智能變電站保護測控裝置探討

張利斌

(黑龍江省大慶油田電力集團供電二公司，黑龍江 大慶 163711)

如果智能變電站的發展一直沿用傳統的變電站功能，就無法滿足保護測控裝置的實際要求，甚至還可能直接威脅到電力系統的安全與穩定。所以研究智能變電站保護測控裝置，才能推動智能變電站的可持續發展。

1　智能變電站的構成與功能

基于現代化高科技的智能變電站，其支撐是數字化技術和網絡技術，從而實現保護、實際操作以及監控等各項工作。并且其目標定位于精確化、自動化以及標準化之上，確保整個網絡都能夠保持信息的暢通性，通過對故障的及時處理，打造出全新的變電站。從系統的構成進行分析，智能變電站本身就屬于一個復雜的體系結構，利用光纜可以滿足不同層級之間相互的關聯。具體來說，每一層都包含了不同的系統、設備以及裝置，通過相互之間的作用與配合，就能夠讓智能變電站形成一個完整而健全的系統。

1.1　站控層

站控層是智能變電站不可或缺的系統結構，包含了自動化系統、對時系統以及通信系統等不同的設備，擔負了運行狀態監測、數據收集等多項不同的核心任務，它可以實現一次設備乃至于整個變電站的安全檢測。此外，在正常運行過程中，站控層也需要及時記錄與登記，將相關的能量數據以及運行數據記錄下來，如此，在了解智能變電站的實際運行之后，相關的工作人員才可以進行后續的操作[1]。

1.2　間隔層

間隔層包含了二次設備與二次裝置，如繼電保護裝置、故障濾波等。在智能變電站運行之中，間隔層主要起到一個間隔的功能，如數據的間隔、設備的間隔。在實際的操作環節，利用專用的光纖，通過間隔層就可以實現與過程層之間信息的相互溝通與交換，并且確保變電站的每一層次都可以進行信息的相互交流與傳遞。

1.3　過程層

過程層主要針對智能變電站之中各個構成的智能設備與智能終端，其主要是為了完成變電站內部的管理、控制、分配等諸多工作。

通過三個層次的網絡系統，智能變電站可以在科學化、經濟化的前提下，實現相互的作用與配合，滿足對智能變電站數據的采集，及時地檢測運行狀態，并且實現對工作強度的調整，最終滿足電網系統正常運行的需求[2]。

2　智能變電站保護測控裝置

2.1　保護測控裝置的硬件設計

在智能變電站的保護測控裝置內部擁有多個分散的保護測控功能單元。針對一個單元來說，保護測控裝置需要積極的處理信息，因此，對硬件部分有一定的要求。單個的保護測控單元，在1 s之內需要接受4 000包的SV報文，并且每一個報文的長度也需要達到200B。因此，1 s內裝置所接受到的報文為200B的倍數。考慮到接收數據的大小，就可以直接確定網口大小，最終滿足數據大小吞吐量CPU的型號要求。另外，在實際的處理環節，這一部分數據處理需要的時間只占據整體的很小一部分。因為智能變電站的保護測控裝置需要處理大量的信息，一旦CPU滿足不了需求，或者只有部分數據處理容量需求滿足了，都會使實際的運行速度無法達標。所以，CPU應該保持兩個以上，確保要求能夠達標。在具體的操作中，可以采用MPC與DSP這樣的硬件結構，具體見圖1所示[3]。

圖1　雙CPU硬件架構

FPUG通過以太網接收過程層的SV數據，直接填寫時間，并將接收到的數據通過雙口RAM傳遞給通信管理以及相對應的顯示單元。

通信管理單元和顯示單元與保護測控單元之間通過雙口的RAM來實現數據的相互傳遞。其功能是相互同步的，并且計算過程層的SV網數據以及過程層的GOOSE通信，都可以直接利用站控層和以太網接口來實現彼此的通信。

通過雙口的RAM就可以完成MPC顯示和通信管理單元之間的數據交換。

2.2　保護測控裝置的軟件設計

對于保護測控裝置而言，需要做好一次設備運行狀態的時刻監測，并且做好詳細的記錄，一旦出現故障，要正確及時判斷，并且做好對應處理。因此，保護測控裝置本身需要處理的信息量偏大，并且實時性較高。為了能夠滿足這一要求，軟件操作系統需要選擇實時性較高，并且穩定可靠的嵌入式實時操作系統，這種高效的多任務有限管理以及微秒級中斷管理等技術，也能夠確保測控本身的性能[4]。

為了提升軟件部分的成型效率，便于調試與移植，本次選擇模塊化的軟件設計。在設計之中，每一個軟件功能模塊都能夠獨立的設計與調試，這樣有利于效率的提升。按照事先的功能分類，就可以將程序進行模塊的劃分，具體包含：保護測量計算、SV接收、保護邏輯判斷、測控測量計算、遙控、系統數據庫結構、顯示、時間等，具體的程序模塊結構如圖2所示。

考慮到保護測控裝置軟件本身的模塊數量問題，為了滿足有效、安全、穩定的運行要求，各個軟件模塊都不允許出現錯誤與故障。當然，監測軟件模塊是必須的操作，針對這一個問題，可以利用看門狗程序來實現。利用看門狗程序監視每一個裝置的軟件模塊，對于故障模塊還可以利用閉鎖保護、程序重啟、報警等措施來進行相應的保護。看門狗軟件本身是針對所有的硬件設備，對于硬件的管理也是通過軟件來實現，同樣，當程序本身出現了不可逆轉的問題時，就需要監測整個裝置，并且由看門狗硬件來開展重啟工作。另外，做好故障問題的分析與記錄，這對于后續的故障處理也有一定的幫助。

圖2　程序結構圖

2.3　保護測控裝置的GOOSE通信設計

GOOSE通信模塊作為一種通信結構，主要是針對發布者/訂閱者。該通信結構的優點在于：第一，能夠滿足IED彼此之間的快速通信與直接傳遞。第二，同時傳遞不同IED的GOOSE信息，并且信息傳遞的有效性也可以得到保障。對于GOOSE通信模型如圖3所示。

圖3　GOOSE通信模型

在圖3的GOOSE通信模塊中，發布者直接選擇本地傳輸的方式，將數據傳至緩沖區域，之后，訂閱者接受緩沖區，再利用特定的通信服務，就可以將緩沖區之中所發射的數據直接映射出來。GOOSE通信模塊進行報文傳輸時，其控制需要由GoCB來實現，這樣可以更好地組織與分配數據集中的數據信息，并且也可以滿足數據與數據之間的交互，直接定義數據信息的功能。

3　結束語

電網規模的快速擴大，使得輸電線路的復雜度在不斷提升，而隨之出現的繼電保護裝置也會增多，所需要的監測數據量、節點數量以及通道量都會有所增加，無形之中就增加了檢修人員的工作量。相對而言，在應用并推廣智能變電站的測控保護裝置之后，工作人員的監控與監測的工作得到一定程度的減少，這樣就可以滿足其工作的針對性和高效性需求，同時也讓安全事故發生的可能性降至最低。

參考文獻：

[1]曾偉華，史非，韓少衛.集中式保護測控裝置在智能變電站中的應用研究[J].自動化與儀器儀表，2017，(08)：199-200+203.

[2]王川，崔勇.變電站測控和保護裝置中電源模塊優化設計[J].江西電力，2014，(04)：61-63.

[3]劉國偉.數字化變電站雙保護測控一體化裝置智能切換技術探討[J].科技信息，2011，(05)：352+370.

[4]林海鋒.智能變電站的線路保護測控裝置的應用設計[D].濟南：山東大學，2013.