基于EPON網(wǎng)絡(luò)的智能變電站繼電保護測試技術(shù)的研究

朱華，劉柱揆，許守東，張可，胡凡君，胡永承

（1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司大理供電局，云南 大理 671099；3. 南京智匯電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211100）

0 前言

智能變電站是推進我國電網(wǎng)智能化建設(shè)的重要一環(huán)，對電網(wǎng)的發(fā)、輸、變、配等環(huán)節(jié)起到重要的支撐作用，其中網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是該領(lǐng)域內(nèi)的重要技術(shù)之一[1]。目前我國智能變電站通信部分建設(shè)的過程層網(wǎng)絡(luò)通常是利用工業(yè)以太網(wǎng)來進行組網(wǎng)，該過程所需要用到的工業(yè)交換機成本相當(dāng)昂貴，使得智能電網(wǎng)的建設(shè)成本急劇攀升。現(xiàn)階段一般利用EPON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來替代工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)智能變電站的信息傳遞。

變電站繼電保護系統(tǒng)是為確保變電站系統(tǒng)在發(fā)生故障時，第一時間隔離故障設(shè)備，維持變電站的穩(wěn)定運行。其中對繼電保護測試技術(shù)的研究是提升變電站繼電保護系統(tǒng)的重要途徑[2-4]。

采用EPON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)雖然能很好地滿足智能變電站的通信需求，并且減少建設(shè)成本，但也會對系統(tǒng)的繼電保護造成安全性、可靠性、實時性等問題，同時也容易導(dǎo)致變電站繼電保護產(chǎn)生拒動風(fēng)險[5-7]。所以研究如何解決這些問題極為必要。

1 問題分析

現(xiàn)階段變電站常用的數(shù)字繼電保護測試儀通常基于單個保護測試項目的測試儀器，測試時可對保護裝置、測控裝置、智能終端進行相應(yīng)的測試。通過大量的調(diào)研分析，現(xiàn)將目前的數(shù)字繼電保護測試儀所存在問題總結(jié)如下：

1）現(xiàn)有的智能變電站數(shù)字繼電保護測試儀不能實現(xiàn)對保護裝置、測控裝置、智能終端的通信一致性進行檢查；

2）現(xiàn)有的數(shù)字繼電保護測試儀不能實現(xiàn)智能化，即每一種測試類型的設(shè)置都需經(jīng)過調(diào)試人員的計算并手動輸入到測試儀；

3）現(xiàn)有的數(shù)字繼電保護測試儀不能實現(xiàn)在試驗過程中自動讀取保護裝置、測控裝置、智能終端的定值，即每一種測試類型的定值設(shè)置都需經(jīng)過調(diào)試人員的察看保護裝置的定值參數(shù)并手動輸入到測試儀中；

4）現(xiàn)有的數(shù)字繼電保護測試儀不能檢測基于EPON網(wǎng)絡(luò)通信的繼電保護設(shè)備。

針對上述問題，本文研究設(shè)計了一種基于EPON網(wǎng)絡(luò)的智能變電站繼電保護測試技術(shù)來滿足基于EPON網(wǎng)絡(luò)的智能變電站發(fā)展建設(shè)的需要。

2 技術(shù)與功能

本文所研究的基于EPON網(wǎng)絡(luò)的智能變電站繼電保護測試儀可對智能變電站的保護裝置、測試裝置、智能終端進行測試，并且可以通過導(dǎo)入全站SCD模型文件針對智能變電站的保護裝置、測控裝置、智能終端三者進行自動設(shè)定測試方案并模擬現(xiàn)場實際情況與故障，輸出符合智能變電站的規(guī)約或模擬報文錯誤，從而達到對保護裝置、測控裝置、智能終端的通信一致性和可靠性進行檢查的目的。該測試所采用的主要技術(shù)如下：

1）EPON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)可支持以太網(wǎng)類的多種業(yè)務(wù)傳輸，實現(xiàn)信息在無源光纖上的點到點傳輸。相較于傳統(tǒng)技術(shù)而言，其覆蓋范圍更廣、造價更為低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的自動讀取以及通信一致性等功能；

2）新型數(shù)字繼電保護測試儀，包括中央處理單元、對時單元、光輸入輸出單元等，能夠?qū)崿F(xiàn)上行數(shù)據(jù)的收集以及下行數(shù)據(jù)的分發(fā)功能，實現(xiàn)對智能變電站的保護裝置、測控裝置以及智能終端的自動化測試。

3 EPON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

智能變電站采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，通過架構(gòu)分層完成智能變電站內(nèi)各智能設(shè)備間的信息共享與互操作，這就對變電站的通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。現(xiàn)階段，我國變電站通信網(wǎng)絡(luò)仍經(jīng)由數(shù)字微波和光纖進行傳播為主，同時也有電力線載波以及衛(wèi)星通訊等多種類型的輔助通信方式。為了實現(xiàn)變電站的智能化升級，同時伴隨著光通信技術(shù)的進步，EPON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也逐步開始運用到智能變電站的建設(shè)當(dāng)中。

EPON網(wǎng)絡(luò)主要由光線路終端(OLT)、光配線網(wǎng)絡(luò)(ODN)、光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)組成，形成單纖雙向系統(tǒng)。其中，光纖、無源光分路器（或連接器）組成ODN，ODN在ONU與OLT之間構(gòu)建起光通道，起到收集上行數(shù)據(jù)、分發(fā)下行數(shù)據(jù)的功能，此外還具有波長復(fù)用和分配光信號功率的作用。EPON網(wǎng)絡(luò)的信號傳輸是通過波分復(fù)用技術(shù)對雙向信號的傳輸進行處理，上行數(shù)據(jù)可由不同的ONU處通過時分復(fù)用的方式聚集到中心局端處的OLT，而下行數(shù)據(jù)則是通過點對點的類型廣播方式又沿著OLT傳輸?shù)饺康腛NU上[8]。EPON的網(wǎng)絡(luò)組成以及其各部分間的信息傳遞的示意圖如下所示：

圖1 EPON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

總體而言，EPON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的信號傳輸方式更加科學(xué)合理化，并且其動態(tài)帶寬分配、補償測距、自動發(fā)現(xiàn)技術(shù)、基于時分復(fù)用的同步技術(shù)、光纖保護倒換、物理層的加解密等特點也使得其相較于傳統(tǒng)通信技術(shù)而言，具有更大的優(yōu)勢。

4 數(shù)字測試儀的組成及功能

基于EPON網(wǎng)絡(luò)的智能變電站數(shù)字繼電保護測試儀的主要組成部分包括中央處理單元以及分別與其連接的對時單元、EPON輸出/輸入單元等三個部分。其連接框圖如圖2所示。

圖2 新型數(shù)字測試儀的連接框圖

1）中央處理單元，包括ADSP、FPGA兩個子處理模塊。其中ADSP子模塊包括BF518處理器，是作為主控CPU，用于與工控機的通訊和EPON無源光數(shù)字部分輸入輸出；而FPGA子模塊包括XC3S500E，用于與CPU同步及通訊、對時；中央處理單元將控制與通訊分開處理實時性可達30 ns。

2）對時單元，包括GPS模塊、IRIG-B碼對時模塊和IEEE1588對時模塊。GPS模塊和IEEE1588對時模塊分別與ADSP子模塊中的BF518處理器連接；GPS模塊、IRIG-B碼對時模塊和IEEE1588對時模塊均與FPGA子模塊連接。該單元主要用于矯正測試儀器的絕對時刻，完成同步的時間測試，保證在絕對的相同時間完成測試。

3）光輸出/輸入單元，包括FTLF1217 P2xTL模塊，用于以太網(wǎng)電信號產(chǎn)生EPON無源光模塊輸出的以太網(wǎng)EPON無源光信息。該單元提供針對IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的9-1、9-2、9-1擴展和GOOSE信息，完整解析保護模型文件，實現(xiàn)電流電壓通道選擇、比例系數(shù)、ASDU數(shù)目、采樣率、GOOSE信息的配置，可靈活方便地與不同型號保護接口。

5 新型數(shù)字測試儀流程及連接方式

該新型數(shù)字測試儀在使用時，對時模塊矯正測試儀器的絕對時刻并完成同步的時間測試，中央處理單進行解析、處理；EPON無源光輸出/輸入單元用于以太網(wǎng)電信號產(chǎn)生EPON光模塊輸出的以太網(wǎng)無源光信息，中央處理單元再進行處理、判斷。測試裝置的各單元連接關(guān)系如圖3所示。

圖3 測試裝置的各單元連接

EPON無源光輸出/輸入單元與外部單元之間的連接采用SC接口，減小了接口面積，可以縮小到普通接口面積的1/3。中央處理單元與EPON無源光網(wǎng)絡(luò)單元之間通過MII數(shù)據(jù)總線連接。GPS模塊通過串口通訊與BF518連接。IEEE1588對時模塊通過以太網(wǎng)與BF518連接，BF518獲取時間信息。

6 結(jié)束語

通過梳理目前智能變電站繼電保護數(shù)字測試儀的使用現(xiàn)狀，針對其一些痛點問題，提出了一種基于EPON網(wǎng)絡(luò)的智能變電站繼電保護測試技術(shù)，設(shè)計了一款新型繼電保護數(shù)字測試儀器，并對其內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)及功能進行了詳細(xì)說明，從而有效地解決了目前變電站繼電保護測試不能實現(xiàn)各單元間地通信一致性、自動讀取數(shù)據(jù)以及手工作業(yè)量過大導(dǎo)致效率低下等問題。一方面實現(xiàn)了智能變電站繼電保護測試的智能化管理，另一方面也改變了變電站的傳統(tǒng)通信現(xiàn)狀，極大地提高了智能變電站的通信能力，減少了變電站的建設(shè)成本。

由于智能變電站繼電保護系統(tǒng)的復(fù)雜性和繁瑣性，在實際的繼電保護測試過程中，仍會碰到各種其他問題，比如采用EPON網(wǎng)絡(luò)所造成的安全性、實時性以及可靠性的問題，可能隨著測試設(shè)備的精度提高而需要繼續(xù)加以優(yōu)化與提升。