一種新型合智一體裝置的研制

竇乘國，張宏波（上海思弘瑞電力控制技術有限公司南京分公司，江蘇南京210012）

一種新型合智一體裝置的研制

竇乘國，張宏波
（上海思弘瑞電力控制技術有限公司南京分公司，江蘇南京210012）

為滿足智能變電站結構緊湊化、網絡設計簡單化的要求，過程層的合并單元和智能終端的整合設計（合智一體）是智能電網的趨勢。提出了一種新型合智一體裝置的軟硬件結構設計方案，采用該方案研制的裝置，不僅能夠滿足合智一體的要求，而且能縮短裝置模擬量數據從輸入到輸出的延時，提高裝置數據傳輸的快速性，數據傳輸時間遠低于行業標準規定的2 ms時間要求，另外，合智一體設計對配合的間隔層保護裝置的整體動作時間也有提高。

合并單元；智能終端；合智一體；采樣值（SV）；面向通用對象的變電站事件（GOOSE）

合并單元與智能終端是智能變電站中的過程層二次設備的重要組成部分，合并單元通過直接或間接的方式采集電流、電壓數據，并對這些數據完成同步處理后再提供給間隔層設備使用；智能終端則通過采集斷路器、刀閘等位置信息上送間隔層，并接收間隔層的跳閘、遙控等命令。合并單元、智能終端與間隔層物理接口點基本相同，從現場安裝情況看，無論是就地化智能控制柜安裝，還是保護室的屏柜安裝，一定是按間隔來劃分安裝的。因而兩者一般安裝到同一屏柜或相鄰的2個屏柜中。隨著智能變電站的發展，合并單元、智能終端相關規范已經比較完整［1，2］。對于二者需要實現的功能、對外的物理接口、虛端子接口等的規定都已經很明確。國家電網公司相關規范也在制訂中［3］，并明確要求110 kV使用合智一體裝置。然而在現場的使用過程中存在合智一體模擬量數據延時偏大、裝置工程型號偏多、發熱嚴重的現象。

1　合智一體裝置設計思路

從目前主流的劃分方式來看，合并單元包括電壓合并單元、間隔合并單元；智能終端包括母線智能終端、斷路器智能終端、變壓器（高抗）本體智能終端。而合智一體化主要是從間隔的角度來看的，即間隔合并單元與斷路器智能終端的集成。當然，部分電壓合并單元也可以和母線智能終端集成。對于母線合智一體，其集成思想同間隔合智集成，但由于其現場數量較少，故而作用沒有間隔集成那么明顯。從間隔角度看，合智集成裝置的組網方式如圖1所示（保護直采直跳）。合智一體有以下優點：

（1）由雙裝置變為單裝置，減少空間。不僅節省硬件成本，而且減少了空間占用。尤其在現場就地安裝的情況下，最終減少變電站占地。

（2）減少了光纖連接數量，意味著光纖接口減少，不僅節省裝置成本，而且降低裝置功耗，減輕了跨多間隔保護裝置的發熱問題。例如在面向通用對象的變電站事件（GOOSE）及采樣值（SV）均為點對點組網方式下，對于典型的支持24個間隔的集中式母差保護裝置，按照單插件8路光口計算，則需要4塊SV接口插件（除24個間隔對應的3塊插件外，母線電壓SV采樣及SV組網需要1塊插件），4塊GOOSE接口插件（除24個間隔對應的3塊插件外，GOOSE組網需要1塊插件），共計64個光口。該結構的母線裝置，發熱量很大。而當合智一體裝置出現后，SV和GOOSE通過共口方式連接，則可減少一半（4塊）SV和GOOSE共口（簡稱為SG）的插件，此時母差保護在合理布置插件插槽位置后，發熱量大幅降低。

圖1　合智一體點對點組網

從實際工程使用上看，合并單元、智能終端與間隔層物理接口點基本相同；從兩者物理接口數據流動上看，2種裝置的主要區別在于合并單元提供的采樣數據流是單向的，而智能終端的數據流是雙向的。因此硬件上存在共性。同時，隨著通信技術的發展，現場可編程邏輯門陣列（FPGA）等芯片性能的提高，芯片功能的強大，單個硬件模塊能承擔的功能也日益增多。

基于上述工程實際情況和技術發展狀況，文中提出了一種新型合智一體裝置的軟硬件結構設計方案。該方案從軟硬件架構上實現了任務分流，能使重要任務得到優先處理，進而使得關鍵性能指標得到提升；任務的模塊化設計，使得功能重用便捷，進而提高了工程功能的擴展性。

2　合智一體硬件構架設計

為保證裝置整體的可靠性，文中提出分級總線混合直連模式的硬件架構，合并單元與智能終端功能各自在獨立插件中實現，一些智能板卡和擴展板卡，也都在獨立插件中實現，通過總線支持完成相互間的數據交換，對于強實時要求的關鍵數據通過直連的方式進行交互。既可靠，又快速，在與間隔層保護裝置互聯配合時，減少了數據的中間傳輸延時，有利于加快整體的保護動作速動。

硬件構架如圖2所示，插件間的數據連接包括兩大部分：總線部分和直連線部分。其中，總線部分包括高速總線、低速總線和對時同步總線。高速總線用于合并單元和智能終端二者的高速數據交換，低速總線用于智能開入、智能開出、直流采集插件與合并單元、智能終端之間的低速開關量的數據交換，而對時總線則用于全裝置的各插件同步。直連線部分包括模數轉換（ADC）及電子式互感器數字輸出接口數據（因其幀格式是采用IEC 60870-5-1定義的定長格式Format FT3，簡稱FT3數據）直采插件與合并單元之間的連接、合并單元發送IEC61850-9-2及GOOSE數據的連接、合并單元發送FT3數據的連接、智能終端與出口插件的連接。整個合智一體裝置的主要插件配置示意如表1所示。

圖2　合智一體硬件主構架體系

插件功能包括：

（1）交流信號采樣插件完成傳統電磁式互感器的小信號變換功能；直流信號采樣插件完成直流傳感器過來信號的接收功能。

（2）ADC插件完成ADC采集及FT3輸入功能。用于傳統電磁式互感器模擬量輸入情況下的數據采集，同時可接入FT3輸入，完成電子式互感器與遠端模塊的輸入接口或與電壓合并單元的輸入級聯接口。

表1　合智一體插件配置

（3）CPU插件包括多個處理器。分別完成人機接口（HMI）功能（包括站控層的制造商信息規范（MMS）通信功能）、合并單元應用功能（包括數據SV數據接收、同步處理、電壓切換）等。

（4）SG插件完成智能終端功能。包括斷路器和刀閘的位置采集、對于保護跳閘命令、遙控命令的處理等；16號插件：擴展SV、GOOSE發送插件。

（5）CPU插件光纖口不夠時，配置擴展插件可完成SV、GOOSE擴展口的發送功能；同時還可將擴展插件配置為FT3數據發送插件。

該硬件構架設計具有以下特點：

（1）快速合并單元的功能支持。為達到該目標，則需要消除所有裝置內部的中間延遲環節。一般實現方案中，由于同時考慮到模擬采樣和數字采樣時，在設計數據處理過程中，可能有多CPU分布協調處理的情況，而合并單元最終發出的數據又必須是全裝置整體同步的，這樣就會引入多板卡間的數據交換問題，若處理不當將會引起較大數據延時。該方案在數據接入方面，均采用硬線直連方式，即無論是傳統的ADC采樣接入、與電子式互感器的FT3接入、或電壓合并單元SV9-2的級聯接入均如此，使用高性能處理器統一完成數據處理；而對于數據發送，也采用插件內數據直發。經過實際測試，在此方案設計上，當僅有傳統ADC采樣時，合并單元采樣數據延時為500 μs；當有電子式互感器的FT3接入時，采樣數據延時為750 μs；在有9-2或FT3級聯情況下，則采樣數據延時最大為1500 μs。無論哪種情況均小于國網標準要求的2 ms［4］。由以上數據可見，無論哪種數據接入方式，均可最大限度降低了合并單元本身的處理延時，從而縮短間隔層保護裝置的動作時延。

（2）合并單元功能對SV混合采樣的支持。通過上述插件功能配置，該硬件方案實現了對于傳統ADC、FT3、SV9-2三種混合采樣方式的支持。

（3）IEC 61850-9-2的SV、GOOSE共口支持。點對點情況下，SV數據要求強實時的250 μs間隔均勻發送，而GOOSE既發送數據又接收數據，其典型變化發送間隔為2 ms。由于設計中充分考慮減少數據流的中間環節，合理布置總線功能和結構，減少了數據的處理工作，完全可以在發送SV數據的空隙時間片完成GOOSE數據的收發，因此既能滿足合并單元數據傳輸與處理的實時性，也滿足能智能終端跳閘的快速和可靠性要求。

（4）對時功能單插件實現，并全裝置同步。在當前的智能變電站應用中，對時方式主要包括B碼對時、IEC 61588、簡單網絡時間協議（SNTP）對時等。在硬件方案中，B碼對時或IEC 61588對時均直接接入到CPU插件，該插件直接完成同步、守時、外部時鐘丟失與恢復過程中的內部時鐘、中斷調節等功能。保證合并單元較小的發送數據的抖動離散性。在CPU插件完成同步功能后，通過背板對時同步總線將信息發布給其他智能板卡，其他插件以此為基準再進行各自插件內的同步。

（5）部分插件可靈活置換。為了兼容多種應用場景，方案支持部分插件的互換功能，既可以配置為開關量輸入插件，也可以配置為擴展IEC 61850-9-2的SV及GOOSE的數據發送插件，還可以配置為FT3數據發送插件。這種配置方式設計靈活，可簡化生產及工程應用過程。

3　合智一體軟件系統設計

軟件系統結合硬件系統構架，按照平臺設計方法，分層、分模塊地給出系統構架，從構架縱向劃分，每個處理器所運行的程序都基于三層式結構：板級支持包（BSP）層、平臺接口層、應用層；從構架橫向劃分，包括系統管理模塊和子系統任務模塊兩部分。

由于采用分層模塊化結構，軟件任務可以合理分配，硬件芯片的負載更加均衡，有利于系統的穩定和功能的擴展。軟件系統架構如圖3所示。

圖3　合智一體軟件系統構架

（1）BSP層：完成底層的硬件驅動功能；

（2）平臺接口層：完成系統級功能。包括與管理模塊的通信交互，與其他插件的數據交換等；

（3）應用層：最終的應用程序。如合并單元模塊、智能終端模塊、人機接口模塊等。

該軟件構架設計具有以下特點：

（1）結構清晰，分布高效。系統管理模塊作為整個裝置的樞紐，承擔管理整個裝置的各個插件上的程序協調一致運行、異常狀況監測、參數定值的管理等功能；子系統任務模塊作為整個裝置的具體功能實現單元，接受系統管理模塊的調度，在完成子系統功能的同時，并為外部其他子系統提供數據。而根據模塊的劃分，又可清晰的給出各個處理器所需承擔的工作，同時選擇出合適的處理器，使得整個系統的硬件資源配置達到最優。

（2）FPGA與CPU分工協作。在以往的電力系統二次設備中，FPGA通常僅完成數據碼流處理及邏輯功能處理:如IRIG-B編解碼、FT3的編解碼等。該方案中，FPGA完成了IEC 61850-9-2的SV報文接收、解包、解碼、有效數據通道抽取及SV的報文發送；GOOSE報文接收、解包、解碼、有效數據抽取；FT3數據收發及編解碼；IRIG-B解碼；高速總線數據交換等功能。FPGA完成以上工作后，使得CPU負載有效降低。同時，也更易于實現對于網絡風暴的抑制與過濾。

（3）應用層代碼唯一，自動適應多種應用場景。由于一次系統主接線方式的不同，也帶來合并單元的多種應用場景。再考慮到傳統電磁互感器與電子式互感器的不同應用，其產品型號較多。但分析其主要不同點，在物理層面上，在于其收發數據接口形式的不同；從邏輯層面上，主要表現為對外收發虛端子的不同。該方案由于軟硬件均支持一定程度的靈活配置，可適應多種應用場景。基于該方案實現的裝置通過工具完成研發級別的配置，對研發與工程進行了合理有效分工，最終實現了以較小的應用程序單一代碼兼容所有應用場合，提高產品的易測性、易維護性。

4　結束語

為適應智能電網的發展趨勢，結合合智一體裝置的現場應用實際情況，提出了一種軟硬件設計方案，并在此基礎上研制出一種新的合智一體裝置。該裝置通過優化軟硬件系統架構，減少模擬量數據從輸入到輸出延時，性能優于相關標準的要求，從而提高間隔層保護裝置的速度；同時裝置適應工程配置的要求，能適應當前智能站的工程要求，有一定的實際意義。

［1］國家電網公司.Q/GDW 426—2010智能變電站合并單元技術規范［S］.北京：中國電力出版社，2010.

［2］國家電網公司.Q/GDW 428—2010智能變電站智能終端技術規范［S］.北京：中國電力出版社，2010.

［3］國家電網公司.Q/GDW1902—2013智能變電站110 kV合并單元智能終端裝置集成技術規范［S］.北京：中國電力出版社，2013.

［4］國家電網公司.Q/GDW 441—2010智能變電站繼電保護技術規范［S］.北京：中國電力出版社，2010.

The Development of a New Type of M erging Unit and Intelligent Term inal Integrated Device

DOU Chengguo，ZHANG Hongbo
（Shanghai SHR Electrical Power Technology Co.Ltd.，Nanjing Branch，Nanjing 210012，China）

For the purpose of compact structure and simple network design in smart substation，the integration of merging unit and intelligent terminal at the process level becomes a new trend in the smart substation.A new software and hardware solution for the integration of merging unit and intelligent term inal is proposed in this paper.Base on this scheme，not only the requirementoftheintegrationofmergingunitand intelligentterm inalcanbemet，butalso thetransmission timedelay from inputto outputoftheanalogdataisshorten and thedata transm issionspeed isim proved.The transm ission timedelay lessthan2msw hich is defined in relatedstandards.Italso improvestheoperation timeof theprotectiondevicesconnected to thisnew device.

merging unit；intelligent term inal；merging unit and intelligent term inal integrated device；SV；GOOSE

TM763

B

1009-0665（2015）05-0062-03

竇乘國（1974），男，湖南永州人，工程師，從事繼電保護、智能變電站應用研究工作；

張宏波（1975），男，吉林伊通人，高級工程師，從事嵌入式軟件在電力系統、智能變電站應用研究工作。

發電技術

2015-03-25；

2015-05-22