2023新一代智能變電站采控裝置

新一代智能變電站采控裝置引言隨著合并單元、智能終端等大量應(yīng)用，智能變電站建設(shè)規(guī)模逐年擴(kuò)大[1-4]。在智能變電站中，合并單元和智能終端是非常重要的設(shè)備，但是這類(lèi)設(shè)備在安全、可靠、穩(wěn)定性等方面不夠成熟[5-6]。目前，大量智能變電站采用“智能終端+合并單元過(guò)程層設(shè)備[7-11]，合并單元和智能終端按照間隔配置，其性能好壞關(guān)系著智能變電站的可靠性。目前設(shè)備故障率比常規(guī)保護(hù)的故障率要高的多，甚至達(dá)到2倍以上。由于單一設(shè)備故障可能造成多套保護(hù)不正確動(dòng)作[12-13]。造成高故障率的原因?yàn)楹喜卧爸悄芙K端的報(bào)文一般為一幀報(bào)文，且在處理這些報(bào)文時(shí)均通過(guò)單核中央處理器，一旦單核中央處理器出現(xiàn)異常往往會(huì)導(dǎo)致誤動(dòng)[14-15]。2015年中國(guó)南方電網(wǎng)有限公司為提升過(guò)程層設(shè)備的可靠性，發(fā)布了《關(guān)于印發(fā)防止變電站全停十六項(xiàng)措施（試行）的通知》，規(guī)定智能變電站采用常規(guī)互感器時(shí)，應(yīng)通過(guò)二次電纜直接接入保護(hù)裝置”，該規(guī)定有利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，防止變電站全站停電[16-17]。同時(shí)國(guó)家電網(wǎng)有限公司發(fā)布《IEC61850工程繼電保護(hù)應(yīng)用模

型》標(biāo)準(zhǔn)，避免了因各制造廠商數(shù)據(jù)類(lèi)型不統(tǒng)一導(dǎo)致的數(shù)據(jù)類(lèi)型沖突問(wèn)題[18]。上述工作在一定程度上緩解了智能變電站的突出問(wèn)題，但從根本上解決問(wèn)題還需要更深層次的探索，需要從裝置軟硬件、整站方案、運(yùn)維模式等方面做開(kāi)創(chuàng)性思考[19-20]。早年通用電氣公司推出了符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站過(guò)程層總線解決方案，該方案通過(guò)光纖與保護(hù)控制裝置進(jìn)行了數(shù)據(jù)交換[19]。方案中采控裝置作為過(guò)程層設(shè)備，遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，為數(shù)字化變電站間隔層、站控層設(shè)備提供電壓、電流信號(hào)、刀閘等狀態(tài)量信息以及完成相應(yīng)控制執(zhí)行操作[20-27]。一旦采控裝置運(yùn)行異常，誤動(dòng)或拒動(dòng)都會(huì)造成嚴(yán)重事故，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成全變電站失電。本文立足于提高繼電保護(hù)的可靠性和降低電網(wǎng)設(shè)備故障率，提出一種高可靠芯片智能采控裝置平臺(tái)的整體架構(gòu)和設(shè)計(jì)原則，并闡述相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。智能采控裝置運(yùn)行方式智能采控裝置包含合并單元部分和智能終端部分。合并單元部分采集現(xiàn)場(chǎng)的電壓和電流信號(hào)，發(fā)送采樣值（SV）報(bào)文給保護(hù)裝置。智能終端部分采集現(xiàn)場(chǎng)的斷路器位置、刀閘位置、遙信信號(hào)等信號(hào)，控制斷路器和刀閘分合狀態(tài)。智能采控裝置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行環(huán)境有3種運(yùn)行方式。）全數(shù)字化方式。通過(guò)光纖傳輸將采集到的電壓和電流量數(shù)字量送給采控裝置，采控裝置將收集到各光纖通道的電壓、電流進(jìn)行重采樣后，把所有的采集量轉(zhuǎn)化到同一時(shí)間斷面發(fā)送給保護(hù)裝置，保護(hù)裝置收到SV報(bào)文后，進(jìn)行保護(hù)邏輯判斷。）就地?cái)?shù)字化方式。采集執(zhí)行單元配置電流互感器（CT）和電壓互感器（PT）連接一次CT、PT，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，然后完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得離散數(shù)字信號(hào)，時(shí)間對(duì)齊處理后組成SV報(bào)文通過(guò)交換機(jī)發(fā)送給保護(hù)裝置。（3）常規(guī)采樣面向通用對(duì)象的變電站事件（GOOSE）跳閘。保護(hù)裝置直接采集現(xiàn)場(chǎng)的一次CT和PT的信號(hào)，進(jìn)行保護(hù)邏輯判斷，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)GOOSE報(bào)文向采控裝置發(fā)出跳合閘信號(hào)，采控裝置收到跳合閘命令并確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)行開(kāi)關(guān)分合操作。采控裝置硬件設(shè)計(jì)智能采控裝置采集電壓、電流信號(hào)，通過(guò)SV報(bào)文上送給保護(hù)裝置。采集斷路器位置信號(hào)以及其他必要的開(kāi)關(guān)量，通過(guò)GOOSE報(bào)文給保護(hù)裝置。保護(hù)裝置與采控裝置之間僅采用一根光纖連接，減少光纜數(shù)量以及二次回路的復(fù)雜性。為了提高可靠性，采控裝置由中央處理器（CPU）插件、交流插件、開(kāi)入插件、開(kāi)出插件、直流插件、智能開(kāi)入開(kāi)出插件、跳閘插件、合閘插件和電源插件組成。CPU芯片CPU選用Xilinx公司的ZYNQXC7Z015芯片，該芯片采用28nm先進(jìn)工藝，集成豐富的外設(shè)，核心處理器為2個(gè)Cortex-A9內(nèi)核，同時(shí)集成了可編程邏輯陣列和部分常用外設(shè)，性能強(qiáng)大，可靠性高。與過(guò)去采用嵌入式處理器不同，其不僅能在開(kāi)機(jī)時(shí)啟動(dòng)并獨(dú)立運(yùn)行，還可根據(jù)需要配置可編程邏輯，采用以處理器為中心的開(kāi)發(fā)流程。電源芯片根據(jù)CPU芯片及單板上其他外設(shè)的電源需求，選定Linear半導(dǎo)體公司的多路合一DC/DC電源芯片LTC3374A。該芯片具有8通道輸出，每個(gè)通道相互獨(dú)立。通道額定電流為1A。通道間可任意組合得到更大功率的輸出，最高輸出到達(dá)

4A。通道可實(shí)現(xiàn)各種組合的上電時(shí)序控制。單板設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)板件需要獨(dú)立采用DC/DC芯片進(jìn)行2次變壓，產(chǎn)生板件自身所需要的各種電壓。以太網(wǎng)芯片以太網(wǎng)芯片是智能采控裝置的關(guān)鍵芯片之一，其性能好壞影響整個(gè)變電站的穩(wěn)定性。CPU插件和Master插件需要配置多個(gè)以太網(wǎng)接口，如選用單口以太網(wǎng)的芯片不但會(huì)占用較大面積，而且需要大量的數(shù)據(jù)線與以太網(wǎng)接口，給FPGA造成很大負(fù)擔(dān)，而且會(huì)增加單板功耗。基于以上原因，選型MARVELL公司的8口PHY芯片88E3082。共有8個(gè)端口，每個(gè)端口支持電口和光口模式，可以靈活配置，任意組合。除了CPU芯片、電源芯片和以太網(wǎng)芯片之外，其余的芯片均采用高可靠性的芯片，以提升硬件的可靠性[22-23]。采控裝置軟件設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)母線電壓無(wú)縫選擇技術(shù)間隔采控裝置現(xiàn)狀現(xiàn)有智能站中母線采控裝置直接采集母線電壓并實(shí)現(xiàn)并列功能[24-25]。各間隔采控裝置通過(guò)級(jí)聯(lián)母線的SV報(bào)文來(lái)獲得母線電壓。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。間隔采集控制裝置間隔采集控制裝置母線采集控制裝置…PT2PT1Ⅱ母母聯(lián)Ⅰ母間隔采集控制裝置間隔采集控制裝置圖1采集執(zhí)行單元級(jí)聯(lián)連接Fig.1Acquisitionexecutionunitcascadeconnectiondiagram現(xiàn)有方式只有1臺(tái)母線采集裝置采集母線電壓，完成電壓并列功能，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式給各間隔裝置，采集執(zhí)行單元收到級(jí)聯(lián)的母線電壓后重采樣與本裝置采集的數(shù)據(jù)組成同一個(gè)SV報(bào)文發(fā)送給各保護(hù)裝置。當(dāng)母線采集裝置有異常時(shí)，退否取B套 是否取B套 是檢查B套數(shù)據(jù)插值 數(shù)據(jù)正否A套填寫(xiě)對(duì)齊數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)模型文件從對(duì)齊數(shù)據(jù)庫(kù)取數(shù)據(jù)填寫(xiě)SV報(bào)文取A套數(shù)據(jù)插值是A否是自動(dòng)選取把手合檢查把手位置填寫(xiě)B(tài)套實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)填寫(xiě)A套實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)B套A套SV來(lái)源于A套還是B套是SV報(bào)文否丟棄報(bào)文檢查該SV報(bào)文是否為訂閱報(bào)文是否檢查該網(wǎng)口是否有網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴 丟棄報(bào)文是丟棄報(bào)文否從MAC中獲得以太網(wǎng)報(bào)文解析以太網(wǎng)報(bào)文88BAHFPGA發(fā)送SV報(bào)文母線電壓無(wú)縫選擇功能為充分利用2套母線采控裝置，每個(gè)間隔采集裝置同時(shí)級(jí)聯(lián)2套母線采控裝置，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。間隔采集 間隔采集間隔采集 間隔采集控制裝置 控制裝置…間隔采集控制裝置PT2母線采集 母線采集控制裝置A 控制裝置PT1Ⅱ母母聯(lián)Ⅰ母圖2采集執(zhí)行單元級(jí)聯(lián)無(wú)縫選擇級(jí)聯(lián)Fig.2CascadediagramofseamlessselectionofacquisitionexecutionunitcascadeA套、B套母線采控裝置為全冗余配置，均采集2段母線電壓，進(jìn)行并列邏輯操作后通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式級(jí)聯(lián)到各間隔采控裝置，采控裝置收到2套母線電壓后，分別放入A套母線電壓數(shù)據(jù)庫(kù)和B套母線電壓數(shù)據(jù)庫(kù)，判斷當(dāng)前選取裝置的母線電壓。無(wú)縫選擇軟件流程如圖3所示。參與判斷的SV報(bào)文異常特征包括：報(bào)文接收抖動(dòng)超標(biāo)、處于檢修狀態(tài)、品質(zhì)位異常、有丟幀狀態(tài)下報(bào)文發(fā)送無(wú)效。當(dāng)某臺(tái)設(shè)備發(fā)生上述異常，而另一套設(shè)備沒(méi)有上述異常，自動(dòng)切換到另一臺(tái)母線電壓作為本間隔的母線電壓，發(fā)送到各保護(hù)間隔。如2套母線采集裝置均異常時(shí)，保持在當(dāng)前狀態(tài)。由于現(xiàn)場(chǎng)的情況比較復(fù)雜，為了人工參與，設(shè)置了選A套、選B套和自動(dòng)選擇3個(gè)選擇把手。延時(shí)可測(cè)交換技術(shù)組網(wǎng)方式下，不同間隔的SV報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到同一保護(hù)設(shè)備，存在網(wǎng)絡(luò)沖突可能。交換機(jī)采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)沖突，報(bào)文在交換機(jī)內(nèi)的駐留時(shí)間受報(bào)文長(zhǎng)度、發(fā)送隊(duì)列優(yōu)先級(jí)等因素的影響。采用多級(jí)交換機(jī)時(shí)，每一級(jí)交換機(jī)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)

圖3無(wú)縫選擇軟件流程Fig.3Seamlessselectionofsoftwareflowcharts發(fā)延時(shí)會(huì)累積到過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的總體傳輸延時(shí)中，因此，組網(wǎng)方式下SV報(bào)文的傳輸延時(shí)并不確定。如果能夠?qū)V報(bào)文在交換機(jī)中的駐留時(shí)間進(jìn)行記錄并添加到報(bào)文中，保護(hù)裝置通過(guò)獲取報(bào)文的駐留時(shí)間就可以還原報(bào)文原始采樣時(shí)刻，進(jìn)行同步處理。實(shí)現(xiàn)交換機(jī)的SV報(bào)文延時(shí)可測(cè)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備可靠的而關(guān)鍵技術(shù)之一。通過(guò)交換機(jī)的交換延時(shí)累加功能，將報(bào)文在整個(gè)交換網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延時(shí)傳遞給下游保護(hù)裝置，使得組網(wǎng)模式下系統(tǒng)也不再依賴(lài)于變電站的時(shí)鐘信號(hào)，提升了可靠性。交換機(jī)從接收到SV數(shù)據(jù)幀的第一個(gè)比特開(kāi)始到按設(shè)定規(guī)則將該SV數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)出交換機(jī)需要經(jīng)過(guò)一定的處理時(shí)間，該處理時(shí)間即為SV數(shù)據(jù)幀的交換延時(shí)，交換機(jī)將該值在SV數(shù)據(jù)幀的特定位置進(jìn)行累加，可為訂閱設(shè)備提供數(shù)據(jù)幀在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)延，從而回溯到該SV數(shù)據(jù)幀發(fā)布的準(zhǔn)確時(shí)刻。為了實(shí)現(xiàn)延時(shí)可測(cè)，在SV報(bào)文中設(shè)置交換延時(shí)累加值（ART）字段。交換延時(shí)累加功能遵循以下規(guī)定。分辨率8ns，字長(zhǎng)24位，最大值為0xFFFFFF；對(duì)符合規(guī)范要求的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行ART累加；默認(rèn)情況下，溢出標(biāo)志位（OVF)置為0；累加過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)ART計(jì)數(shù)器溢出或由于硬件故障等原因無(wú)法完成ART累加時(shí)，將OVF標(biāo)志位置1，ART值保持不變；ART累加功能和IEC62351系列規(guī)約使用了相同的保留字段，出于兼容性考慮，當(dāng)使用IEC62351功能時(shí)，交換機(jī)將OVF標(biāo)志位設(shè)為1，保留字段保持不變；交換機(jī)檢測(cè)到OVF標(biāo)志位為1時(shí)，保持SV數(shù)據(jù)幀的保留字段不變；SV數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為64～1522字節(jié)，交換機(jī)

端口線速轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，交換延時(shí)累加功能正常工作；交換延時(shí)累加的準(zhǔn)確度優(yōu)于200ns。過(guò)程層組網(wǎng)方式技術(shù)對(duì)于雙母線接線，當(dāng)母線采集單元異?；驒z修時(shí)，導(dǎo)致所有的間隔單元的母線電壓均異常，使得該母線的所有保護(hù)裝置都將處于不正常狀態(tài)。針對(duì)過(guò)程層組網(wǎng)的這些問(wèn)題，新一代母線采控裝置具有并列功能，再級(jí)聯(lián)到間隔采控裝置，有2ms延時(shí)。經(jīng)延時(shí)可測(cè)交換機(jī)裝置接入結(jié)構(gòu)如圖4所示，該方法保障了設(shè)備的速動(dòng)性。間隔的電壓、交換機(jī)間隔的電壓、交換機(jī)間隔采集 電控制裝置延時(shí)可測(cè)母線采集控制 并列后電裝置B套母線采集控制 并列后電裝置A套保護(hù)/測(cè)控裝置圖4經(jīng)延時(shí)可測(cè)交換機(jī)裝置接入結(jié)構(gòu)Fig.4Structureofdelaymeasurableswitchdevice為防止一臺(tái)母線采集單元故障或檢修波及所有的間隔采集單元，進(jìn)而影響到該母線的所有保護(hù)裝置，將每臺(tái)間隔采集裝置級(jí)聯(lián)2臺(tái)冗余的母線單元。啟動(dòng)電流采集和保護(hù)出口電流采集分不同的CPU，進(jìn)一步提高裝置可靠性。綜合上述改進(jìn)，整個(gè)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。采集執(zhí)行單元采集執(zhí)行單元出口控制啟動(dòng)控制交流信號(hào)A套母線單元B套母線單元交流信號(hào)交流信號(hào)FPGAFPGAFPGASV1+SV2GOOSE1+GOOSE2SV1+SV2SV1+SV2SV1+SV2GOOSE1+GOOSE2啟 保動(dòng) 護(hù)CPUCPU智能保護(hù)FPG保護(hù)CPU啟動(dòng)CPU母線電壓保護(hù)CPU啟動(dòng)CPU母線電壓出口繼電器啟動(dòng)繼電器保護(hù)CPU啟動(dòng)CPUAC延時(shí)可測(cè)交換機(jī)圖5經(jīng)延時(shí)可測(cè)交換機(jī)全冗余硬件結(jié)構(gòu)Fig.5Fullyredundanthardwarestructureofdelayswitch采樣值同步插值技術(shù)智能采控裝置需要使用插值算法進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。目前常用的插值方法包括：線性拉格朗日插值、二階拉格朗日插值、牛頓插值等。以線性拉格朗日插值為例進(jìn)行諧波誤差分析。按照采樣原理，設(shè)備定時(shí)采樣，依次得到2個(gè)采樣點(diǎn)(xk?1yk?1)(xkyk)，其中xk為采樣時(shí)間；yk為該時(shí)刻的采樣值；k為采樣序號(hào)。本文構(gòu)造近似函數(shù)L1(x)為

PT接地刀閘。間隔采控裝置可采集各段間隔電壓、電流，依據(jù)出現(xiàn)的刀閘位置進(jìn)行電壓切換邏輯，根據(jù)電壓切換邏輯結(jié)果選取所采集的母線電壓并填入SV報(bào)文中，采集間隔斷路器、刀閘位置送給保護(hù)裝置，同時(shí)接收保護(hù)和測(cè)控的遙控命令控制斷路器、刀閘和接地刀閘。3.6 采控裝置一鍵式運(yùn)維一鍵式調(diào)試和運(yùn)維是以裝置為最小單位，用1 k L(x)=yx?xk?1+y x?1 k xk?xk?1 xk?1?xk

（1 一個(gè)調(diào)試口、一套調(diào)試運(yùn)維工具對(duì)裝置內(nèi)所有的軟件、配置進(jìn)行下載、上傳、備份。通過(guò)插值函數(shù)L1(x)得到的采樣點(diǎn)相對(duì)于原始信號(hào)曲線給出的值是一種觀測(cè)值”，與原始信號(hào)曲線上的“真實(shí)值”有一定的誤差。對(duì)所有點(diǎn)誤差進(jìn)行求導(dǎo)和積分運(yùn)算，可以得到一階拉格朗日插值的最大理論誤差R1為

將新一代智能采控裝置內(nèi)的配置信息數(shù)目、特征字、存儲(chǔ)特征等信息生成一個(gè)裝置運(yùn)維的配置文件，存放在智能運(yùn)維系統(tǒng)中。由一鍵調(diào)試運(yùn)維工具解析這個(gè)配置文件，針對(duì)每個(gè)軟件或配置形成含存儲(chǔ)、通訊等信息的數(shù)據(jù)幀。maxR1

=A4.93×

（2 采控裝置一鍵調(diào)試方案包括：（1）一鍵下載程序和配置。智能運(yùn)維系統(tǒng)連接到智能采控裝置式中：N為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)；A為幅值；m為諧波次數(shù)。根據(jù)類(lèi)似的方法可以計(jì)算出二階拉格朗日插值的最大理論誤差R2為NmaxR2=A0.512×(m×π)3 （3N當(dāng)采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為80時(shí)，不同次諧波誤差如表1所示。表1N=80時(shí)各次諧波的理論計(jì)算誤差Table1TheoreticalcalculationerrorsofeachharmonicwhenN=80諧波次數(shù)/次R1R210.00080.0000220.00300.00020130.13000.04000150.48000.30000在智能采控裝置中采用了二階拉格朗日進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，以提高采樣精度，便于保護(hù)裝置和錄波器等記錄和分析。3.5 采控裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)母線采控裝置可采集各段母線電壓，依據(jù)母聯(lián)位置和強(qiáng)制并列把手的狀態(tài)進(jìn)行并列邏輯，根據(jù)并列邏輯結(jié)果選取所采集的母線電壓填入SV報(bào)文中，采集PT刀閘位置送給保護(hù)裝置，同時(shí)接收保護(hù)和測(cè)控的遙控命令控制PT刀閘和

調(diào)試口，通過(guò)以太網(wǎng)下發(fā)所有應(yīng)用程序、FPGA程序和所有配置