智能變電站分組式測控技術(shù)方案

彭 奇, 王治華, 劉海洋, 周 斌, 黃國方

(1. 南瑞集團(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司, 江蘇省南京市 211106; 2. 國電南瑞科技股份有限公司, 江蘇省南京市 211106; 3. 智能電網(wǎng)保護和運行控制國家重點實驗室, 江蘇省南京市 211106; 4. 國網(wǎng)上海市電力公司電力調(diào)度控制中心, 上海市200122)

0 引言

測控裝置是變電站自動化系統(tǒng)間隔層的核心設(shè)備,其可以實現(xiàn)一次、二次設(shè)備信息采集和信息傳輸,接收控制命令,實現(xiàn)對受控對象的控制[1-2]。目前智能變電站內(nèi)測控裝置為單套配置,沒有備用,當(dāng)測控裝置出現(xiàn)故障或異常時,站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)及遠方主站將失去對相應(yīng)電氣間隔的測控功能[3]。如何高效地解決測控裝置的備用問題已成為智能變電站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的當(dāng)務(wù)之急。

目前的解決方案包括測控雙重化[4]和集群式測控[5-6]。文獻[4]中詳述了測控雙重化配置方案,該方案雖可解決備用問題,但設(shè)備數(shù)量、成本都將翻倍;文獻[5-6]中介紹的集群式測控采用了虛擬測控裝置的模型辨識技術(shù),完全模擬了故障或異常測控的行為,但不同廠家設(shè)備間的一致性驗證較為復(fù)雜,且運行方式為冷備用方式,無法做到無縫切換。并且如何監(jiān)視集群式測控本身的狀態(tài),即集群測控自身模型,以及遠方條件下如何確保取代間隔的實體測控設(shè)備完全退出網(wǎng)絡(luò)還有待探討。

文獻[7]中介紹了一種智能變電站集中式保護測控裝置,分組式測控借鑒了集中式測控的技術(shù)以及雙重化配置方案。不同之處是對智能變電站內(nèi)所有間隔的測控功能進行分類重組,提出相似相關(guān)的間隔分組式集中原則。本文詳細(xì)描述了分組式測控技術(shù)原理及設(shè)計實現(xiàn),以及基于分組式測控的系統(tǒng)架構(gòu)運行方式及組網(wǎng)方案等。

1 分組式測控原理

分組指間隔分組,主要表現(xiàn)為間隔功能的相似相關(guān)集中。根據(jù)目前變電站內(nèi)測控間隔的應(yīng)用情況分為線路分組、母線分組、3/2串分組及主變壓器(以下簡稱主變)分組。相似性的集中可使裝置內(nèi)共性功能模塊得以最大限度地共享,提高程序運行穩(wěn)定性;相關(guān)性集中則可以提高數(shù)據(jù)的共享效率,如間隔間的聯(lián)閉鎖信息等,不僅減少了網(wǎng)絡(luò)上的報文流量,更有利于管理與控制。

分組式測控仍然屬于間隔層設(shè)備,裝置內(nèi)可運行一個間隔分組內(nèi)的多個間隔測控功能。在IEC 61850模型方面,對多間隔模型進行整合,采用集中式的一體模型。過程層基于采樣值(SV)與通用面向?qū)ο笞冸娬臼录?GOOSE)進行信息共享。由于裝置內(nèi)集成了多間隔的功能,考慮到裝置的體積和容量,過程層采用組網(wǎng)方式,不支持多間隔的點對點方式。暫不考慮常規(guī)模擬接線方式的分組式測控。

2 分組式測控設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 硬件方案

分組式測控處于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)體系中的間隔層,在站控層通信功能上與目前間隔測控一致,只是模型有所增大,因此主要考慮過程層的實現(xiàn)。過程層網(wǎng)絡(luò)為組網(wǎng)方式,網(wǎng)絡(luò)報文主要為GOOSE報文和SV報文。其中GOOSE報文正常運行無變位時流量較小,突發(fā)事件時流量較大,由于有多個間隔的集成,接收的GOOSE控制塊(GOCB)較多,因此考慮設(shè)置獨立的GOOSE和SV模件。SV報文為持續(xù)穩(wěn)定的大流量報文。根據(jù)IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)[8],合并單元采樣報文的上送速率為4 000包/s。下面分別對幾種分組式測控的過程層報文流量進行分析。

對于線路分組測控,目前變電站內(nèi)線路間隔測控只接收1個SV控制塊報文,即線路側(cè)合并單元SV,該SV控制塊中不僅包含線路側(cè)電壓、電流等遙測量信息,還包含了由母線合并單元通過級聯(lián)方式上送的母線電壓。則對于最大集成8個間隔的線路分組測控共接收8個SV控制塊報文。對于3/2串分組測控,需要接收2臺母線電壓合并單元、2臺線路電壓合并單元及3臺電流合并單元,共7個SV控制塊報文。對于母線分組測控,考慮接收SV控制塊最多的雙母雙分段情況。該接線方式下需要接收2臺母線電壓合并單元及2段母聯(lián)和分段電流合并單元,共6個SV控制塊報文。主變分組測控較為簡單,主要接收主變3側(cè)的3個合并單元。各類型測控接收的SV控制塊數(shù)量及每秒接收報文數(shù)如表1所示。

表1 各類型分組測控過程層接收的SV情況Table 1 SV received by bay-group control unit in the process layer

假定一個SV報文中包含20個通道數(shù)據(jù),根據(jù)IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn),則該報文長度約為250 B。根據(jù)表1,裝置每秒接收SV報文的最大數(shù)為32 000,則裝置每秒接收的SV數(shù)據(jù)量為8 MB,即64 Mbit,百兆網(wǎng)口完全可以滿足應(yīng)用要求。

根據(jù)以上過程層網(wǎng)絡(luò)流量分析,硬件上采用目前測控裝置的嵌入式平臺及裝置模件,無須額外增加硬件設(shè)備。

過程層GOOSE與SV模件采用相同模件,硬件平臺CPU模塊采用Freescale公司的QorIQ系列處理器P1011,該處理器為雙核處理器,最高主頻可達800 MHz。采用Xilinx的Spartan6系列LX45大容量現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)進行SV數(shù)據(jù)采集處理,CPU與FPGA間采用基于1.0a版本規(guī)范的PCIe(peripheral component interconnect express)總線進行數(shù)據(jù)交換,速率可達1.25 Gbit/s滿足了FPGA與CPU間大量SV數(shù)據(jù)交互。對外接口為8個獨立MAC全雙工以太網(wǎng),多模光口,接口形式是LC(lucent connector)接口,速率為100 Mbit/s?？蓾M足過程層GOOSE和SV的功能需求。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 過程層模件硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure of process level module

站控層模件的CPU采用MPC8321,主要負(fù)責(zé)各種測控功能、對外通信、裝置的配置管理以及人機接口等。采用獨立DSP單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集計算、測控的邏輯處理、數(shù)據(jù)的分析等功能。通過FPGA實現(xiàn)板內(nèi)芯片間的數(shù)據(jù)交互、對時同步以及中斷同步,同時通過高速串行總線技術(shù)實現(xiàn)智能IO單元與CPU單元間的高速實時數(shù)據(jù)交換,其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 站控層模件硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of station level module

2.2 軟件方案

分組式測控的軟件實現(xiàn)主要包括間隔層功能及過程層功能實現(xiàn)。其中間隔層功能關(guān)鍵技術(shù)主要為多間隔集成。過程層功能主要通過SV及GOOSE收發(fā)器實現(xiàn)。

1)間隔層

間隔層功能實現(xiàn)如圖3所示,主要包括IEC 61850模塊、多間隔功能模塊以及公共功能模塊。

圖3 間隔層功能結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Function structure of bay level

多間隔功能模塊是分組式測控的核心,也是關(guān)鍵技術(shù)。在裝置內(nèi)部設(shè)計了間隔公共類,該類中包含了遙測功能、遙信功能、遙控功能、五防功能等功能模塊。當(dāng)裝置運行時根據(jù)模型文件中間隔的數(shù)量及種類進行具體的實際間隔的實例化派生,并分配內(nèi)存空間。各間隔測控功能擁有獨立的緩存與計算模塊,在CPU內(nèi)部并行運行,保證了獨立性。這樣做到了代碼的最大共享與復(fù)用,并保證了可靠性。同時，為了方便五防邏輯的計算,各間隔測控功能模塊間共享了遙測、遙信等采集數(shù)據(jù)。公共功能模塊主要包含對時、公共參數(shù)管理、顯示、調(diào)試等公共功能。IEC 61850功能模塊主要負(fù)責(zé)解析多間隔模型文件,以及與站控層設(shè)備的通信。

裝置設(shè)有統(tǒng)一的遠方/就地硬壓板與檢修硬壓板,同時各間隔測控功能還設(shè)有各自獨立的間隔檢修軟壓板。當(dāng)裝置檢修硬壓板投入時,設(shè)備處于檢修狀態(tài),所有間隔均處于檢修狀態(tài);當(dāng)間隔檢修軟壓板投入時,該間隔處于檢修狀態(tài)。設(shè)置間隔檢修軟壓板主要考慮當(dāng)該間隔過程層設(shè)備置檢修時,需要執(zhí)行遙控命令則必須檢修狀態(tài)一致,即該間隔測控也需要置檢修。考慮到防止就地解鎖操作時誤入其他間隔,每個間隔設(shè)置了獨立的解鎖/聯(lián)鎖硬壓板,正常運行時,所有間隔均處于聯(lián)鎖狀態(tài),當(dāng)需要解鎖操作某個間隔時需退出該間隔的聯(lián)鎖壓板。

2)過程層

在過程層模件內(nèi)設(shè)計了SV接收器與GOOSE收發(fā)器,如圖4所示。SV接收器根據(jù)設(shè)備IEC 61850模型配置信息統(tǒng)一接收SV網(wǎng)絡(luò)中的SV報文,再根據(jù)配置將各間隔的SV報文信息分發(fā)給各線路間隔的功能模塊。GOOSE收發(fā)器在接收網(wǎng)絡(luò)GOOSE報文時原理與SV接收器相同,此外GOOSE收發(fā)器還負(fù)責(zé)匯總各線路間隔的發(fā)送GOOSE報文,并統(tǒng)一發(fā)送。

圖4 過程層功能結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Function structure of process level

2.3 分組式測控的實現(xiàn)

1)線路分組測控

根據(jù)相似性集中原則,線路分組測控對同一母線上的多個功能相同的線路間隔進行集中,最多可集成8條線路,結(jié)構(gòu)如圖5所示。每個線路間隔均為線路間隔公用類的一個實例化對象,彼此獨立。

圖5 線路分組測控設(shè)計圖Fig.5 Design of line bay-group control unit

數(shù)據(jù)共享方面，對于同期功能,所有間隔共享母線電壓;對于五防功能,所有間隔共享母線及母聯(lián)間隔相關(guān)開關(guān)及刀閘位置信息。由于每條線路相同位置的刀閘防誤邏輯相同,因此只需對每種類型的刀閘配置一次五防邏輯,然后將邏輯中的對象與各間隔中的實際對象做映射。

2)3/2串分組測控

根據(jù)相關(guān)性集中原則,3/2串分組測控包含完整串中2個邊開關(guān)間隔、1個中開關(guān)間隔以及2個線路間隔,共5個間隔,如圖6所示。程序中設(shè)計了完整串中邊開關(guān)、中開關(guān)以及線路間隔功能類,根據(jù)配置信息實例化各間隔。測控內(nèi)共享了完整串內(nèi)開關(guān)量與模擬量的信息,刀閘遙控的聯(lián)閉鎖信息基本不再依賴間隔間測控裝置的站控層聯(lián)閉鎖GOOSE,提高了防誤可靠性。

圖6 3/2串分組測控設(shè)計圖Fig.6 Design of 3/2 bay-group control unit

在SV采樣值接收上,從串角度出發(fā)按單相母線電壓通道、三相線路電壓通道及三相邊、中開關(guān)電流通道,共17個通道設(shè)計,接收后直接根據(jù)通道映射傳遞給相應(yīng)間隔功能模塊,完成所有頻率、電壓、電流及功率等電氣量的計算。

3)母線及主變分組測控

與母線相關(guān)的間隔主要包括母線間隔,母聯(lián)間隔及分段間隔,上述間隔的狀態(tài)構(gòu)成了不同的母線運行方式,因此母線分組測控可集成上述間隔功能。目前的母線測控裝置最多可測量控制四條母線。母線分組測控以雙母雙分段結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),在四母線測控的基礎(chǔ)上集成了母聯(lián)與分段間隔測控功能。該測控也可適用于單母線、雙母線、雙母分段等結(jié)構(gòu)。

集成后的母線分組測控可完整采集母線相關(guān)的所有信息,對于母線狀態(tài)的判斷和倒母操作帶來了便利。

主變分組測控相對來說較為簡單,目前常規(guī)測控已有主變本體加三側(cè)一體測控,分組式主變測控即該種測控的數(shù)字化版本。

3 基于分組式測控的新型監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

由于分組式測控采用了集中式技術(shù),一臺測控集中了若干間隔的功能,因此站內(nèi)測控的數(shù)量將大大減少。為提高系統(tǒng)可靠性以及消除單套測控的弊端,分組式測控系統(tǒng)采用A,B雙套冗余結(jié)構(gòu),其系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D7所示。

3.1 設(shè)備連接

測控裝置站控層采用雙網(wǎng)模式,與現(xiàn)有測控方式相同。過程層設(shè)備連接方面存在3種連接方式:①單套接入,即雙套測控分別只接入過程層A套設(shè)備;②雙套分別接入,即過程層A套設(shè)備接入A套測控,過程層B套設(shè)備接入B套測控;③雙套同時接入,即每套測控同時接入A,B套過程層設(shè)備。

圖7 分組式測控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.7 Network structure of bay-group control unit

上述方案中第1種和第2種為單套設(shè)備接入方案,第3種方案為雙套設(shè)備同時接入方案。由于A,B套智能終端與合并單元的信號并不完全相同,因此第2種方案下A,B套測控的模型并不完全相同。文獻[9]介紹了該方案下間隔層設(shè)備和站控層設(shè)備對于冗余數(shù)據(jù)的處理方式。分組式測控雙套冗余方案更多考慮解決目前單套測控?zé)o備用的問題,需要雙套測控完全冗余,所以第2種設(shè)備接入方案不完全適用。

第3種方案為同時接入A,B套智能終端與合并單元,由測控裝置完成雙套冗余數(shù)據(jù)的選擇與切換,文獻[10]給出了該種方式下測控裝置的實現(xiàn)。文獻[11]介紹了雙套設(shè)備同時接入時數(shù)據(jù)處理的方案。該方案下分組式測控接入的過程層設(shè)備數(shù)量將會翻倍,接收的GOOSE和SV數(shù)量也將翻倍。根據(jù)第2節(jié)中對報文流量的分析,單塊過程層功能模件已不適合該模式,需要采用較為復(fù)雜的多過程層模件設(shè)計方式。

根據(jù)以上分析,本文中分組式測控過程層設(shè)備接入采用第1種方案,該方式也與目前測控接入方式相同。

3.2 運行方式

文獻[4]中介紹了間隔測控雙重化情況下的組網(wǎng)及切換方案,分組式測控組網(wǎng)也可采用該方案。根據(jù)分組測控的配置及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),有2種相匹配的運行方式。

1)并行冗余運行

該運行方式下A,B套測控同時采集智能終端與合并單元數(shù)據(jù),并同時上送后臺遠動,互為冗余備用。后臺遠動根據(jù)一定算法確定選擇一套設(shè)備為當(dāng)前運行主設(shè)備。正常運行時采用主設(shè)備上送的采集數(shù)據(jù),遙控下行也選擇主設(shè)備作為遙控執(zhí)行端。

選擇主設(shè)備的方法類似目前跨雙網(wǎng)測控方式,即當(dāng)A,B套設(shè)備均正常運行或均異常時,選擇A套作為主設(shè)備,而當(dāng)A套異常,B套正常時選擇B套為主設(shè)備。而A套設(shè)備異常的判斷包括通信是否正常、是否處于檢修狀態(tài)、數(shù)據(jù)品質(zhì)是否正常等。

2)主備模式運行

主備模式也是冷備用模式,即規(guī)定A套為主測控和B套為備用測控。正常運行條件下運行A套。當(dāng)A套故障或檢修等情況下,退出A套,投入B套備用測控。該方式下后臺無須進行冗余數(shù)據(jù)的處理及切換,任何情況下只有一套測控裝置投入運行。

并行冗余方式的優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)的無縫切換,不會丟失任何數(shù)據(jù),但缺點在于后臺系統(tǒng)需要同時接收雙套測控裝置的冗余信息,增加了處理難度。而主備模式,即冷備用模式無須增加后臺任何負(fù)擔(dān),但缺點在于主測控退出及備用測控投入時發(fā)生的事件信息的丟失。

4 分組式測控的應(yīng)用驗證

在實驗室環(huán)境下模擬搭建了雙主變的500 kV智能變電站監(jiān)控系統(tǒng),如圖8所示。采用雙套冗余系統(tǒng)架構(gòu),使用了4臺線路分組測控、6臺母線分組測控、6臺3/2串分組測控以及4臺主變分組測控,共20臺測控裝置。若按目前間隔測控配置方式,該接線方式下共需要12臺中壓線路測控、2臺中壓母線測控、4臺母聯(lián)分段測控、15臺3/2接線斷路器及出線間隔測控、2臺高壓母線測控以及4臺主變本體及中壓側(cè)測控,共計39臺測控裝置。

圖8 驗證變電站接線圖Fig.8 Substation wiring diagram for verification

驗證系統(tǒng)分別驗證了并行冗余模式及主備模式兩種運行方式,每種方式分別進行了正常運行時單個A套(或B套)分組測控、多個A套(或B套)分組測控故障退出及檢修情況下的系統(tǒng)運行情況實驗。正常情況下,各間隔測控功能正常,從后臺看集中式測控與單間隔測控?zé)o明顯區(qū)別。并行冗余方式下,當(dāng)單臺或多臺A套分組測控檢修或退出后,B套設(shè)備數(shù)據(jù)可以無縫銜接,A套退出判斷時間內(nèi)的信號數(shù)據(jù)可由B套歷史庫中補充,B套設(shè)備很好地起到了備用的作用;由于該方式下A套測控為主設(shè)備,因此當(dāng)單臺或多臺B套分組測控檢修或退出后間隔功能無影響。主備模式下當(dāng)單臺或多臺A套測控退出運行后人工投入B套設(shè)備,此時間隔測控功能恢復(fù)。

在運維方面,分組式測控的檢修與現(xiàn)有方式有所區(qū)別。二次設(shè)備檢修方面,對于智能終端與合并單元的檢修情況,由于信號自身帶有檢修品質(zhì),因此處理與現(xiàn)有情況相同。測控裝置自身檢修與現(xiàn)有情況稍有不同,由于測控采用雙套冗余配置,則當(dāng)單臺測控需要檢修時,可由另一臺測控完成間隔功能,因此測控裝置的檢修將不再影響間隔測控功能。而單間隔檢修軟壓板投入功能也確保了某間隔終端裝置檢修時遙控命令的順利執(zhí)行。

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