智能變電站新型母差刀閘位置指示裝置研究

袁瑞輝，盧泳茵，李夢琪

（廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東中山，528400）

0 引言

本文提出一種智能變電站新型母差刀閘位置指示裝置，其使用觸摸面板顯示線路的主接線圖，集合一套母線保護裝置中對應母線上的多條線路母線側刀閘位置指示，具備刀閘變位情況和變位時間記錄、刀閘位置異常告警功能，解決了母線保護裝置無直觀刀閘位置指示、不便于作業人員確認刀閘位置、存在造成母差保護誤動風險的問題，排除了電力系統安全隱患，提高供電可靠性。

1 裝置硬件結構

智能變電站新型母差刀閘位置指示裝置由電源模塊、CPU模塊、FPGA模塊、以太網接口模塊、光串口模塊、人機交互模塊、存儲控制器模塊組成，圖1為裝置硬件結構圖。

圖1 裝置硬件結構圖

電源模塊作為裝置內部各模塊的供電裝置，其220V交流電壓通過AC-DC轉換，生成多組1.0V、1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、3.3V、5V等直流電源信號，為裝置內部的所有硬件模塊提供DC工作電壓。

裝置的FPGA模塊的PCIE硬核及編寫文件實現和CPU之間的快速通信，并實現對PCIE各BAR數據的搬移存儲，TLP包的解析和組包。CPU模塊通過FPGA模塊的提供的報文數據，打包發送給CPU，CPU篩選出母線保護接收的GOOSE控制塊，并將控制塊中對應的隔離刀閘和斷路器的虛端子信息經過圖像處理，反饋到人機交互界面上。

光纖以太網接口模塊主要用于接收交換機裝置發送過來的報文，并傳遞給FPGA進行處理，本具備兩個光纖以太網接口，通過GOOSE分別接收A1網和A2網的線路母線側刀閘雙點位置開入，為刀閘位置開入實現冗余配置，提高裝置可靠性。

在實際運行時，光纖分別與A1網、A2網的中心交換機進行數據交換，A1網、A2網中心交換機通過VLAN配置將所需的線路母線側刀閘信息通過GOOSE發送至線路刀閘位置監視裝置，并通過主接線圖及母線分圖進行顯示。

所述光串口模塊實現對PPS，B碼以及多速率及格式的FT3的自適應接收，主要用于接收光B碼對時信號，將時鐘信號給FPGA處理，使得裝置與變電站內的時鐘保持一致。

存儲控制器模塊實現大數據量的通信數據的緩存，包括接收GOOSE報文的打時標報文存儲，接收數據的存儲和數字量加量時的大量各種以太網報文的緩存。還包括對各種數據流的處理、分包、打包、轉移。

2 裝置關鍵技術

2.1 報文接收傳輸

圖2為報文接收傳輸流程圖，智能變電站新型母差刀閘位置指示裝置對報文的接收傳輸流程為：

圖2 報文接收傳輸流程圖

（1）GOOSE報文等接收以后，在報文的頭添加時標以及幀計數值，通道，速率，類型等信息，存儲到初級RAM。接收的時候，如果幀與幀之間的間隔過短，容易造成存儲溢出，導致丟幀；設置過濾條件的時候，MAC地址過濾最大可以64組，可以是目的地址，也可以是源地址，TYPE類型過濾最大只能16組。新型母差通過過濾將其他報文信息，提取母線保護GOOSE報文。

（2）各通路的RAM存儲完一幀信息后發起觸發信號，告知有數據到來，然后狀態機判斷當前二級RAM當前是否有其他路的RAM存儲操作，有的話其他路等待。

（3）次級RAM有數據后，發起對PCIE映射的AM5728的地址寫數據信息（數據是寫到AM5728分配的地址空間），寫完通知CPU有數據。

交換機時刻接收大量的報文，本發明裝置快速找到GOOSE的方法為：將FPGA傳送給CPU的每一幀報文再進行一次過濾處理，CPU通過報文類型、目的地址進行篩選，將篩選過后的報文逐幀進行解碼，解包的報文與此變電站的SCD文件內容逐條對比，經過對APPID類型、goosePDU、gocbRef、dateSet、goID等的一番核驗，則能識別出母線保護裝置對應的GOOSE報文，其余報文不處理。

2.2 刀閘位置GOOSE混合接收

智能變電站新型母差刀閘位置指示裝置采用刀閘位置GOOSE混合接收模式，即將A1網和A2網收到的報文通過FPGA和CPU的篩選過后，通過核驗APPID類型、goosePDU、gocbRef、dateSet、goID等分別識別出A1網和A2網的母線保護裝置的報文，并對報文的事件時標Event TimeStamp、狀態序號StNum、順序號SqNum等進行識別，當以上內容完全一致時，最后對A1網和A2網的所傳輸的GOOSE報文虛端子當前值（對應的刀閘通道）進行對比，當A1網和A2網的當前刀閘位置信息一致時，將位置信息實時反饋給主界面并顯示當前刀閘位置情況；當A1網和A2網的當前刀閘位置信息不一致時，界面彈出告警信號，并在告警界面顯示出詳細異常通道的信息。

2.3 網絡風暴抑制

智能變電站新型母差刀閘位置指示裝置抑制網絡風暴的方法：新型母差位置指示裝置在接收交換機過來的報文時，通過光網口模塊將每一幀報文傳遞給FPGA逐條處理，FPGA對接收的報文的目的地址（MAC地址）和以太網類型值進行判別等進行過濾，若報文類型為88B8，則將報文轉送給CPU解包處理，報文類型值范圍見表1。

表1 報文類型值范圍

智能變電站新型母差刀閘位置指示裝置在網絡風暴抑制下可快速獲取所需的GOOSE報文，即將FPGA傳送給CPU的每一幀報文再進行一次過濾處理，CPU通過報文類型、目的地址進行篩選，將篩選過后的報文逐幀進行解碼，解包的報文與此變電站的SCD文件內容逐條對比，經過對APPID類型、goosePDU、gocbRef、dateSet、goID等的一番核驗，則能識別出母線保護裝置對應的GOOSE報文，其余報文不處理。

3 裝置應用實例

實際運行時，智能變電站將互感器和斷路器的信息通過二次回路傳輸給合并單元和智能終端，合并單元和智能終端再將模擬信號轉換成光數字報文傳遞給交換機，交換機再通過光纖傳輸給母線保護裝置，同時將報文傳遞給新型母差位置指示裝置。此時母線保護裝置和新型母差位置指示裝置可同時接收到交換機過來的信號，顯示對應母線上的多條線路母線側刀閘位置。示意圖見圖3。

圖3 應用場景示意圖

新型母差位置指示裝置可直接安裝于母線保護屏上，可應用于現有和新建的智能變電站中，安裝步驟簡單，增設方便快捷，只需新增兩根光纖分別與A網、B網中心交換機進行數據交換即可實現母差保護母線側刀閘位置監視。