第三代智能變電站集成式測控裝置關鍵技術研究

馬小燕,時 誼,余高旺,譚景文,閆志輝,張艷超

(1.許昌許繼軟件技術有限公司，河南 許昌 461000；2.許繼電源有限公司，河南 許昌 461000；3.桂林電子科技大學信息與通信學院,廣西 桂林 541004)

0 引言

自國家電網(wǎng)公司推廣建設新一代智能變電站以來，智能變電站向系統(tǒng)集成化、結構合理化、裝備先進化、經(jīng)濟適用化、能源節(jié)約環(huán)保化等方向發(fā)展[1]。智能變電站在近幾年的實際運行中也暴露了一些問題和不足[2-6]。經(jīng)調研分析，許繼、南瑞等主流廠商按“兩層一網(wǎng)”原則重新設計了智能變電站技術框架，取消了合并單元、智能終端、過程層交換機等設備及過程層網(wǎng)絡，開展一、二次設備同體設計，進行新型數(shù)字化遠端就地模塊、配套接口裝置、集成式測控和站控主機研制，以實現(xiàn)高可靠無縫冗余(high reliability seamless redundancy，HSR)環(huán)網(wǎng)數(shù)字化通信。

基于第三代智能變電站的測控裝置產(chǎn)品，國內(nèi)目前還處于概念和技術框架階段，國外也沒有相關研究機構開展研究和開發(fā)工作。本文論述的集成式測控裝置研制是二次設備功能優(yōu)化和技術發(fā)展融合的重要一環(huán)。本文通過對采用冗余配置集成式測控裝置的自愈功能、閉鎖功能、全站系統(tǒng)配置描述(substation configuration deion，SCD)解耦、環(huán)網(wǎng)節(jié)點狀態(tài)監(jiān)視和內(nèi)部邏輯可視化等關鍵技術的研究和探索，為解決當前智能變電站存的問題和不足提供了新的思路和方法。

1 集成式測控裝置系統(tǒng)結構

第三代智能變電站中的集成式測控裝置采用室內(nèi)布置，安裝在控制室屏柜內(nèi)，按“三間隔適度集成，雙套冗余配置”方案設計。每個間隔與16個就地模塊通信，裝置上的集成接口模塊通過IEC 61850通信協(xié)議[6-8]與各間隔HSR環(huán)網(wǎng)進行通信。

集成式測控裝置系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 集成式測控裝置系統(tǒng)架構Fig.1 Architecture of integrated measurement and control device system

系統(tǒng)架構中包含監(jiān)控主機、工程師工作站、集成式測控裝置、HSR光纖環(huán)和數(shù)字化就地模塊等。集成式測控裝置面向(串、母線、主變等)電氣設備單元多間隔集成，通過數(shù)字化就地模塊或電纜與一次設備連接，可完成相應間隔的測量、控制和聯(lián)閉鎖功能。監(jiān)控主機負責采集來自測控裝置等二次設備的各類數(shù)據(jù)，實現(xiàn)站內(nèi)二次設備的運行狀態(tài)監(jiān)視、操作與控制、防誤閉鎖和一鍵順控等功能。工程師工作站可完成智能變電站二次設備回路監(jiān)視、內(nèi)部邏輯可視化展示和二次設備軟件在線管控、網(wǎng)絡裝載等功能。不同間隔的就地化模塊可通過HSR光纖環(huán)，為集成式測控裝置上傳開關量、模擬量等一次設備數(shù)字化信息，并能精確執(zhí)行測控裝置下發(fā)的控制命令。

集成式測控裝置對上接入站控層網(wǎng)絡與監(jiān)控系統(tǒng)通信，對下接入各間隔HSR光纖環(huán)，與就地模塊通信。集成式測控裝置獲取的數(shù)據(jù)除了用于本裝置外，還能以點對點方式發(fā)送至同步相量測量裝置和集中計量裝置。

2 關鍵技術研究

2.1 基于狀態(tài)感知的測控功能自愈

第三代智能變電站中的集成式測控裝置采用基于狀態(tài)感知的雙套冗余配置。該技術使測控裝置能夠按運行情況自動選擇功能狀態(tài)良好的裝置作為主運行設備，避免因固定選擇的主設備裝置運行故障而影響電力運維，有效保障了測控功能可靠性。雙套冗余配置的集成式測控裝置具備運行、備用、故障和檢修這4種實時工作狀態(tài)。集成式測控裝置可以根據(jù)當前工作狀態(tài)和設備故障程度，依托站控層和過程層面向通用對象的變電站事件(generic object oriented substation event,GOOSE)通信網(wǎng)絡，采用專有信息模型進行通信交互，實現(xiàn)狀態(tài)感知和冗余切換。集成式測控裝置冗余切換原則如圖2所示。

圖2 集成式測控裝置冗余切換原則Fig.2 Redundancy switching principle of integrated measurement and control device

冗余切換原則分為通信正常交互機制、數(shù)據(jù)篩選及控制響應、通信異常處理機制和運行狀態(tài)異常切換機制。

①通信正常交互機制：雙套冗余配置的集成式測控裝置平行監(jiān)視，通過站控層GOOSE報文交互工作狀態(tài)信息，同時相互監(jiān)視心跳信息。

②數(shù)據(jù)篩選及控制響應：站控層設備根據(jù)集成式測控裝置主備狀態(tài)進行數(shù)據(jù)篩選和控制命令轉發(fā)。就地化模塊根據(jù)集成式測控裝置主備狀態(tài)響應控制命令。

③通信異常處理機制：當處于備用狀態(tài)的集成式測控裝置接收不到另一套集成式測控裝置的心跳報文時，需要借助過程層GOOSE報文判別另一套集成式測控裝置的運行狀態(tài)。

④運行狀態(tài)異常切換機制：當處于運行狀態(tài)的集成式測控裝置發(fā)送異常時，另一套集成式測控裝置如果處于備用狀態(tài)且狀態(tài)更優(yōu)，則進行切換；如果沒有更優(yōu)狀態(tài)或沒有備用狀態(tài)則維持現(xiàn)狀，不進行切換。

根據(jù)圖2所示的切換原則，集成式測控裝置冗余切換策略如下。

①雙套冗余配置的集成式測控裝置平行監(jiān)視，通過站控層GOOSE報文交互狀態(tài)信息，同時相互監(jiān)視心跳信息。

②當處于運行狀態(tài)的集成式測控裝置出現(xiàn)輕微故障時，檢測另一套處于備用狀態(tài)的集成式測控裝置是否有故障。若無故障，則將處于備用狀態(tài)的集成式測控裝置切換為運行狀態(tài)，先前處于運行狀態(tài)的集成式測控裝置降為備用狀態(tài)。

③當處于運行狀態(tài)的集成式測控裝置出現(xiàn)輕微故障，而另一套處于備用狀態(tài)的集成式測控裝置也有輕微故障，則運行狀態(tài)不進行切換。

④當處于運行狀態(tài)的集成式測控裝置出現(xiàn)嚴重告警或故障時，將另一套處于備用狀態(tài)的集成式測控裝置切換為運行狀態(tài)。先前處于運行狀態(tài)的集成式測控裝置降為故障狀態(tài)。

⑤當處于運行狀態(tài)的集成式測控裝置出現(xiàn)嚴重告警或故障，而處于備用狀態(tài)的集成式測控裝置處在檢修或故障狀態(tài)，則運行狀態(tài)不進行切換。先前處于運行狀態(tài)的集成式測控裝置降為故障狀態(tài)。

⑥當處于備用狀態(tài)的集成式測控裝置出現(xiàn)嚴重告警或故障時，應解除備用狀態(tài)，變更為故障狀態(tài)。

⑦當處于備用狀態(tài)的集成式測控裝置收不到另一套集成式測控裝置的心跳報文時，如果通過過程層GOOSE通信網(wǎng)絡監(jiān)視到另一套集成式測控裝置為非運行狀態(tài)，則處于備用狀態(tài)的集成式測控裝置切換為運行狀態(tài)。

站控層設備與集成式測控裝置進行通信交互，獲取裝置的主備狀態(tài)，接收處于運行狀態(tài)的測控裝置數(shù)據(jù)信息，并對其下發(fā)控制命令，丟棄其他狀態(tài)測控裝置的“四遙”等數(shù)據(jù)。就地模塊設備和冗余配置的雙套集成式測控也同時進行通信交互，獲取測控裝置的主備狀態(tài)，并根據(jù)雙套測控的主備狀態(tài)響應控制命令。若出現(xiàn)雙套集成式測控均為運行狀態(tài)的異常工況，站控層設備應優(yōu)先選取，后變?yōu)檫\行狀態(tài)的測控裝置進行業(yè)務數(shù)據(jù)交互；就地模塊設備保持雙運行狀態(tài)前的出口狀態(tài)，不再響應測控裝置控制命令，雙運行狀態(tài)情況消失后，就地模塊恢復正常響應機制。

2.2 環(huán)網(wǎng)節(jié)點狀態(tài)監(jiān)視

HSR的環(huán)形網(wǎng)絡拓撲結構適用于集成式測控裝置與數(shù)字化就地模塊組成的過程層環(huán)形通信網(wǎng)絡[9-10]。當環(huán)形通信網(wǎng)絡出現(xiàn)單個線路中斷或某個設備通信故障時，環(huán)形網(wǎng)路能夠自動選擇另一條鏈路進行通信，使網(wǎng)絡切換零延時、設備間通信干擾小、可靠性大幅提升。

HSR環(huán)網(wǎng)結構如圖3所示。

圖3 HSR環(huán)網(wǎng)結構Fig.3 HSR ring network structure

由圖3可知，設備節(jié)點之間收發(fā)順序互聯(lián)，形成冗余環(huán)。報文可通過環(huán)內(nèi)任意2個節(jié)點、2條路徑進行傳輸。若其中1條路徑發(fā)生中斷，則報文選擇另外1條路徑進行傳輸。報文的2條路徑不區(qū)分主次，先到達的報文確認有效后，后到達的報文則丟棄不用，不需要進行路徑選擇和切換。只要有1條路徑相通，數(shù)據(jù)就能夠到達，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩⒖煽俊⒏咝А?/p>

應用在集成式測控裝置上的HSR技術特點如下。

①測控裝置和數(shù)字化就地模塊的報文為雙向同時發(fā)送，采用環(huán)網(wǎng)冗余的方式保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

②應用層的通信機制按照單網(wǎng)報文進行收發(fā)。HSR環(huán)網(wǎng)自動處理數(shù)據(jù)的有效和丟棄，使數(shù)據(jù)的容錯幾率得到了提升。

③節(jié)點報文雙向傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)熱備份。當單環(huán)網(wǎng)絡不通時，節(jié)點報文自動選擇另一路徑；網(wǎng)絡切換無延時，數(shù)據(jù)傳輸相較于單環(huán)網(wǎng)絡，可靠性提升明顯。

④得益于環(huán)內(nèi)節(jié)點數(shù)據(jù)雙向傳送機制，當帶寬下降一半左右時，裝置仍滿足傳輸需求，受帶寬影響小。

集成式測控裝置和就地模塊組成的環(huán)網(wǎng)節(jié)點狀態(tài)監(jiān)視技術可以快速定位異常設備和鏈路，對異常信息進行實時綜合分析判斷，并自動實現(xiàn)應對異常情況的多設備聯(lián)動。

集成式測控裝置按三間隔集成。每個間隔與16個就地模塊通信，通過環(huán)網(wǎng)模式采集就地模塊連線上送的GOOSE和采樣值(sampled value,SV)信號。測控裝置把環(huán)網(wǎng)鏈路解析功能集成在新協(xié)議接口(new protocol interface,NPI)模塊中，可分別解析3個間隔的A/B端口鏈路狀態(tài)、應用標志(application indenfication,APPID)、接收幀數(shù)、當前延時、最小延時、最大延時等。NPI模塊新增報文類型，可統(tǒng)計環(huán)網(wǎng)端口接收到的全部有效數(shù)據(jù)信息。若報文數(shù)據(jù)幀持續(xù)15 s不更新，則判斷端口鏈路中斷。

集成式測控裝置環(huán)網(wǎng)拓撲結構如圖4所示。

圖4 集成式測控裝置環(huán)網(wǎng)拓撲結構Fig.4 Ring network topology of integrated measurement and control device

以圖4中的A套集成式測控裝置為研究對象，NPI的環(huán)網(wǎng)監(jiān)測模塊可以監(jiān)視環(huán)網(wǎng)中除了位置⑤和位置⑥之外所有的物理鏈路中斷狀態(tài)，如位置①和位置③的中斷。當圖4中的位置①處斷開時，測控裝置B端口與16個就地模塊的連接均為中斷狀態(tài)，而A端口與16個就地模塊的連接為正常狀態(tài)。當圖4中位置③處斷開時，測控裝置B端口與比序號n大的就地模塊連接處于中斷狀態(tài)，與比序號n小的就地模塊連接處于正常狀態(tài)，而A端口與16個就地模塊的連接為正常狀態(tài)。

就地模塊根據(jù)統(tǒng)計報文判別鏈路狀態(tài)，將鏈路信息通過GOOSE信號發(fā)送給集成式測控裝置。測控裝置預置每個就地模塊A/B環(huán)網(wǎng)口的通信中斷狀態(tài)GOOSE信號，用于虛端子連線。測控裝置根據(jù)GOOSE信號狀態(tài)，可以判別如圖4中⑥處位置中斷。B套集成式測控裝置根據(jù)雙套交互報文判別鏈路狀態(tài)，將鏈路信息通過GOOSE信號發(fā)送給A套集成式測控裝置。A套集成式測控裝置根據(jù)GOOSE信號狀態(tài)，可以判別如圖4中⑤處位置中斷。集成式測控裝置根據(jù)接收到的各就地模塊鏈路狀態(tài)信息、自身判別的A/B端口物理鏈路狀態(tài)及環(huán)網(wǎng)拓撲結構，實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)節(jié)點狀態(tài)監(jiān)視。

2.3 閉鎖

第三代智能變電站技術框架下，集成式測控裝置功能有了新的改變。因站控主機的設置涉及耦合和集中功能，原來由測控裝置完成的邏輯閉鎖功能將上移至站控主機。

集成式測控裝置的功能拆分成兩部分：間隔測控功能和跨間隔測控功能。兩部分功能分別部署于間隔測控和站控主機：集成式測控按間隔配置，站控主機按整站雙套配置。控制功能在集成式測控裝置完成，而邏輯閉鎖功能集中在站控主機完成。集成式測控裝置通過GOOSE將邏輯閉鎖需要的信息發(fā)送給站控主機，在站控主機進行全站的邏輯閉鎖條件配置和判別。判別結果以GOOSE方式發(fā)回集成式測控裝置。集成式測控裝置在遙控時直接調用接收到的邏輯結果。

集成式測控裝置預置單點、雙點和浮點3種類型的站控層GOOSE發(fā)送數(shù)據(jù)集。測控裝置按具體工程邏輯閉鎖配置需求，從裝置的制造報文規(guī)范(manufacturing message specification,MMS)上送數(shù)據(jù)集中選擇需要的信息，復制到對應類型的站控層GOOSE發(fā)送數(shù)據(jù)集中，實現(xiàn)GOOSE發(fā)送數(shù)據(jù)集的工程化配置。站控主機通過站控層GOOSE獲取全部邏輯閉鎖需要的集成式測控遙測及遙信信息，采用可視化邏輯編輯的形式實現(xiàn)閉鎖邏輯配置，實時運算邏輯結果，并將邏輯結果以GOOSE形式通過站控層發(fā)回集成式測控裝置，供測控裝置控制時調用。可視化配置閉鎖邏輯如圖5所示。

圖5 可視化配置閉鎖邏輯Fig.5 Visual configuration locking logic

由圖5可知，站控主機可視化界面根據(jù)測控裝置提供的數(shù)據(jù)和狀態(tài)搭建閉鎖邏輯圖。若雙點遙信1為分且雙點遙信2為合，或單點遙信1為分，或UA>100 V時，則刀閘1合允許執(zhí)行。測控裝置可依據(jù)站控主機回送信息獲得刀閘1閉鎖邏輯結果，并將后續(xù)邏輯狀態(tài)(刀閘1合操作結果)和相關數(shù)據(jù)上傳至站控主機展示界面，以達到動態(tài)仿真監(jiān)測的目的。

2.4 SCD解耦

目前，普通智能站使用單一SCD文件描述全站配置[12]，涵蓋全部信息模型、智能電子設備(intelligent electronic device,IED)的實例化配置、通信參數(shù)及虛端子連線，數(shù)字信息高度耦合，直接關系到繼電保護及測控裝置的正常運行，影響范圍廣[13]。SCD文件的任意改動，均需重新導出全站設備的裝置配置文件(configured IED description,CID)。以擴建1個間隔為例，需導入擴建設備的模型文件(IED capability description ICD)配置生成新的SCD文件。由于無法保證原有設備CID與新導出CID文件的一致性，會造成設備運行風險。

第三代智能變電站中的集成式測控裝置把模型分為站控層和過程層，通過在可視化頁面中定義虛擬接收鏈路和接收端子，形成單裝置的CID文件。該文件包括完整的GOOSE/SV發(fā)送數(shù)據(jù)集和接收數(shù)據(jù)集、發(fā)送和接收端子模型。將需要進行發(fā)送/接收關聯(lián)的單裝置CID文件進行匯總，形成最小集的SCD，再把匯總后的CID文件進行發(fā)送/接收端子拉線，導出目的單裝置CID文件放進各個裝置。SCD解耦效果如圖6所示。

圖6 SCD解耦效果示意圖Fig.6 Schematic diagram of SCD decoupling effect

解耦SCD文件后，擴建時僅需對新增部分配置文件修改，即可避免文件整體改動、縮小驗證范圍、減少陪停設備。

以單個IED設備為單位的SCD建模方案，顛覆了傳統(tǒng)SCD文件管理全站配置模型的方式。該方案解決了單一IED設備模型文件變化影響全站配置文件的問題，實現(xiàn)了單個IED設備獨立配置、測試和管理，提高了智能變電站二次設備配置的可靠性，降低了因錯誤配置導致不正確動作的風險。

3 集成式測控裝置功能驗證

為了檢驗集成式測控裝置能否達到技術要求，本文研究、開發(fā)了一套裝置樣機，并在樣機上進行功能驗證。

3.1 硬件架構

集成式測控裝置硬件平臺采用基于XILINX公司推出的雙核+FPGA處理器ZYNQ 7000系列，主頻率為667 MHz，集成度較高。外圍主要芯片包括2片DDR、1片NORFLASH、1片NANDFLASH、1片SD卡及2片AD芯片。ZYNQ 7000系列低功耗處理器功能完善、性能強大、功耗低，可以滿足集成式測控裝置應用需求，且接入間隔數(shù)量不少于3個。

集成式測控裝置硬件平臺系統(tǒng)架構如圖7所示。

圖7 集成式測控裝置硬件平臺系統(tǒng)架構圖Fig.7 Hardware platform system architecture of integrated measurement and control device

集成式測控裝置采用“單通信CPU+單邏輯CPU+單NPI”模式。通信CPU實現(xiàn)人機管理及站控層通信功能，邏輯CPU完成數(shù)據(jù)計算及邏輯判別。機箱結構統(tǒng)一采用4U全封閉機箱，開入、開出板卡采用智能I/O模式，板卡與CPU間采用CAN網(wǎng)總線通信；面板組件采用智能液晶，通信CPU使用以太網(wǎng)通信，面板信號燈通過軟件進行控制。

3.2 軟件設計

集成式測控裝置軟件平臺采用Nucleus PLUS實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)單網(wǎng)卡同時運行多個IP、單裝置同時運行多個通信配置文件。該平臺采用基于高速總線的板間數(shù)據(jù)共享技術，實現(xiàn)板間數(shù)據(jù)可靠、安全、實時的共享訪問；利用嵌入式軟件海量存儲技術，實現(xiàn)集成式測控裝置大容量數(shù)據(jù)存儲；通過多模塊重定位技術，基于嵌入式軟件平臺的多模塊獨立編譯、自動加載，實現(xiàn)功能模塊在裝置板卡上的動態(tài)集成和靈活部署。

3.3 樣機功能驗證

第三代智能變電站的測控功能是當前探索性提出的新技術。基于該技術所研發(fā)的集成式測控裝置的檢驗并無可參照的檢驗標準，因此樣機在進行內(nèi)測和中試測試時僅能參考同類二次設備的相關標準。

集成式測控裝置樣機可用搭建好的檢測系統(tǒng)對遙測、遙信、遙控、遙調、人機交互、MMS站控層通信、雙機切換、閉鎖、環(huán)網(wǎng)鏈路等功能進行詳細檢測。測控功能檢測結果如表1所示。

表1 測控功能檢測結果Tab.1 Test results of measurement and control function

集成式測控裝置樣機檢測系統(tǒng)由位于站控層的監(jiān)控主機或MMS客戶端仿真工具、間隔層的A/B套集成式測控裝置、HSR光纖環(huán)、一次設備開關量就地模塊、模擬量就地模塊、變壓器模塊等構成。檢測系統(tǒng)網(wǎng)絡架構如圖8所示。

圖8 檢測系統(tǒng)網(wǎng)絡架構圖Fig.8 Network architecture of detection system

經(jīng)驗證：集成式測控裝置的遙測、遙信、遙調和遙控等功能均滿足同類二次設備的國家標準、行業(yè)標準和企業(yè)標準要求；升級后的閉鎖功能可順利實現(xiàn)本間隔和跨間隔邏輯閉鎖及強制解鎖等功能；雙機切換設計不僅符合冗余切換原則，且在雙網(wǎng)切換時無數(shù)據(jù)丟失；裝置上環(huán)網(wǎng)鏈路模塊在數(shù)據(jù)信息正確交互的同時，還可解析所有其他模塊A、B端口的通信鏈路狀態(tài)、APPID、接收幀數(shù)、當前延時、最小延時和最大延時等。由測試結果可知，集成式測控裝置結構合理、網(wǎng)絡通信穩(wěn)定、結果準確有效，達到了預期設計要求。

4 結論

應用于第三代智能變電站的集成式測控裝置依據(jù)IEC 61850標準通信協(xié)議，堅持向高度智能化、數(shù)字化、信息化方向發(fā)展，可簡化系統(tǒng)網(wǎng)絡架構、減少設備數(shù)量、實現(xiàn)測控功能自愈；通過就地安裝的采集模塊，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)就地化采集、網(wǎng)絡化傳輸，提高了系統(tǒng)可靠性，提升了運維便捷性。該研究為第三代智能變電站的應用和推廣奠定了良好的技術基礎。