077；2. 湖北省漢新發(fā)電有限公司, 湖北 漢川 432321)

通過智能變電站二起110 kV線路保護(hù)異常動(dòng)作行為的分析，發(fā)現(xiàn)廠家生產(chǎn)的部分ST光纖接口插件存在安全隱患，其FPGA時(shí)鐘模塊采用DCM串聯(lián)方式，當(dāng)GOOSE插件內(nèi)部通信模塊輸入時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)較大并超出容許范圍時(shí)，容易造成裝置內(nèi)部通訊出錯(cuò)和異常，不能正確收、發(fā)GOOSE有效報(bào)文，從而引發(fā)保護(hù)裝置或智能終端的拒動(dòng)。

智能變電站；繼電保護(hù)；保護(hù)拒動(dòng)；通訊異常；，GOOSE插件；智能終端

0 引 言

部分早期投運(yùn)智能變電站的保護(hù)裝置不滿足“六統(tǒng)一”要求，可靠性指標(biāo)偏低，核心技術(shù)的成熟度不高，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來較大沖擊和影響[1]。

下文通過對智能變電站二起110 kV線路保護(hù)異常動(dòng)作行為的分析，發(fā)現(xiàn)部分廠家生產(chǎn)的智能繼電保護(hù)裝置ST光纖接口插件存在原理設(shè)計(jì)缺陷，該隱患容易造成GOOSE插件內(nèi)部CAN通訊出錯(cuò)和異常，使保護(hù)裝置或智能終端不能正確收、發(fā)GOOSE有效報(bào)文，從而引發(fā)保護(hù)拒動(dòng)行為。

1 異常動(dòng)作事件簡述

(1)2015年3月22日18時(shí)14分25秒，公司所轄智能變電站110 kV將杜線故障，線路保護(hù)正確動(dòng)作，將杜線開關(guān)拒動(dòng)，18時(shí)14分26秒，220 kV#1主變保護(hù)裝置后備保護(hù)動(dòng)作，跳開1#主變中壓側(cè)開關(guān)。

(2)2015年6月16日05時(shí)58分，該智能變電站110 kV將紅線發(fā)生區(qū)內(nèi)三相故障，110 kV線路保護(hù)距離1、2、3段正確動(dòng)作，但智能終端未能動(dòng)作跳開斷路器，#1主變中壓側(cè)后備保護(hù)動(dòng)作，跳開220 kV#1中壓側(cè)開關(guān)，隔離故障。

2 異常動(dòng)作情況分析

2.1 “3.22”異常事件分析

現(xiàn)場調(diào)取3月22日110 kV將杜線保護(hù)裝置和故障錄波器錄波，波形如圖1、圖2所示。

從圖1中，可以看到保護(hù)初始感受到的故障為A相故障，故障持續(xù)時(shí)間1.08 s(故障量為IA=3.04 A，3I0=3.01 A，UA=45.14 V)

接地故障阻抗為：

Zj=UA/(IA+K0*3I0)=
45.14/(3.04+0.67*3.01)=8.9 Ω

調(diào)取110 kV將杜線保護(hù)定值，整定為：K0=0.67，Z10_set=4 Ω，Z100_set=4.5 Ω，Z20_set=8.4 Ω，Z20_time=1.2 s，Z200_set=9 Ω，Z200_time=1.2 s，Z30_set=38 Ω，Z30_time=2.3 s，Z300_set=38 Ω，Z300_time=2.3 s，I01=5.1 A，I02=1.5 A，I02_time=1.3 s，I03=0.4 A，I03_time=1.6 s，I04=0.4 A，I04_time=10 s(差動(dòng)保護(hù)沒有運(yùn)行)

圖1 110 kV將杜線線路保護(hù)裝置動(dòng)作錄波

圖2 110kV故障錄波器錄波

顯然ZjA>Z100_set不滿足接地距離Ⅰ、Ⅱ段阻抗，距離保護(hù)不動(dòng)作。滿足接地距離Ⅲ段阻抗動(dòng)作條件，但時(shí)間條件不滿足(2.3 s)，保護(hù)不動(dòng)作。零序故障電流不滿足零序1段定值，零序1段不動(dòng)作。

1.08 s后，故障轉(zhuǎn)換為AB相間接地故障(故障量為：UA=36.73 V，IA=4.63 A，IAB=8.28 A，UAB=44.12 V， 3I0=1.07 A)。接地故障阻抗為：

ZjA=UA/(IA+K0*3I0)=36.73/(4.63+0.67*1.07)=6.86 Ω，滿足接地距離3段阻抗動(dòng)作條件，計(jì)時(shí)1.08 s+1.22 s=2.3 s接地距離3段動(dòng)作，相間故障阻抗UAB/IAB=5.32 Ω，滿足距離2段相間阻抗定值，故障時(shí)間為1.08 s+1.2 s+數(shù)據(jù)窗時(shí)間=2.3 s左右相間距離2段動(dòng)作，零序故障電流一直滿足零序過流3段門檻，1.6 s后零序過流3段動(dòng)作(注：將杜線在故錄中名稱為將涼線)。

從以上分析可以證明線路保護(hù)裝置動(dòng)作邏輯正確，但通過故障錄波器波形(如圖2所示)發(fā)現(xiàn)故障錄波器未錄取到線路保護(hù)跳閘GOOSE信號(hào)輸出。調(diào)取110 kV將杜線間隔智能終端記錄(如圖3所示)，發(fā)現(xiàn)在保護(hù)跳閘時(shí)刻，智能終端確實(shí)未接收到保護(hù)的GOOSE跳閘信號(hào)，但可以接收到測控GOOSE遙控跳閘信號(hào)(記錄序號(hào)1080)。

專業(yè)人員對該線路保護(hù)裝置重啟后重新進(jìn)行整組試驗(yàn)，智能終端能接收到線路保護(hù)跳閘信號(hào)(記錄序號(hào)：1112)。

圖3 110 kV將杜線間隔智能終端記錄

智能變電站110 kV線路保護(hù)裝置主要有三塊智能插件：SV插件，主CPU插件以及GOOSE插件。SV插件完成模擬量采集功能；主CPU插件主要完成計(jì)算、保護(hù)邏輯、裝置管理及站控層通訊功能；GOOSE插件完成裝置保護(hù)跳閘等GOOSE輸出及外部GOOSE輸入信號(hào)解析獲取(如斷路器位置)功能。保護(hù)裝置的GOOSE輸出配置為兩個(gè)端口，一個(gè)端口與智能終端通訊，另一個(gè)端口輸出至GOOSE網(wǎng)絡(luò)(故障錄波器、網(wǎng)絡(luò)分析儀)。

調(diào)取保護(hù)裝置的LOG日志記錄“board 13 don’t send heart in 3 s! board’s run error! module 1 at line 0652 of function suvTimeCheck at TIME=2014-09-23 11:06:41:123”，發(fā)現(xiàn)該線路保護(hù)裝置在2014年9月23日時(shí)，GOOSE插件與CPU插件的通信已經(jīng)出現(xiàn)異常，因而不能有效傳輸跳閘信息。

結(jié)論：一次系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，線路保護(hù)裝置模擬量采集正確、保護(hù)邏輯功能正常(動(dòng)作報(bào)文、錄波、動(dòng)作燈均正確)、站控層通訊功能正常，動(dòng)作邏輯正確，但GOOSE跳閘報(bào)文未輸出至智能終端，導(dǎo)致開關(guān)拒動(dòng)。

2.2 “6.16”異常事件分析

現(xiàn)場調(diào)取6月16日110 kV將紅線保護(hù)裝置和故障錄波器錄波，波形如圖4、圖5所示。

圖4 110kV將紅線線路保護(hù)裝置錄波

圖5 故障錄波器110 kV線路跳閘出口錄波

從圖4可以看出110 kV將紅線發(fā)生故障時(shí)，接地距離Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段保護(hù)均正確動(dòng)作，通過圖5可以看出，保護(hù)在故障發(fā)生后28 ms，發(fā)出GOOSE跳閘令。保護(hù)裝置動(dòng)作正確，GOOSE命令發(fā)送正常。但現(xiàn)場斷路器計(jì)數(shù)器沒有變化。

通過查看110 kV將紅線間隔智能終端內(nèi)部信息，發(fā)現(xiàn)6月16日裝置沒有GOOSE輸入變位信息(如圖6所示)。表明GOOSE插件到主CPU插件內(nèi)部CAN通訊異常。

調(diào)取智能終端LOG日志記錄“board 2 don’t send heart in 3 s! board’s run error! module 1 at line 0652 of function suvTimeCheck at TIME=2015-03-11 08:18:44:751”，表明2015年3月11日GOOSE插件到主CPU插件的內(nèi)部CAN通訊已經(jīng)出現(xiàn)異常。該異常會(huì)導(dǎo)致智能終端內(nèi)部插件間GOOSE信息不能正確傳輸，不能正確執(zhí)行110 kV線路保護(hù)發(fā)出的GOOSE跳令。

圖6 110 kV將紅線間隔智能終端裝置內(nèi)部變位報(bào)告

檢修專業(yè)人員對110 kV將紅線間隔的保護(hù)裝置進(jìn)行了現(xiàn)場整組傳動(dòng)試驗(yàn)。線路保護(hù)能正確可靠動(dòng)作，保護(hù)跳、合閘燈點(diǎn)亮正常，但智能終端未能出口。

重啟智能終端后，智能終端裝置告警燈滅。再次進(jìn)行保護(hù)試驗(yàn)，智能終端跳、合燈亮，能正常分合斷路器。

結(jié)論：110 kV將紅線保護(hù)裝置正確動(dòng)作，站控層通訊功能正常，故障錄波器接收到線路保護(hù)裝置動(dòng)作報(bào)文，但110 kV將紅線間隔的智能終端未能有效處理跳閘令。

3 GOOSE插件至主CPU插件的內(nèi)部CAN通訊異常原因分析

從以上二起異常事件的分析來看，均出現(xiàn)了GOOSE插件到主CPU插件的內(nèi)部CAN通訊異常的現(xiàn)象，需要對其產(chǎn)生的原因進(jìn)行認(rèn)真分析。

3.1 GOOSE插件功能及工作原理

GOOSE插件實(shí)現(xiàn)裝置GOOSE報(bào)文收發(fā)、GOOSE開入量采集、保護(hù)跳閘命令發(fā)送等功能。GOOSE插件原理框圖如圖7所示，插件上的CPU處理器通過自帶的以太網(wǎng)口對外進(jìn)行GOOSE報(bào)文通訊，對內(nèi)通過基于FPGA實(shí)現(xiàn)的CAN通訊模塊與主CPU插件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[2]。

圖7 GOOSE插件原理框圖

為更好發(fā)現(xiàn)GOOSE插件問題，對出現(xiàn)故障的線路保護(hù)GOOSE插件進(jìn)行單插件基本性能檢測，測試包括：電源電壓輸入輸出模塊，關(guān)鍵信號(hào)，板載內(nèi)存，插件對內(nèi)對外接口，插件CPU任務(wù)負(fù)荷率等項(xiàng)目。

圖8 問題復(fù)現(xiàn)時(shí)測試異常波形圖

經(jīng)過約3周時(shí)間的連續(xù)測試與信號(hào)監(jiān)視，此GOOSE故障插件在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了一次跟現(xiàn)場一致的異常告警現(xiàn)象，即裝置報(bào)GOOSE插件通訊異常。通過調(diào)試工具軟件調(diào)取裝置記錄，發(fā)現(xiàn)CAN通訊收、發(fā)處于異常狀態(tài)。通過芯片專用仿真測試工具和示波器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)FPGA芯片內(nèi)部CAN通訊模塊的輸入時(shí)鐘(24 MHz)消失，導(dǎo)致GOOSE插件的內(nèi)部CAN通訊中斷，如圖8所示。

3.2 CAN中斷問題分析

基于以上測試結(jié)果，故障插件的問題初步定位至FPGA芯片內(nèi)部CAN通訊模塊的輸入時(shí)鐘模塊。

FPGA芯片內(nèi)部與CAN相關(guān)的原理框圖如圖9所示，主要包含與CPU的總線接口、CAN通訊模塊以及輸入時(shí)鐘模塊。

圖9 FPGA內(nèi)部CAN相關(guān)模塊框圖

該GOOSE插件FPGA芯片的輸入時(shí)鐘模塊是通過內(nèi)部自帶數(shù)字時(shí)鐘管理單元(DCM)來實(shí)現(xiàn)的。CAN通訊模塊正常工作需要一個(gè)24 MHz輸入時(shí)鐘，經(jīng)過兩個(gè)DCM串聯(lián)產(chǎn)生，第一級(jí)DCM的時(shí)鐘輸入源為外部25 MHz晶振，輸出100 MHz時(shí)鐘作為FPGA系統(tǒng)工作時(shí)鐘，同時(shí)此100 MHz時(shí)鐘也作為第二級(jí)DCM輸入時(shí)鐘源，用于產(chǎn)生CAN通訊模塊所需的24 MHz時(shí)鐘，如圖10所示?，F(xiàn)場問題復(fù)現(xiàn)時(shí)，通過DCM2產(chǎn)生的24 MHz時(shí)鐘停止輸出了，但此時(shí)FPGA系統(tǒng)其它模塊工作正常，通過DCM1產(chǎn)生的100 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘仍能夠穩(wěn)定輸出。

圖10 時(shí)鐘輸入模塊的設(shè)計(jì)原理框圖

3.3 CAN輸入時(shí)鐘失效分析

數(shù)字時(shí)鐘管理器(DCM)用于產(chǎn)生芯片運(yùn)行的各類時(shí)鐘信號(hào)，其基本工作原理是：當(dāng)外部輸入時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)入時(shí)鐘模塊后首先由鑒相器鎖定相位變化差，通過倍頻器調(diào)節(jié)反饋并跟蹤時(shí)鐘輸入信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定輸出信號(hào)，再通過分頻器計(jì)數(shù)產(chǎn)生所需的輸出時(shí)鐘。

圖11 DCM原理圖框圖

DCM原理框圖如圖11所示。

CAN所需的24 MHz時(shí)鐘是數(shù)字時(shí)鐘管理器DCM2使用前一級(jí)時(shí)鐘數(shù)字時(shí)鐘管理器DCM1輸出的100 MHz時(shí)鐘作為輸入時(shí)鐘源，通過鑒相器鎖定相差后進(jìn)行倍頻、分頻產(chǎn)生24 MHz時(shí)鐘[3]。由于時(shí)鐘相位和頻率的調(diào)節(jié)都是由倍頻器來實(shí)現(xiàn)的，因此倍頻器的穩(wěn)定性決定了DCM的可靠性。其工作原理如圖12所示。

倍頻器其內(nèi)部由多個(gè)延時(shí)單元進(jìn)行級(jí)聯(lián)組成，是通過延時(shí)單元的逐級(jí)組合實(shí)現(xiàn)不同的延時(shí)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘相位的移動(dòng)及頻率的變換。由圖13可以看出，當(dāng)時(shí)鐘輸入信號(hào)相位發(fā)生變化時(shí)，倍頻器根據(jù)相位變化大小調(diào)節(jié)延時(shí)時(shí)間以跟蹤時(shí)鐘輸入信號(hào)。時(shí)鐘輸入信號(hào)的周期抖動(dòng)必須小于1 ns，如果出現(xiàn)異常抖動(dòng)超過1 ns，則超出了倍頻器的調(diào)節(jié)能力，將導(dǎo)致倍頻器無法跟蹤輸入信號(hào)，可能造成DCM模塊失效[4-5]。

如果前級(jí)DCM1輸入時(shí)鐘源出現(xiàn)了異常的抖動(dòng)，其輸出的100 MHz時(shí)鐘可能會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)更大的抖動(dòng)；如果此周期抖動(dòng)值又超過了DCM2對輸入時(shí)鐘周期抖動(dòng)的容許范圍，進(jìn)一步可能會(huì)引起后一級(jí)DCM2失鎖，一旦失鎖將會(huì)導(dǎo)致DCM2停止輸出24 MHz時(shí)鐘。

經(jīng)仔細(xì)對現(xiàn)場返回GOOSE插件進(jìn)行時(shí)鐘信號(hào)測試，在異?，F(xiàn)象復(fù)現(xiàn)(24 MHz時(shí)鐘停止輸出)時(shí)，DCM2輸入時(shí)鐘有存在瞬時(shí)抖動(dòng)較大的情況，如圖13所示(瞬時(shí)抖動(dòng)約1.2 ns)，直接造成了DCM2模塊中的倍頻環(huán)節(jié)出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)，最終導(dǎo)致了DCM2停止輸出24 MHz時(shí)鐘。

圖13 實(shí)測異常時(shí)的時(shí)鐘抖動(dòng)圖

3.4 分析結(jié)論

從以上試驗(yàn)和分析，認(rèn)定該廠家生產(chǎn)的部分ST光纖接口插件，其FPGA時(shí)鐘模塊采用了DCM串聯(lián)方式，造成CAN輸入時(shí)鐘失效的同時(shí)，會(huì)造成GOOSE插件到主CPU插件的內(nèi)部CAN通訊異常，從而造成保護(hù)或智能終端的拒動(dòng)。

4 改進(jìn)方法及措施

4.1 優(yōu)化FPGA內(nèi)部時(shí)鐘模塊的設(shè)計(jì)方案

圖14 FPGA時(shí)鐘模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

(1)將RP1202(GOOSE)插件FPGA內(nèi)部時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)取消DCM串聯(lián)的方式，將DCM模塊全部采用并聯(lián)方式重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，以減少由于串聯(lián)引起的信號(hào)疊加抖動(dòng)(如圖14所示)。

(2)DCM模塊時(shí)鐘輸入源采用經(jīng)過同一時(shí)鐘緩沖器緩沖后的時(shí)鐘信號(hào)(如圖14)，用以隔離FPGA芯片內(nèi)外部的噪聲干擾對時(shí)鐘輸入信號(hào)的影響，同時(shí)進(jìn)一步降低DCM2時(shí)鐘輸入信號(hào)的傳輸抖動(dòng)。

(3)針對RP1202、RP1203、RP1204插件，完善內(nèi)部CAN通訊異常告警機(jī)制，異常時(shí)點(diǎn)亮裝置告警燈并發(fā)送告警報(bào)文[6]。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)后的效果，對升級(jí)優(yōu)化后的GOOSE插件，進(jìn)行了全面的功能、環(huán)境及電磁干擾等測試項(xiàng)目，測試結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)異常，內(nèi)部CAN通訊正常，試驗(yàn)裝置型號(hào)涉及數(shù)字化線路保護(hù)、主變保護(hù)、智能終端等類型裝置。

4.3 現(xiàn)場運(yùn)行及整改情況

該異常事件發(fā)生后，公司對所轄110kV及以上智能變電站同類型裝置進(jìn)行了全面排查，重點(diǎn)對智能變電站配置有RP1202、RP1203、RP1204(GOOSE插件)的保護(hù)、測控、過程層設(shè)備進(jìn)行巡查，巡查中若發(fā)現(xiàn)GOOSE插件內(nèi)部通訊問題，申請對該裝置立即申請進(jìn)行處理，進(jìn)行軟件升級(jí)和相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證；對巡查中未發(fā)現(xiàn)問題裝置，申請按照調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行升級(jí)。

5 結(jié)束語

本文通過智能變電站二起110 kV線路保護(hù)異常動(dòng)作行為的分析，發(fā)現(xiàn)了廠家生產(chǎn)的部分ST光纖接口插件存在原理缺陷，其FPGA時(shí)鐘模塊采用DCM串聯(lián)方式，當(dāng)GOOSE插件內(nèi)部通信模塊輸入時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)較大并超出容許范圍時(shí)，容易造成裝置內(nèi)部通訊出錯(cuò)和異常，不能正確收、發(fā)GOOSE有效報(bào)文，從而引發(fā)保護(hù)裝置或智能終端的拒動(dòng)。

[1] 王同文，謝名.智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，6(9)：58-66.

[2] 鄭玉平.智能變電站二次設(shè)備與技術(shù)[M]. 北京:中國電力出版社，2014.

[3] 莫峻，譚建成.基于并行冗余協(xié)議的高可靠性過程總線通信研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(4)：263-268.

[4] 線路保護(hù)及輔助裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范:Q/GDW1161-2013[S]. 北京:中國電力出版社，2013.

[5] 任雁銘，秦立軍，楊奇遜，等.IEC61850通信協(xié)議體系介紹和分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2000，24(8)：62-64.

[6] 智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范:Q/GDW441-2010[S]. 北京:中國電力出版社，2010.

An Analysis of Protection Failure Caused by Abnormal CAN Communication inside GOOSE Plug-in at Intelligent Substations

Zhang Hao1, Zhang Yan2

(1. State Grid Hubei Electric Power Co. Electric Power Dispatching Control Center, Wuhan Hubei 430077, China；2. Hubei Hanxin Power Co., Ltd., Hanchuan Hubei 432321, China)

In the process of analysis of two cases of abnormal protection action with 110 kV lines of intelligent substations, potential safety hazards are detected with some of ST fiber interface cards produced by the factory. The FPGA clock module adopts DCM series mode. When the input clock signal of the internal communication module inside the GOOSE plug-in jitters beyond the permissible range, that might easily lead to errors and abnormality of internal communication of the device, so that GOOSE messages cannot be received or delivered correctly, thus causing operation refusal of the protective device or the intelligent terminal.

smart substation； relay protection；protection failure； abnormal communication； GOOSE plug-in；intelligent terminal

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.014

TM712

A

1000-3886(2017)01-0045-04

張浩(1977-)，男，碩士，湖北人，高級(jí)工程師，從事繼電保護(hù)運(yùn)行管理工作；國網(wǎng)湖北省電力公司電力調(diào)度控制中心。 張艷(1975-)，女，本科，湖北人，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)備的調(diào)試和研究。

定稿日期: 2016-07-26