基于EPON網絡的智能變電站繼電保護測試技術的研究

朱華，劉柱揆，許守東，張可，胡凡君，胡永承

（1. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；2. 云南電網有限責任公司大理供電局，云南 大理 671099；3. 南京智匯電力技術有限公司，江蘇 南京 211100）

0 前言

智能變電站是推進我國電網智能化建設的重要一環(huán)，對電網的發(fā)、輸、變、配等環(huán)節(jié)起到重要的支撐作用，其中網絡通信技術是該領域內的重要技術之一[1]。目前我國智能變電站通信部分建設的過程層網絡通常是利用工業(yè)以太網來進行組網，該過程所需要用到的工業(yè)交換機成本相當昂貴，使得智能電網的建設成本急劇攀升。現(xiàn)階段一般利用EPON網絡技術來替代工業(yè)以太網，實現(xiàn)智能變電站的信息傳遞。

變電站繼電保護系統(tǒng)是為確保變電站系統(tǒng)在發(fā)生故障時，第一時間隔離故障設備，維持變電站的穩(wěn)定運行。其中對繼電保護測試技術的研究是提升變電站繼電保護系統(tǒng)的重要途徑[2-4]。

采用EPON網絡技術雖然能很好地滿足智能變電站的通信需求，并且減少建設成本，但也會對系統(tǒng)的繼電保護造成安全性、可靠性、實時性等問題，同時也容易導致變電站繼電保護產生拒動風險[5-7]。所以研究如何解決這些問題極為必要。

1 問題分析

現(xiàn)階段變電站常用的數(shù)字繼電保護測試儀通?；趩蝹€保護測試項目的測試儀器，測試時可對保護裝置、測控裝置、智能終端進行相應的測試。通過大量的調研分析，現(xiàn)將目前的數(shù)字繼電保護測試儀所存在問題總結如下：

1）現(xiàn)有的智能變電站數(shù)字繼電保護測試儀不能實現(xiàn)對保護裝置、測控裝置、智能終端的通信一致性進行檢查；

2）現(xiàn)有的數(shù)字繼電保護測試儀不能實現(xiàn)智能化，即每一種測試類型的設置都需經過調試人員的計算并手動輸入到測試儀；

3）現(xiàn)有的數(shù)字繼電保護測試儀不能實現(xiàn)在試驗過程中自動讀取保護裝置、測控裝置、智能終端的定值，即每一種測試類型的定值設置都需經過調試人員的察看保護裝置的定值參數(shù)并手動輸入到測試儀中；

4）現(xiàn)有的數(shù)字繼電保護測試儀不能檢測基于EPON網絡通信的繼電保護設備。

針對上述問題，本文研究設計了一種基于EPON網絡的智能變電站繼電保護測試技術來滿足基于EPON網絡的智能變電站發(fā)展建設的需要。

2 技術與功能

本文所研究的基于EPON網絡的智能變電站繼電保護測試儀可對智能變電站的保護裝置、測試裝置、智能終端進行測試，并且可以通過導入全站SCD模型文件針對智能變電站的保護裝置、測控裝置、智能終端三者進行自動設定測試方案并模擬現(xiàn)場實際情況與故障，輸出符合智能變電站的規(guī)約或模擬報文錯誤，從而達到對保護裝置、測控裝置、智能終端的通信一致性和可靠性進行檢查的目的。該測試所采用的主要技術如下：

1）EPON網絡技術，該技術可支持以太網類的多種業(yè)務傳輸，實現(xiàn)信息在無源光纖上的點到點傳輸。相較于傳統(tǒng)技術而言，其覆蓋范圍更廣、造價更為低廉，能夠實現(xiàn)設備數(shù)據的自動讀取以及通信一致性等功能；

2）新型數(shù)字繼電保護測試儀，包括中央處理單元、對時單元、光輸入輸出單元等，能夠實現(xiàn)上行數(shù)據的收集以及下行數(shù)據的分發(fā)功能，實現(xiàn)對智能變電站的保護裝置、測控裝置以及智能終端的自動化測試。

3 EPON網絡技術

智能變電站采用IEC 61850標準協(xié)議，通過架構分層完成智能變電站內各智能設備間的信息共享與互操作，這就對變電站的通信網絡提出了更高的要求。現(xiàn)階段，我國變電站通信網絡仍經由數(shù)字微波和光纖進行傳播為主，同時也有電力線載波以及衛(wèi)星通訊等多種類型的輔助通信方式。為了實現(xiàn)變電站的智能化升級，同時伴隨著光通信技術的進步，EPON網絡技術也逐步開始運用到智能變電站的建設當中。

EPON網絡主要由光線路終端(OLT)、光配線網絡(ODN)、光網絡單元(ONU)組成，形成單纖雙向系統(tǒng)。其中，光纖、無源光分路器（或連接器）組成ODN，ODN在ONU與OLT之間構建起光通道，起到收集上行數(shù)據、分發(fā)下行數(shù)據的功能，此外還具有波長復用和分配光信號功率的作用。EPON網絡的信號傳輸是通過波分復用技術對雙向信號的傳輸進行處理，上行數(shù)據可由不同的ONU處通過時分復用的方式聚集到中心局端處的OLT，而下行數(shù)據則是通過點對點的類型廣播方式又沿著OLT傳輸?shù)饺康腛NU上[8]。EPON的網絡組成以及其各部分間的信息傳遞的示意圖如下所示：

圖1 EPON網絡結構圖

總體而言，EPON網絡技術的信號傳輸方式更加科學合理化，并且其動態(tài)帶寬分配、補償測距、自動發(fā)現(xiàn)技術、基于時分復用的同步技術、光纖保護倒換、物理層的加解密等特點也使得其相較于傳統(tǒng)通信技術而言，具有更大的優(yōu)勢。

4 數(shù)字測試儀的組成及功能

基于EPON網絡的智能變電站數(shù)字繼電保護測試儀的主要組成部分包括中央處理單元以及分別與其連接的對時單元、EPON輸出/輸入單元等三個部分。其連接框圖如圖2所示。

圖2 新型數(shù)字測試儀的連接框圖

1）中央處理單元，包括ADSP、FPGA兩個子處理模塊。其中ADSP子模塊包括BF518處理器，是作為主控CPU，用于與工控機的通訊和EPON無源光數(shù)字部分輸入輸出；而FPGA子模塊包括XC3S500E，用于與CPU同步及通訊、對時；中央處理單元將控制與通訊分開處理實時性可達30 ns。

2）對時單元，包括GPS模塊、IRIG-B碼對時模塊和IEEE1588對時模塊。GPS模塊和IEEE1588對時模塊分別與ADSP子模塊中的BF518處理器連接；GPS模塊、IRIG-B碼對時模塊和IEEE1588對時模塊均與FPGA子模塊連接。該單元主要用于矯正測試儀器的絕對時刻，完成同步的時間測試，保證在絕對的相同時間完成測試。

3）光輸出/輸入單元，包括FTLF1217 P2xTL模塊，用于以太網電信號產生EPON無源光模塊輸出的以太網EPON無源光信息。該單元提供針對IEC61850標準規(guī)范中的9-1、9-2、9-1擴展和GOOSE信息，完整解析保護模型文件，實現(xiàn)電流電壓通道選擇、比例系數(shù)、ASDU數(shù)目、采樣率、GOOSE信息的配置，可靈活方便地與不同型號保護接口。

5 新型數(shù)字測試儀流程及連接方式

該新型數(shù)字測試儀在使用時，對時模塊矯正測試儀器的絕對時刻并完成同步的時間測試，中央處理單進行解析、處理；EPON無源光輸出/輸入單元用于以太網電信號產生EPON光模塊輸出的以太網無源光信息，中央處理單元再進行處理、判斷。測試裝置的各單元連接關系如圖3所示。

圖3 測試裝置的各單元連接

EPON無源光輸出/輸入單元與外部單元之間的連接采用SC接口，減小了接口面積，可以縮小到普通接口面積的1/3。中央處理單元與EPON無源光網絡單元之間通過MII數(shù)據總線連接。GPS模塊通過串口通訊與BF518連接。IEEE1588對時模塊通過以太網與BF518連接，BF518獲取時間信息。

6 結束語

通過梳理目前智能變電站繼電保護數(shù)字測試儀的使用現(xiàn)狀，針對其一些痛點問題，提出了一種基于EPON網絡的智能變電站繼電保護測試技術，設計了一款新型繼電保護數(shù)字測試儀器，并對其內部組成結構及功能進行了詳細說明，從而有效地解決了目前變電站繼電保護測試不能實現(xiàn)各單元間地通信一致性、自動讀取數(shù)據以及手工作業(yè)量過大導致效率低下等問題。一方面實現(xiàn)了智能變電站繼電保護測試的智能化管理，另一方面也改變了變電站的傳統(tǒng)通信現(xiàn)狀，極大地提高了智能變電站的通信能力，減少了變電站的建設成本。

由于智能變電站繼電保護系統(tǒng)的復雜性和繁瑣性，在實際的繼電保護測試過程中，仍會碰到各種其他問題，比如采用EPON網絡所造成的安全性、實時性以及可靠性的問題，可能隨著測試設備的精度提高而需要繼續(xù)加以優(yōu)化與提升。