一種廣域智能保護(hù)主機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

肖榮國(guó)，田 偉，劉 更，徐麗娟，鄭浩野，曾兵元

(1.黑龍江省電力有限公司，黑龍江哈爾濱150090;2.江蘇金智科技股份有限公司，江蘇南京211100)

0 引言

隨著數(shù)字化變電站建設(shè)、通信技術(shù)飛速發(fā)展以及電力光纖通信網(wǎng)的推廣應(yīng)用，建設(shè)基于實(shí)時(shí)廣域信息的廣域智能控制系統(tǒng)已經(jīng)具備了物質(zhì)條件［1］。因此，黑龍江省電力調(diào)度通信中心繼電保護(hù)處2008年開(kāi)始廣域保護(hù)的研究探討工作，經(jīng)過(guò)多次組織專家進(jìn)行調(diào)研，成立了由黑龍江省調(diào)繼電保護(hù)處和江蘇金智科技公司組成的科研小組，開(kāi)始了廣域保護(hù)控制系統(tǒng)的研究。

1 廣域智能保護(hù)主機(jī)

1.1 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)廣域保護(hù)系統(tǒng)由主站設(shè)備及3個(gè)子站設(shè)備組成，如圖1所示。

圖1 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

子站設(shè)備由智能采集控制單元、同步裝置、通信設(shè)備組成，實(shí)際裝置分別安裝在220 kV尚志、賓州、亞布力變電站。子站主要完成信息采集、數(shù)據(jù)交換、與主站時(shí)鐘保持同步、保護(hù)跳閘、重合閘、一次設(shè)備操作等指令。主站設(shè)備由廣域保護(hù)主機(jī)、主時(shí)鐘、通信設(shè)備組成，實(shí)際裝置安裝在黑龍江電力調(diào)度通信中心繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室。主站主要完成廣域保護(hù)功能、同子站數(shù)據(jù)交換、時(shí)間同步等。交換機(jī)、同步裝置、以太網(wǎng)SDH轉(zhuǎn)換裝置、SDH(Synchronous Digital Hierarchy)光纖環(huán)網(wǎng)構(gòu)成了廣域智能保護(hù)主機(jī)外部光纖網(wǎng)絡(luò)通道，提供子站的IEC61850-9-2報(bào)文和GOOSE報(bào)文。

1.2 保護(hù)主機(jī)多種CPU結(jié)構(gòu)

廣域保護(hù)范圍是多個(gè)變電站區(qū)域內(nèi)所有設(shè)備，包括母線、主變及線路;常規(guī)微機(jī)保護(hù)范圍只是1座變電站內(nèi)的某個(gè)電力元件，例如線路或母線等。

無(wú)論常規(guī)微機(jī)保護(hù)還是廣域保護(hù)，按照內(nèi)部功能劃分，都可分為輸入模塊、保護(hù)功能模塊、輸出模塊及通信模塊。輸入模塊接收網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，包括IEC61850-9-2報(bào)文和GOOSE報(bào)文，并對(duì)其進(jìn)行解碼、計(jì)算，形成具體的采樣值和開(kāi)關(guān)位置信息;保護(hù)功能模塊實(shí)現(xiàn)具體的保護(hù)控制邏輯，包括主保護(hù)、后備保護(hù)、重合閘等;輸出模塊發(fā)出跳閘命令、GOOSE報(bào)文等，用來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的分合功能;通信模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面、報(bào)文存儲(chǔ)等功能［2］。

廣域保護(hù)與常規(guī)微機(jī)保護(hù)不同的是需要接收大量網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，分析其具體的報(bào)文特點(diǎn)，再?zèng)Q定對(duì)應(yīng)具體的硬件結(jié)構(gòu)。

GOOSE報(bào)文流量與IEC61850-9-2報(bào)文流量相比可以忽略，因此主要按IEC61850-9-2報(bào)文分析流量。子站每個(gè)間隔每秒發(fā)送4 000 bps IEC61850-9-2報(bào)文，通常1 bps IEC61850-9-2報(bào)文不會(huì)超過(guò)200字節(jié)，這樣每個(gè)間隔發(fā)送的最大數(shù)據(jù)量是200×4 000×8=6.4 Mbit/s。如果光纖網(wǎng)絡(luò)接收模塊按照100 M設(shè)計(jì)、裕度20%考慮，最多可以接入12個(gè)間隔。

常規(guī)微機(jī)保護(hù)只需接收1個(gè)間隔或1個(gè)電力元件相關(guān)的幾個(gè)間隔，網(wǎng)絡(luò)接收流量不會(huì)超過(guò)100Mbit/s，同時(shí)保護(hù)邏輯算法相對(duì)簡(jiǎn)單，因而輸入模塊、保護(hù)功能和輸出模塊可以由同一個(gè)CPU實(shí)現(xiàn)，通信模塊由通信CPU實(shí)現(xiàn)，兩者間數(shù)據(jù)交互通過(guò)異步串口實(shí)現(xiàn)［3-4］，如圖2所示。

圖2 常規(guī)微機(jī)保護(hù)硬件結(jié)構(gòu)

廣域保護(hù)范圍涉及多個(gè)變電站內(nèi)部和之間的多個(gè)電力元件，接入間隔數(shù)量較多;廣域保護(hù)邏輯相對(duì)復(fù)雜，按照其保護(hù)功能，又可分為差動(dòng)主保護(hù)、后備保護(hù)、穩(wěn)定控制等。因此，廣域保護(hù)單個(gè)CPU無(wú)法集成輸入模塊、保護(hù)功能模塊、輸出控制模塊等，廣域保護(hù)主機(jī)必須采樣多CPU協(xié)同工作方式。

按照內(nèi)部功能劃分，可以分為網(wǎng)絡(luò)CPU、保護(hù)功能 CPU、通信 CPU。網(wǎng)路 CPU用來(lái)實(shí)現(xiàn)IEC61850-9-2報(bào)文、GOOSE報(bào)文的接收、解析、計(jì)算等功能;保護(hù)功能CPU用來(lái)實(shí)現(xiàn)具體保護(hù)邏輯;通信CPU實(shí)現(xiàn)通信功能，如圖3所示。

圖3 廣域智能保護(hù)主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

1.3 多種CPU結(jié)構(gòu)內(nèi)部通信方式比較

一套廣域保護(hù)主機(jī)可能需要多個(gè)網(wǎng)絡(luò)CPU、多個(gè)保護(hù)功能CPU。多種CPU之間需要交互數(shù)據(jù)，需要分析多種CPU之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。假設(shè)廣域智能保護(hù)主機(jī)由3塊網(wǎng)絡(luò)CPU、2塊保護(hù)功能CPU和1塊通信CPU組成。3塊網(wǎng)絡(luò)CPU需要分別向2塊保護(hù)保護(hù)CPU發(fā)送采樣數(shù)據(jù)，按照每周波24點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)和其它相關(guān)信息，考慮實(shí)際每點(diǎn)數(shù)據(jù)量1 500字節(jié)，則每塊網(wǎng)絡(luò)CPU發(fā)送的數(shù)據(jù)流量是1 500×8×1 200=14.4 Mbit/s;單個(gè)保護(hù)保護(hù)CPU需要接收3個(gè)網(wǎng)絡(luò)CPU采樣數(shù)據(jù)，這樣單個(gè)保護(hù)CPU就需接收14.4×3=43.2 Mbit/s的數(shù)據(jù)量，同時(shí)單個(gè)保護(hù)CPU還需和通信CPU進(jìn)行信息交互。

網(wǎng)絡(luò)CPU需要接收保護(hù)CPU的控制報(bào)文，同時(shí)還需要與通信CPU進(jìn)行信息交互。多種CPU間信息交互如圖4所示，其中粗線表示相互間數(shù)據(jù)交互流量較大，細(xì)線表示相互間數(shù)據(jù)交互流量相對(duì)較小。

圖4 多種CPU間信息交互圖

通常CPU間通信方式有異步串口通信、同步串口通信、PCI總線方式通信3種方式。

異步串口通信(UART)一般用于低速非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，通常波特率在幾kbit/s到幾十kbit/s，即便波特率采用230 400 b/s，也很難滿足43.2 Mbit/s的內(nèi)部數(shù)據(jù)交互要求。

同步串口通信一般用于高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，由于收發(fā)同步，傳輸速率得到極大提高，可以達(dá)到66 Mbit/s，因此在數(shù)據(jù)流量上能夠滿足內(nèi)部數(shù)據(jù)交互要求［5］。但是，同步串口是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的聯(lián)系，通常CPU提供的同步串口不超過(guò)2個(gè)，以單個(gè)保護(hù)CPU為例，它需要接收來(lái)自3個(gè)網(wǎng)絡(luò)CPU的數(shù)據(jù)，無(wú)法滿足要求，同時(shí)這種方式可擴(kuò)展性差，當(dāng)系統(tǒng)需要增加新間隔、廣域智能保護(hù)主機(jī)需要增加新的網(wǎng)絡(luò)CPU時(shí)，同步串口的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接限制使現(xiàn)有保護(hù)CPU與通信CPU同步串口接線都需要重新設(shè)計(jì)。

PCI總線方式通信是由Intel公司1991年推出的一種局部總線。總線時(shí)鐘頻率為33.3 MHz/66 MHz，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為133 Mbit/s，能夠滿足數(shù)據(jù)流量的要求［6］。

多種CPU可以通過(guò)PCI總線相連，并被分配獨(dú)立的地址。當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)起者(Master)首先需得到仲裁器(Arbiter)的許可，然后向?qū)?yīng)目標(biāo)地址的設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，這樣就有效解決同步串口點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的限制。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)新增加CPU時(shí)，只需將其與PCI總線相連，并分配獨(dú)立的地址，就可無(wú)縫接入原有系統(tǒng)，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性得到了提高。這種結(jié)構(gòu)同一時(shí)刻只允許1個(gè)CPU向另1個(gè)CPU傳輸數(shù)據(jù)，雖然不是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，但是也屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。當(dāng)1塊網(wǎng)絡(luò)CPU需要向2塊保護(hù)CPU傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)CPU需要分別發(fā)送，大大增加了網(wǎng)絡(luò)CPU負(fù)擔(dān)，影響實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

通過(guò)比較多種CPU之間傳輸?shù)膱?bào)文，保護(hù)CPU接收的采樣報(bào)文、網(wǎng)絡(luò)CPU接收的控制報(bào)文屬于優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文，保護(hù)CPU與通信CPU之間的通信報(bào)文屬于優(yōu)先級(jí)低的報(bào)文。采用PCI總線方式時(shí)，當(dāng)優(yōu)先級(jí)低的報(bào)文一直占用總線時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文得不到響應(yīng)，這對(duì)廣域保護(hù)來(lái)說(shuō)是不允許的。3種通信方式各有其缺陷，如表1所示。

表1 3種通信方式特點(diǎn)比較

1.4 基于Gbit交換機(jī)的通信方式

本文提出了一種基于Gbit交換機(jī)原理實(shí)現(xiàn)的通信方式。多種CPU直接與內(nèi)部交換機(jī)相連，通過(guò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部通信報(bào)文的交互。

在流量控制方面，內(nèi)部交換機(jī)按1 000 M設(shè)計(jì)，完全能夠滿足要求。交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文方式有廣播、點(diǎn)播、組播等。通過(guò)組播方式，可以實(shí)現(xiàn)多種CPU之間多對(duì)多通信。當(dāng)1個(gè)網(wǎng)絡(luò)CPU需要向2個(gè)保護(hù)CPU發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)CPU只需發(fā)送1次，加入對(duì)應(yīng)的組使保護(hù)CPU都能夠接收到該報(bào)文。交互的報(bào)文格式基于IEEE 802.1P，其報(bào)文格式如圖5所示。

圖5 基于IEEE 802.1P的以太網(wǎng)報(bào)文格式

在圖5中，TCI是標(biāo)簽控制信息字段，包括用戶優(yōu)先級(jí)(User Priority)、規(guī)范格式指示器(Canonical Format Indicator)和VLAN ID;User Priority定義用戶優(yōu)先級(jí)，包括8個(gè)優(yōu)先級(jí)別。IEEE 802.1P為用戶優(yōu)先級(jí)位定義了操作。通過(guò)賦予報(bào)文不同的User Priority，可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)報(bào)文優(yōu)先級(jí)的區(qū)分。由于對(duì)以太網(wǎng)報(bào)文進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的設(shè)置，高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文首先轉(zhuǎn)發(fā)，低優(yōu)先級(jí)的通信報(bào)文就不可能打斷高優(yōu)先級(jí)的采樣、GOOSE報(bào)文。

2 具體硬件配置

黑龍江省電力有限公司與金智科技公司共同研究的廣域保護(hù)系統(tǒng)，針對(duì)的子站分別是220 kV尚志、賓州、亞布力變電站。每個(gè)子站間隔數(shù)量都不超過(guò)10個(gè)，網(wǎng)絡(luò)CPU板配置3塊，保護(hù)CPU板配置2塊，實(shí)現(xiàn)主保護(hù)、后備保護(hù)和穩(wěn)定控制。通信CPU板配置1塊。

保護(hù)CPU板網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理流量大，保護(hù)邏輯較為復(fù)雜，CPU選型為TI 6455，主頻高達(dá)1 GHz，具備強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)處理能力，支持Gbit網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)CPU板主要實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)IEC61850-9-2采樣報(bào)文接收、GOOSE報(bào)文接收以及GOOSE跳閘發(fā)送，采用AD Blackfin 537，支持100 M網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理。通信CPU板采用Intel IXP420芯片，主要實(shí)現(xiàn)相關(guān)人機(jī)通信功能。整個(gè)廣域智能保護(hù)主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 廣域保護(hù)主機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

1)基于Gbit交換機(jī)通信方式的多種CPU協(xié)同工作的保護(hù)主機(jī)結(jié)構(gòu)，在傳輸流量控制、系統(tǒng)可擴(kuò)展性、傳輸效率、傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)控制具有優(yōu)越性，能夠完全滿足廣域保護(hù)主機(jī)要求。

2)廣域智能保護(hù)主機(jī)在2012年6月已經(jīng)順利通過(guò)華中科技大學(xué)動(dòng)模測(cè)試，取得良好的效果。廣域智能保護(hù)主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)已經(jīng)在黑龍江省調(diào)度中心正式投運(yùn)，運(yùn)行正常，并且該結(jié)構(gòu)已經(jīng)申請(qǐng)實(shí)用新型專利。

［1］劉振亞，欒軍.智能電網(wǎng)知識(shí)問(wèn)答［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2010:9.

［2］薛禹勝.時(shí)空協(xié)調(diào)的大停電防御框架:從孤立防線到綜合防御［J］. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30(1):8-16.

［3］薛禹勝.時(shí)空協(xié)調(diào)的大停電防御框架:廣域信息、在線量化分析和自適應(yīng)優(yōu)化控制［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30(2):1-10.

［4］薛禹勝.時(shí)空協(xié)調(diào)的大停電防御框架:各道防線內(nèi)部的優(yōu)化和不同防線之間的協(xié)調(diào)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30(3):1-10.

［5］李碧君，許劍冰.大電網(wǎng)安全穩(wěn)定綜合協(xié)調(diào)防御的工程應(yīng)用［J］. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32(6):25-30.

［6］易俊，周孝信.電力系統(tǒng)廣域保護(hù)與控制綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(8):7-12，30.