淺談智能變電站母差刀閘位置指示裝置研究與應(yīng)用

袁瑞輝，盧泳茵，李夢(mèng)琪

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東中山，528400）

0 引言

母線保護(hù)裝置是變電站二次系統(tǒng)重要組成部分之一，對(duì)于母線保護(hù)裝置而言，最重要的開入量是刀閘位置，它既影響母線保護(hù)的差流計(jì)算，又影響保護(hù)的動(dòng)作范圍。由于智能變電站的快速發(fā)展，母差刀閘位置的傳輸方式從模擬量變成了數(shù)字量。目前智能變電站中所用的母線保護(hù)裝置尚未有刀閘位置指示功能，也沒有適用于智能變電站的母差刀閘位置指示裝置，運(yùn)行人員僅能通過監(jiān)控后臺(tái)、高壓場(chǎng)地的智能終端面板查看線路母線側(cè)刀閘位置。但智能變電站，尤其是SV與GOOSE共網(wǎng)的智能變電站，光回路需交互的數(shù)據(jù)量龐大，在運(yùn)維過程中極易發(fā)生數(shù)據(jù)異常、通訊中斷等原因造成裝置與實(shí)際位置不對(duì)應(yīng)的情況，從而無法得知母線保護(hù)中線路母線側(cè)刀閘的實(shí)際位置。

針對(duì)上述問題，本文提出了一種母差位置指示裝置和母差位置指示系統(tǒng)，用于解決傳統(tǒng)的通過電氣回路連接的刀閘位置指示裝置不適用于現(xiàn)有的通過光信號(hào)進(jìn)行信息傳遞的智能變電站，而通過監(jiān)控后臺(tái)、高壓場(chǎng)地的智能終端面板查看線路母線側(cè)刀閘位置的方式，存在因光纖回路異常和通訊中斷等原因，造成刀閘位置不對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)問題。

1 智能變電站母差刀閘位置指示裝置硬件結(jié)構(gòu)

本文提出一款適用于智能變電站的母差刀閘位置指示裝置，從而彌補(bǔ)市場(chǎng)上的空白。裝置由電源模塊、CPU模塊、FPGA模塊、以太網(wǎng)接口模塊、光串口模塊、人機(jī)交互模塊、存儲(chǔ)控制器模塊組成[1]，圖1為裝置硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖1 裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，電源模塊分別與CPU模塊和FPGA模塊連接，用于將220V交流電壓通過AC/DC轉(zhuǎn)換[2]，生成多組直流電源，為母差位置指示裝置的內(nèi)部硬件電路模塊（例如CPU模塊和FPGA模塊）提供DC工作電壓。

FPGA模塊用于接收光網(wǎng)口模塊的報(bào)文和光串口模塊發(fā)送的光B碼對(duì)時(shí)信號(hào)，在接收到光網(wǎng)口模塊的報(bào)文之后（光網(wǎng)口模塊包括雙光網(wǎng)口，一個(gè)光網(wǎng)口接收A1網(wǎng)的報(bào)文，另一個(gè)光網(wǎng)口接收A2網(wǎng)的報(bào)文），F(xiàn)PGA模塊分別對(duì)A1網(wǎng)和A2網(wǎng)的報(bào)文進(jìn)行過濾處理，僅提取母線保護(hù)的GOOSE報(bào)文數(shù)據(jù)，其他報(bào)文數(shù)據(jù)不進(jìn)行處理。FPGA模塊在提取的GOOSE報(bào)文數(shù)據(jù)起始位添加時(shí)標(biāo)信息，并將添加了時(shí)標(biāo)的GOOSE報(bào)文數(shù)據(jù)打包發(fā)給CPU模塊進(jìn)行處理。

CPU模塊接收到FPGA模塊發(fā)送的GOOSE報(bào)文數(shù)據(jù)后，比對(duì)A1網(wǎng)和A2網(wǎng)數(shù)據(jù)中的當(dāng)前母線刀閘位置信息，若A1網(wǎng)和A2網(wǎng)的GOOSE報(bào)文數(shù)據(jù)中的當(dāng)前刀閘位置信息一致時(shí)，CPU模塊則判斷母線刀閘位置信息正確。此時(shí)，CPU模塊會(huì)將GOOSE報(bào)文數(shù)據(jù)中的當(dāng)前刀閘位置信息發(fā)送給人機(jī)交互模塊進(jìn)行展示，并記錄在存儲(chǔ)模塊中。

光網(wǎng)口模塊和光串口模塊分別與FPGA模塊連接。光網(wǎng)口模塊用于接收交換機(jī)發(fā)送過來，攜帶有刀閘信息的報(bào)文，并將所接收到的每一幀報(bào)文傳遞給FPGA模塊，光網(wǎng)口最多可配備2個(gè)。光串口模塊用于接收光B碼對(duì)時(shí)信號(hào)，將光B碼對(duì)時(shí)信號(hào)傳輸給FPGA模塊處理，使得FPGA的時(shí)鐘與智能變電站保持一致。

存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)接收的打時(shí)標(biāo)報(bào)文和CPU模塊的通信數(shù)據(jù)緩存。存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)的打時(shí)標(biāo)報(bào)文達(dá)到預(yù)置條數(shù)后（例如50條信息），新增的打時(shí)標(biāo)報(bào)文自動(dòng)按時(shí)間順序覆蓋前面的打時(shí)標(biāo)報(bào)文，以避免占用過多的存儲(chǔ)空間。

人機(jī)交互模塊可以對(duì)當(dāng)前刀閘位置信息的更新記錄以表格的形式進(jìn)行可視化展示，便于操作人員查詢和對(duì)照刀閘信息。若A1網(wǎng)和A2網(wǎng)的GOOSE報(bào)文數(shù)據(jù)中的當(dāng)前刀閘位置信息不一致，CPU模塊則判斷母線刀閘位置信息存在異常，需要進(jìn)行告警提示。此時(shí)，CPU模塊將發(fā)出位置異常告警信號(hào)到人機(jī)交互模塊進(jìn)行展示，便于操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理異常。

需要說明的是，裝置的光網(wǎng)口連接單芯光纖僅具備接收功能，因此在鏈路上可只連接接收口Rx單根光纖，以此杜絕母差位置指示裝置向交換機(jī)發(fā)送報(bào)文的情況，因此本裝置實(shí)施例中的FPGA模塊只接收并解析交換機(jī)傳遞過來的GOOSE報(bào)文，不對(duì)外發(fā)送SV或GOOSE報(bào)文，以免影響過程層網(wǎng)絡(luò)報(bào)文數(shù)據(jù)。

2 裝置創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 刀閘位置的GOOSE混合接收模式

裝置具有同時(shí)解析A1網(wǎng)和A2網(wǎng)的GOOSE報(bào)文的能力。即將A1網(wǎng)和A2網(wǎng)收到的報(bào)文通過FPGA和CPU的篩選過后，通過核驗(yàn)APPID類型、goosePDU、gocbRef、dateSet、goID等分別識(shí)別出A1網(wǎng)和A2網(wǎng)的母線保護(hù)裝置的報(bào)文，并對(duì)報(bào)文的事件時(shí)標(biāo)Event TimeStamp、狀態(tài)序號(hào)StNum、順序號(hào)SqNum等進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)以上內(nèi)容完全一致時(shí)，最后對(duì)A1網(wǎng)和A2網(wǎng)的所傳輸?shù)腉OOSE報(bào)文虛端子當(dāng)前值（對(duì)應(yīng)的刀閘通道）進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)A1網(wǎng)和A2網(wǎng)的當(dāng)前刀閘位置信息一致時(shí)，將位置信息實(shí)時(shí)反饋給主界面并顯示當(dāng)前刀閘位置情況；當(dāng)A1網(wǎng)和A2網(wǎng)的當(dāng)前刀閘位置信息不一致時(shí)，界面彈出告警信號(hào)，并在告警界面顯示出詳細(xì)異常通道的信息。

2.2 刀閘變位情況和變位時(shí)間記錄

裝置具備GOOSE報(bào)文抓取功能，可自動(dòng)記錄母線側(cè)刀閘的位置信息和變位時(shí)間。裝置接通變電站的主鐘信號(hào)，將交換機(jī)接收的報(bào)文通過FPGA的篩選之后，通過CPU對(duì)每幀報(bào)文進(jìn)行二次篩選，隨后將篩選出來的GOOSE報(bào)文進(jìn)行打時(shí)標(biāo)報(bào)文存儲(chǔ)，隨后對(duì)報(bào)文解碼，解析并讀取報(bào)文中的變位時(shí)間。在刀閘變?yōu)閳?bào)告界面首先記錄事件序號(hào)，并接收?qǐng)?bào)文的年月日時(shí)分秒時(shí)間，并將刀閘動(dòng)作信息詳細(xì)描述，完成儲(chǔ)存。

2.3 主接線圖顯示

A1網(wǎng)、A2網(wǎng)中心交換機(jī)通過VLAN配置將所需的線路母線側(cè)刀閘信息通過GOOSE發(fā)送至線路刀閘位置監(jiān)視裝置，并通過主接線圖及主接線分支圖進(jìn)行顯示。示意圖見圖2。

圖2 主接線圖及主接線分支圖示意

2.4 光纖傳輸

相比于傳統(tǒng)的電氣回路連接的位置指示裝置，本文裝置提供的母差位置指示裝置，在進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，光纖傳輸系統(tǒng)的信號(hào)保真度和畫面清晰度比電線或電纜傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)南到y(tǒng)要高得多，光纖不受電磁輻射與雷擊等任何電氣干擾的影響，且光回路不存在接地回路問題[3-4]，可以實(shí)現(xiàn)回路自檢，驗(yàn)證回路接收的正確性。

3 裝置應(yīng)用實(shí)例

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，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(hào)轉(zhuǎn)換成光數(shù)字報(bào)文傳遞給交換機(jī)，交換機(jī)再通過光纖傳輸給母線保護(hù)裝置，同時(shí)將報(bào)文傳遞給新型母差位置指示裝置。此時(shí)母線保護(hù)裝置和新型母差位置指示裝置可同時(shí)接收到交換機(jī)過來的信號(hào)，顯示對(duì)應(yīng)母線上的多條線路母線側(cè)刀閘位置。示意圖見圖3。

圖3 應(yīng)用場(chǎng)景示意圖

新型母差位置指示裝置可直接安裝于母線保護(hù)屏上，可應(yīng)用于現(xiàn)有和新建的智能變電站中，安裝步驟簡(jiǎn)單，增設(shè)方便快捷，只需新增兩根光纖分別與A1網(wǎng)、A2網(wǎng)中心交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換即可實(shí)現(xiàn)母差保護(hù)母線側(cè)刀閘位置監(jiān)視。

4 結(jié)束語

本文所述的新型母差位置指示裝置安裝于母線保護(hù)屏上，可應(yīng)用于現(xiàn)有和新建的智能變電站中，安裝步驟簡(jiǎn)單，增設(shè)方便快捷，只需新增兩根光纖分別與A1網(wǎng)、A2網(wǎng)中心交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換即可實(shí)現(xiàn)母差保護(hù)母線側(cè)刀閘位置監(jiān)視。此外，該裝置可與各廠家生產(chǎn)的母差保護(hù)配合使用，且適應(yīng)保護(hù)裝置后續(xù)的版本升級(jí)，維護(hù)簡(jiǎn)單，大大提高運(yùn)維和檢修人員的工作效率。