淺談智能變電站母差刀閘位置指示裝置研究與應(yīng)用

袁瑞輝，盧泳茵，李夢(mèng)琪

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東中山，528400）

0 引言

母線保護(hù)裝置是變電站二次系統(tǒng)重要組成部分之一，對(duì)于母線保護(hù)裝置而言，最重要的開(kāi)入量是刀閘位置，它既影響母線保護(hù)的差流計(jì)算，又影響保護(hù)的動(dòng)作范圍。由于智能變電站的快速發(fā)展，母差刀閘位置的傳輸方式從模擬量變成了數(shù)字量。目前智能變電站中所用的母線保護(hù)裝置尚未有刀閘位置指示功能，也沒(méi)有適用于智能變電站的母差刀閘位置指示裝置，運(yùn)行人員僅能通過(guò)監(jiān)控后臺(tái)、高壓場(chǎng)地的智能終端面板查看線路母線側(cè)刀閘位置。但智能變電站，尤其是SV與GOOSE共網(wǎng)的智能變電站，光回路需交互的數(shù)據(jù)量龐大，在運(yùn)維過(guò)程中極易發(fā)生數(shù)據(jù)異常、通訊中斷等原因造成裝置與實(shí)際位置不對(duì)應(yīng)的情況，從而無(wú)法得知母線保護(hù)中線路母線側(cè)刀閘的實(shí)際位置。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種母差位置指示裝置和母差位置指示系統(tǒng)，用于解決傳統(tǒng)的通過(guò)電氣回路連接的刀閘位置指示裝置不適用于現(xiàn)有的通過(guò)光信號(hào)進(jìn)行信息傳遞的智能變電站，而通過(guò)監(jiān)控后臺(tái)、高壓場(chǎng)地的智能終端面板查看線路母線側(cè)刀閘位置的方式，存在因光纖回路異常和通訊中斷等原因，造成刀閘位置不對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)問(wèn)題。

1 智能變電站母差刀閘位置指示裝置硬件結(jié)構(gòu)

本文提出一款適用于智能變電站的母差刀閘位置指示裝置，從而彌補(bǔ)市場(chǎng)上的空白。裝置由電源模塊、CPU模塊、FPGA模塊、以太網(wǎng)接口模塊、光串口模塊、人機(jī)交互模塊、存儲(chǔ)控制器模塊組成[1]，圖1為裝置硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖1 裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，電源模塊分別與CPU模塊和FPGA模塊連接，用于將220V交流電壓通過(guò)AC/DC轉(zhuǎn)換[2]，生成多組直流電源，為母差位置指示裝置的內(nèi)部硬件電路模塊（例如CPU模塊和FPGA模塊）提供DC工作電壓。

FPGA模塊用于接收光網(wǎng)口模塊的報(bào)文和光串口模塊發(fā)送的光B碼對(duì)時(shí)信號(hào)，在接收到光網(wǎng)口模塊的報(bào)文之后（光網(wǎng)口模塊包括雙光網(wǎng)口，一個(gè)光網(wǎng)口接收A1網(wǎng)的報(bào)文，另一個(gè)光網(wǎng)口接收A2網(wǎng)的報(bào)文），F(xiàn)PGA模塊分別對(duì)A1網(wǎng)和A2網(wǎng)的報(bào)文進(jìn)行過(guò)濾處理，僅提取母線保護(hù)的GOOSE報(bào)文數(shù)據(jù)，其他報(bào)文數(shù)據(jù)不進(jìn)行處理。FPGA模塊在提取的GOOSE報(bào)文數(shù)據(jù)起始位添加時(shí)標(biāo)信息，并將添加了時(shí)標(biāo)的GOOSE報(bào)文數(shù)據(jù)打包發(fā)給CPU模塊進(jìn)行處理。

CPU模塊接收到FPGA模塊發(fā)送的GOOSE報(bào)文數(shù)據(jù)后，比對(duì)A1網(wǎng)和A2網(wǎng)數(shù)據(jù)中的當(dāng)前母線刀閘位置信息，若A1網(wǎng)和A2網(wǎng)的GOOSE報(bào)文數(shù)據(jù)中的當(dāng)前刀閘位置信息一致時(shí)，CPU模塊則判斷母線刀閘位置信息正確。此時(shí)，CPU模塊會(huì)將GOOSE報(bào)文數(shù)據(jù)中的當(dāng)前刀閘位置信息發(fā)送給人機(jī)交互模塊進(jìn)行展示，并記錄在存儲(chǔ)模塊中。

光網(wǎng)口模塊和光串口模塊分別與FPGA模塊連接。光網(wǎng)口模塊用于接收交換機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)，攜帶有刀閘信息的報(bào)文，并將所接收到的每一幀報(bào)文傳遞給FPGA模塊，光網(wǎng)口最多可配備2個(gè)。光串口模塊用于接收光B碼對(duì)時(shí)信號(hào)，將光B碼對(duì)時(shí)信號(hào)傳輸給FPGA模塊處理，使得FPGA的時(shí)鐘與智能變電站保持一致。

存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)接收的打時(shí)標(biāo)報(bào)文和CPU模塊的通信數(shù)據(jù)緩存。存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)的打時(shí)標(biāo)報(bào)文達(dá)到預(yù)置條數(shù)后（例如50條信息），新增的打時(shí)標(biāo)報(bào)文自動(dòng)按時(shí)間順序覆蓋前面的打時(shí)標(biāo)報(bào)文，以避免占用過(guò)多的存儲(chǔ)空間。

人機(jī)交互模塊可以對(duì)當(dāng)前刀閘位置信息的更新記錄以表格的形式進(jìn)行可視化展示，便于操作人員查詢和對(duì)照刀閘信息。若A1網(wǎng)和A2網(wǎng)的GOOSE報(bào)文數(shù)據(jù)中的當(dāng)前刀閘位置信息不一致，CPU模塊則判斷母線刀閘位置信息存在異常，需要進(jìn)行告警提示。此時(shí)，CPU模塊將發(fā)出位置異常告警信號(hào)到人機(jī)交互模塊進(jìn)行展示，便于操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理異常。

需要說(shuō)明的是，裝置的光網(wǎng)口連接單芯光纖僅具備接收功能，因此在鏈路上可只連接接收口Rx單根光纖，以此杜絕母差位置指示裝置向交換機(jī)發(fā)送報(bào)文的情況，因此本裝置實(shí)施例中的FPGA模塊只接收并解析交換機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的GOOSE報(bào)文，不對(duì)外發(fā)送SV或GOOSE報(bào)文，以免影響過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)報(bào)文數(shù)據(jù)。

2 裝置創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 刀閘位置的GOOSE混合接收模式

裝置具有同時(shí)解析A1網(wǎng)和A2網(wǎng)的GOOSE報(bào)文的能力。即將A1網(wǎng)和A2網(wǎng)收到的報(bào)文通過(guò)FPGA和CPU的篩選過(guò)后，通過(guò)核驗(yàn)APPID類(lèi)型、goosePDU、gocbRef、dateSet、goID等分別識(shí)別出A1網(wǎng)和A2網(wǎng)的母線保護(hù)裝置的報(bào)文，并對(duì)報(bào)文的事件時(shí)標(biāo)Event TimeStamp、狀態(tài)序號(hào)StNum、順序號(hào)SqNum等進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)以上內(nèi)容完全一致時(shí)，最后對(duì)A1網(wǎng)和A2網(wǎng)的所傳輸?shù)腉OOSE報(bào)文虛端子當(dāng)前值（對(duì)應(yīng)的刀閘通道）進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)A1網(wǎng)和A2網(wǎng)的當(dāng)前刀閘位置信息一致時(shí)，將位置信息實(shí)時(shí)反饋給主界面并顯示當(dāng)前刀閘位置情況；當(dāng)A1網(wǎng)和A2網(wǎng)的當(dāng)前刀閘位置信息不一致時(shí)，界面彈出告警信號(hào)，并在告警界面顯示出詳細(xì)異常通道的信息。

2.2 刀閘變位情況和變位時(shí)間記錄

裝置具備GOOSE報(bào)文抓取功能，可自動(dòng)記錄母線側(cè)刀閘的位置信息和變位時(shí)間。裝置接通變電站的主鐘信號(hào)，將交換機(jī)接收的報(bào)文通過(guò)FPGA的篩選之后，通過(guò)CPU對(duì)每幀報(bào)文進(jìn)行二次篩選，隨后將篩選出來(lái)的GOOSE報(bào)文進(jìn)行打時(shí)標(biāo)報(bào)文存儲(chǔ)，隨后對(duì)報(bào)文解碼，解析并讀取報(bào)文中的變位時(shí)間。在刀閘變?yōu)閳?bào)告界面首先記錄事件序號(hào)，并接收?qǐng)?bào)文的年月日時(shí)分秒時(shí)間，并將刀閘動(dòng)作信息詳細(xì)描述，完成儲(chǔ)存。

2.3 主接線圖顯示

A1網(wǎng)、A2網(wǎng)中心交換機(jī)通過(guò)VLAN配置將所需的線路母線側(cè)刀閘信息通過(guò)GOOSE發(fā)送至線路刀閘位置監(jiān)視裝置，并通過(guò)主接線圖及主接線分支圖進(jìn)行顯示。示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 主接線圖及主接線分支圖示意

2.4 光纖傳輸

相比于傳統(tǒng)的電氣回路連接的位置指示裝置，本文裝置提供的母差位置指示裝置，在進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，光纖傳輸系統(tǒng)的信號(hào)保真度和畫(huà)面清晰度比電線或電纜傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)南到y(tǒng)要高得多，光纖不受電磁輻射與雷擊等任何電氣干擾的影響，且光回路不存在接地回路問(wèn)題[3-4]，可以實(shí)現(xiàn)回路自檢，驗(yàn)證回路接收的正確性。

3 裝置應(yīng)用實(shí)例

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，智能變電站將互感器和斷路器的信息通過(guò)二次回路傳輸給合并單元和智能終端，合并單元和智能終端再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成光數(shù)字報(bào)文傳遞給交換機(jī)，交換機(jī)再通過(guò)光纖傳輸給母線保護(hù)裝置，同時(shí)將報(bào)文傳遞給新型母差位置指示裝置。此時(shí)母線保護(hù)裝置和新型母差位置指示裝置可同時(shí)接收到交換機(jī)過(guò)來(lái)的信號(hào)，顯示對(duì)應(yīng)母線上的多條線路母線側(cè)刀閘位置。示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 應(yīng)用場(chǎng)景示意圖

新型母差位置指示裝置可直接安裝于母線保護(hù)屏上，可應(yīng)用于現(xiàn)有和新建的智能變電站中，安裝步驟簡(jiǎn)單，增設(shè)方便快捷，只需新增兩根光纖分別與A1網(wǎng)、A2網(wǎng)中心交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換即可實(shí)現(xiàn)母差保護(hù)母線側(cè)刀閘位置監(jiān)視。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所述的新型母差位置指示裝置安裝于母線保護(hù)屏上，可應(yīng)用于現(xiàn)有和新建的智能變電站中，安裝步驟簡(jiǎn)單，增設(shè)方便快捷，只需新增兩根光纖分別與A1網(wǎng)、A2網(wǎng)中心交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換即可實(shí)現(xiàn)母差保護(hù)母線側(cè)刀閘位置監(jiān)視。此外，該裝置可與各廠家生產(chǎn)的母差保護(hù)配合使用，且適應(yīng)保護(hù)裝置后續(xù)的版本升級(jí)，維護(hù)簡(jiǎn)單，大大提高運(yùn)維和檢修人員的工作效率。