基于雙平面的測控裝置集成與研制

熊慕文 陳桂友 朱何榮

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

變電站自動化從20 世紀80年代發(fā)展至今，經(jīng)歷了RTU 與分層分布式系統(tǒng)兩個階段；從早期的IO集中式采集到后來的功能分散式系統(tǒng)，綜合自動化的水平與可靠性得到了很大程度提升。近年來，隨著智能電網(wǎng)概念的興起，變電站建設(shè)中智能化設(shè)備、數(shù)字化采樣技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)得到了很大程度的提升，智能變電站中二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和形態(tài)均發(fā)生了革命性的變化，主要表現(xiàn)在如下幾點：

1）過程層設(shè)備的實現(xiàn)：過程層合并單元、智能終端得到了廣泛應(yīng)用；真正意義上實現(xiàn)了變電站“三層兩網(wǎng)”的體系架構(gòu)[1]。

2）過程層網(wǎng)絡(luò)普及：由SV 與GOOSE 所組成的過程層網(wǎng)絡(luò)逐漸在智能變電站得到了普及，并隨著過程層組網(wǎng)技術(shù)及流量控制技術(shù)的成熟最大化實現(xiàn)了過程層數(shù)據(jù)的共享[2]。

3）間隔層裝置就地化：保護與測控等裝置傳統(tǒng)意義上的采樣與出口回路逐漸消亡，裝置更加精簡小巧，方便布置，節(jié)省變電站面積建設(shè)費用[3]。

新一代智能變電站在“數(shù)據(jù)共享、功能精簡”的技術(shù)基礎(chǔ)上提出了“系統(tǒng)高度集成、結(jié)構(gòu)布局合理、裝備先進適用、經(jīng)濟節(jié)能環(huán)保”建設(shè)目標[1]，這對變電站二次設(shè)備的優(yōu)化集成提出了更高的要求。但目前，變電站內(nèi)二次設(shè)備集成方案存在著一定的無序的狀態(tài)[4-5]；變電站二次設(shè)備的集成與研發(fā)沒有一個合理的指導(dǎo)原則。

本文首先從變電站保護緊急控制與經(jīng)濟調(diào)度平面原則出發(fā)，對變電站二次體系框架進行了闡述，按照變電站雙平面原則，從橫、縱兩個方向，對變電站量測與控制業(yè)務(wù)的集成方式進行了研究，并提供了不同集成方式下的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)與運維解決方案。

1 基于雙平面的測控裝置優(yōu)化集成

1.1 變電站二次設(shè)備體系框架

目前，變電站內(nèi)的二次設(shè)備主要有保護、測控、錄波、PMU、穩(wěn)控及計量裝置；保護、穩(wěn)控等裝置主要是變電站異常情況下的實時保護與緊急控制，其特點主要是強實時的自適應(yīng)閉環(huán)系統(tǒng)。測控、PMU、計量主要為變電站運行狀態(tài)的監(jiān)視及調(diào)度端的經(jīng)濟協(xié)調(diào)控制提出基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并完成經(jīng)濟調(diào)度控制指令，其特點為高精度的開放式測量與控制系統(tǒng)。在圖1中，我們根據(jù)變電站數(shù)據(jù)邏輯功能用途不同，將電力系統(tǒng)二次設(shè)備控制、監(jiān)視分為“兩個平面”；一為調(diào)度監(jiān)控平面，另一個為緊急控制層面。其特征見表1。

表1 電力系統(tǒng)二次設(shè)備劃分平面

圖1 智能變電站框架體系

綜上所述，變電站二次設(shè)備的優(yōu)化與集成的原則，應(yīng)該依據(jù)數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求與控制方式的不同在同一控制平面內(nèi)進行變電站多業(yè)務(wù)種類的集成與優(yōu)化，從而最終使整合后的設(shè)備功能布局更加合理，綜合性能更加完善，控制更加便捷，更具有社會經(jīng)濟效益。

1.2 測控裝置的雙向集成

在變電站二次設(shè)備框架體系的基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)意義上的測控裝置的集成可以按照縱向與橫向兩個方向進行集成。從而在其原有的簡單“四遙”基礎(chǔ)上賦予更多基礎(chǔ)數(shù)據(jù)載體與經(jīng)濟調(diào)度控制的功能，主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集時間斷面、采樣精度和協(xié)同控制能力的提高。

縱向集成是將變電站內(nèi)的對數(shù)據(jù)來源相同，并具有類似數(shù)據(jù)質(zhì)量要求的不同業(yè)務(wù)進行功能整合，從而實現(xiàn)最大意義上的同類功能整合與綜合性能提升，減少變電站的對設(shè)備的重復(fù)投資。

橫向集成是按照同一業(yè)務(wù)原則將變電站內(nèi)多個間隔數(shù)據(jù)集中采集與處理，最大化實現(xiàn)變電站內(nèi)信息的共享與集中式控制。

2 智能站多功能測控裝置的研制

多功能測控裝置按照縱向集成原則而設(shè)計，高度集成了一個間隔的測控、非關(guān)口計量和同步相量測量功能[6]。多功能測控裝置中測控、非關(guān)口計量與同步相量功能所采集與展示的都是測量級數(shù)據(jù)，反應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)情況下的運行水平，數(shù)據(jù)來源相同；且隨著主站狀態(tài)估計準確度對測量數(shù)據(jù)時間斷面統(tǒng)一性的要求提升，遙測數(shù)據(jù)與相量數(shù)據(jù)的實時性、準確性逐漸有同質(zhì)化的要求。從技術(shù)角度而言，測控、PMU、非光口計量存在整合的可能及必要性，便于多業(yè)務(wù)的融合管理。從集成角度看，多功能測控裝置可以減少間隔內(nèi)IED 設(shè)備的種類，便于多專業(yè)的集成，減少站內(nèi)交換機數(shù)目。

2.1 硬件構(gòu)成

多功能測控的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。在該方案中過程層插件采用大容量FPGA 搭建100M 冗余過程層總線，實現(xiàn)過程層 SV 數(shù)據(jù)的信號采集以及GOOSE 信號發(fā)送，并通過高速背板總線將原始采樣數(shù)據(jù)同步后送給核心處理DSP 插件進行處理。

圖2 硬件架構(gòu)

核心DSP 處理插件采用ADI 高性能的浮點DSP，對過程層數(shù)據(jù)進行基礎(chǔ)運算，并針對測控、PMU 與計量功能在監(jiān)視方向輸出結(jié)果上數(shù)據(jù)質(zhì)量（精確性、顆粒度、實時性）的要求產(chǎn)生不同的結(jié)果，并將結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給通信處理插件。

通信管理插件采用專為高性能通信而設(shè)計的MPC5200 芯片組，實現(xiàn)PMU 與MMS 數(shù)據(jù)的并行上送以及電能量數(shù)據(jù)采集與存儲。

2.2 軟件構(gòu)成

多功能測控裝置的軟件劃分為應(yīng)用軟件和平臺軟件兩個部分，應(yīng)用軟件負責(zé)測量量的計算處理，控制命令的邏輯執(zhí)行等具有專屬性質(zhì)的頂層應(yīng)用，平臺軟件負責(zé)具通用性質(zhì)的底層應(yīng)用如硬件驅(qū)動，系統(tǒng)管理，公共服務(wù)等等。多功能測控軟件體系如圖3所示。

圖3 軟件架構(gòu)

2.3 多功能測控裝置關(guān)鍵技術(shù)

1）多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)融合

多功能測控包含了測控、PMU、計量三類計算功能，測控需要計算模擬量的全波有效值，上送間隔為200ms 級為單位；PMU 需要模擬量的基波有效值，上送間隔為10ms 級為單位；而計量則是計算各個方向下全波功率的能量積分，按小時進行凍結(jié)上送。三類業(yè)務(wù)在數(shù)據(jù)源頭上都是圍繞測量數(shù)據(jù)而展開，而在輸出產(chǎn)物和上送頻度上，又各有不同。因此需要對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的公共處理進行合并，提升運算效率，實現(xiàn)基礎(chǔ)運算層面三類數(shù)據(jù)的融合。并最終通過共享物理接口的方式，按照不同實時性共板傳輸，實現(xiàn)物理鏈路的數(shù)據(jù)融合。

表2 多功能測控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)特征表

從表2可以看出，PMU 的測量數(shù)據(jù)是測控的子集；而狀態(tài)估計對測控遙測數(shù)據(jù)時標的準確性與WAMS 主站對相量數(shù)據(jù)的準確性均為0ms，上送頻度上PMU 與測控是倍數(shù)關(guān)系。

按照上述要求，多功能測控的前端計算處理模塊每10ms 一個間隔按照當前系統(tǒng)頻率進行完整插值，并對插值后的離散采樣點進行離散傅里葉（DFT）變化，計算出各次諧波的幅值。根據(jù)諧波正交性原理，模擬量總有效值的計算公式如下：

其中Am（1）即為PMU 所需要的基波相量幅值，而A即為測控裝置所需要的全波有效值。同理，裝置的全波功率即為各次諧波功率的累加。

通過上述處理方法，可以在基礎(chǔ)運算層實現(xiàn)測控、PMU、計量三類數(shù)據(jù)的融合，為三類業(yè)務(wù)的整體提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

從數(shù)據(jù)傳輸角度看，PMU 數(shù)據(jù)的上送顆粒度在10～40ms 為周期，通過C37.118 規(guī)約上送數(shù)據(jù)集中器或者是調(diào)度主站，實時性要求很高，但帶寬要求較低；測控數(shù)據(jù)通過IEC 61850 服務(wù)將變電站信息上送至站控層，顆粒度按照百毫秒計，遙測響應(yīng)時間為秒級。為保證兩類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按照不同實時性要求進行傳輸，將PMU 數(shù)據(jù)的socket 偵聽與發(fā)送放在實時進程中執(zhí)行，以中斷喚醒方式將實時PMU數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)議棧緩沖區(qū)，并通過DMA 發(fā)送至網(wǎng)卡，從而保證數(shù)據(jù)發(fā)送實時性。

2）計量模塊IEC 61850 模型設(shè)計

傳統(tǒng)計量業(yè)務(wù)一般通過DL/T 645 協(xié)議進行上送，而多功能測控裝置中的計量模塊需要考慮按照IEC 61850 模型進行設(shè)計[7]，以滿足多功能測控裝置數(shù)據(jù)上送接口標準化的設(shè)計需要，為建設(shè)高度集成的系統(tǒng)提供條件。

表3中列舉的是多功能測控裝置計量模塊所涉及的邏輯接點。

表3

在實現(xiàn)過程中，可根據(jù)表4對計量DO 進行擴充，從而滿足對于各類電能量統(tǒng)計值的補充上送。

2.4 多功能測控裝置未來趨勢

多功能測控裝置本著面向間隔縱向集成的原則，隨著未來技術(shù)發(fā)展與集成度水平進一步提高，多功能測控裝置功能上還可實現(xiàn)電能質(zhì)量分析等功能，在通信接口上，可根據(jù)主站業(yè)務(wù)需要將模擬量通道進行進一步整合，最終成為智能變電站內(nèi)量測數(shù)據(jù)的惟一載體。

3 智能站集中式測控裝置的研制

集中式測控裝置按照橫向原則，主要面向同類業(yè)務(wù)而設(shè)計，將變電站內(nèi)多間隔測控裝置功能進行集中采集與控制。集中式測控可以配合保護就地化方案的布置需要，最大化程度上實現(xiàn)站內(nèi)間隔層設(shè)備的信息共享，減少間隔層IED 設(shè)備數(shù)量與占地面積[8]。

3.1 集中式測控裝置關(guān)鍵技術(shù)

集中式測控的關(guān)鍵技術(shù)主要有：

1）集中式測控雙重化配置數(shù)據(jù)冗余處理

由于集中式測控裝置集中采集了多個間隔IED設(shè)備的信息，為保證系統(tǒng)運行可靠性，避免在二次設(shè)備N-1 條件下造成電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的大面積缺失，因此對集中式測控按照雙重化進行配置。為了避免測量、控制數(shù)據(jù)的不單一，避免2 套數(shù)據(jù)對運行值班人員的影響[9-10]。在雙重化運行模式下，集中式測控采用熱備用方案運行，兩套集中測控各配置一個檢修壓板，正常運行時，投入其中一套測控裝置的檢修壓板，作為熱備用測控；另一套未投入檢修壓板的集中式測控作為主測控運行。在 IEC 61850 通信上，雙套測控采用相同模型進行建模，

站控層裝置接收兩套測控裝置的監(jiān)視數(shù)據(jù)，并按照上送數(shù)據(jù)的品質(zhì)信息，將監(jiān)視信號反饋給站內(nèi)運行人員及主站。正常運行過程中，在控制方向上，針對主運行的集中式測控裝置下發(fā)控制命令。

上述集中式測控雙冗余方案能夠最大程度上簡化集中測控裝置的運行與管理。通過模型一致性映射，避免了后臺對于一次設(shè)備狀態(tài)點組態(tài)的問題；通過檢修壓板切換實現(xiàn)了集中式測控的熱備用冗余，并且簡化了在站控層的數(shù)據(jù)辨識方案。

2）集中式測控的運維管理設(shè)計

集中式測控由于集成了多個間隔功能，因此在運維管理的設(shè)計上與傳統(tǒng)的按間隔概念不同；

（1）一般運行。集中式測控屏柜上不再設(shè)置就地操作按鈕，僅設(shè)置檢修按鈕。在智能變電站情況下，間隔的操作僅允許在遠方遙控，或者是通過智能終端就地進行。這避免了運行人員在現(xiàn)場運行時，通過屏柜誤操作的可能。

（2）檢修維護。智能化站一次設(shè)備檢修工況下，一次系統(tǒng)的回路設(shè)計與接線均直接與過程層裝置按照間隔對應(yīng)，不再與間隔層設(shè)備連接，且調(diào)試過程中的控制，也不在間隔層完成，因此，在一次設(shè)備檢修時，不需要對集中式測控進行額外操作，可由集中式測控的數(shù)據(jù)辨識將過程層數(shù)據(jù)的有效信號上送站控層即可。而當二次設(shè)備檢修情況下，一般并不需要一次設(shè)備陪停，可通投退檢修壓板，即可完成對應(yīng)集中式測控的檢修。

（3）擴建。當集中式測控需要增加間隔時，為避免最小情況下影響其他裝置的運行，可通過檢修壓板進行切換，實現(xiàn)改擴建的實施。對運行間隔的操作切換至第A 套集中式測控上完成，對改擴建間隔，將另一套集中式測控與過程層設(shè)備的置檢修壓板投上，通過檢修狀態(tài)下，對改擴建間隔完成單套調(diào)試。

3.2 集中式測控裝置未來趨勢

集中式測控裝置作為間隔層的集中采集與管理裝置，不僅僅是傳統(tǒng)意義的大測控概念；它在保證原有數(shù)據(jù)實時性的基礎(chǔ)上，最大程度上實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，因此未來可以作為變電站內(nèi)經(jīng)濟調(diào)度控制的大腦，與主站或者區(qū)域進行協(xié)調(diào)，完成站內(nèi)程序化操作與執(zhí)行。同時，集中式測控作為過程層數(shù)據(jù)與站控層數(shù)據(jù)的接口，在智能變電站海量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過有效的進行數(shù)據(jù)辨識，最終實現(xiàn)變電站Raw數(shù)據(jù)向熟數(shù)據(jù)的過度，提升變電站運行狀態(tài)水平。

4 結(jié)論

本文從智能變電站的體系框架入手，將變電站劃分為保護緊急控制與經(jīng)濟調(diào)度兩個層面，并在該原則下對變電站的量測與控制業(yè)務(wù)從橫向及縱向兩個方向的優(yōu)化集成進行了研究，提出了多功能測控與集中式測控兩種實現(xiàn)形式，并針對兩類測控裝置的關(guān)鍵技術(shù)及未來趨勢進行了研究，為變電站量測與控制業(yè)務(wù)的發(fā)展提供了參考。

[1] 賈巍,曹津平,李偉.數(shù)字化變電站中過程層的技術(shù)研究[J].電力自動化設(shè)備,2008,10(10): 71-74.

[2] 王文龍,劉明慧.智能變電站中SMV 網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)共網(wǎng)可能性探討[J].中國電機工程學(xué)報,2011(S1).

[3] 王文龍,胡榮,張喜銘,等.二次一體化框架下變電站站控層體系架構(gòu)探討[J].電力系統(tǒng)自動化,2013,7(14): 113-116.

[4] 熊劍,劉陳鑫,鄧烽.智能變電站集中式保護測控裝置[J].電力系統(tǒng)自動化,2013,6(12): 100-103.

[5] 張勝飛,蒲皓,李嘉逸.高電壓測控保護一體化裝置應(yīng)用[J].電工技術(shù),2012,11(11): 52-53.

[6] 李峰,易永輝,陶永健,等.智能變電站測控技術(shù)方案研究[J].電測與儀表,2013,7(7): 118-122.

[7] IEC.Communication Networks and Systems in Substa-tions Part 7: Basic Communication Structure for Substa-tions and Feeder Equipment[S].

[8] 王忠強,李棟,姜帥,等.新一代智能變電站技術(shù)經(jīng)濟分析[J].電氣應(yīng)用,2013,11(21): 34-37.

[9] 宋康,袁珂俊,任振興,等.數(shù)字化智能變電站遠動雙測控實現(xiàn)方法[J].電力自動化設(shè)備,2012,7(7): 140-142.

[10] 鐘華兵,王志林,房萍,等.變電站自動化系統(tǒng)支持雙測控的實現(xiàn)方法[J].現(xiàn)代電力,2010,6(3): 13-15.