关于合并单元和智能终端应用模式的探讨

刘 曦，朱继红

（1.温州电力局，浙江 温州 325000；2.南瑞继保工程技术有限公司，南京 211100）

0 引言

随着数字化变电站的发展以及IEC 61850协议的不断推广，数字化变电站的建设已由理论研究阶段走向工程实践阶段，目前数字化变电站已经向智能化迈进。数字化变电站的特点是一次设备的智能化，二次设备的网络化和运行管理系统的自动化。在逻辑结构上又可以分为过程层、间隔层和站控层3个层次。

在这里着重讨论过程层的设备。过程层被定义为一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层即为电气设备的智能化部分。过程层的主要功能有∶系统运行时电气量实时检测；运行设备的状态参数检测；操作控制执行与驱动。

合并单元和智能终端作为过程层中的重要设备，是体现智能化水平的主要标志，一直备受关注。合并单元作为电子式互感器的不可缺少一部分，实现了将不同的电压电流信号合并、同步以及进行协议转换的功能。智能终端则通过快速通信功能（GOOSE）实现了对开关整间隔的完整控制，包括对断路器、隔离闸刀和地刀等的控制和相关的状态信号采集。合并单元和智能终端的出现大大改变了传统变电站大量电缆硬接线的局面，转而采用光纤替代传统电缆，并采用数据共享的方式减少了布线的复杂程度，减少了人工维护的工作量，充分体现了数字化变电站的巨大优势。

1 合并单元的应用

合并单元（Merging Unit）用于二次设备之间的信息交换，主要用于连接数字化输出的电子式互感器与保护、测控及表计。随着数字化变电站的建设，合并单元的含义也有所扩展。在进行传统变电站数字化改造的过程中，由于一次侧的常规互感器运行年限未到，在改造时为了节省成本不更换为电子式互感器，所以出现了不接收数字量而是直接采集常规模拟量的合并单元。再如1个线路间隔的合并单元即采集常规的三相电流电压信号同时又接收电子式互感器的母线电压信号。图1即为一种应用场合比较复杂的合并单元。

图1 不同原理互感器混用场合

图1展示了不同原理互感器应用的一种模式，同一个合并单元的输出又可以根据实际的情况有所改变。众所周知，IEC 60044-8最大的优点就是所有的数据同步和数据传输均不依赖于GPS对时，这是由于其点对点传输模式和固定传送延迟所决定的。同样是使用了固定传送延迟的概念解决了原来IEC 61850-9-2严重依赖GPS对时和交换机网络的情况。

点对点的IEC 61850-9-2除了支持点对点功能的同时，同时也支持交换机组网的传输方式。这样既解决了由于组网方式带来的对GPS对时和交换机过度依赖的风险，又解决了数据共享的问题。图2为采样值组网方式和点对点共存的示意图。

图2 点对点IEC 61850-9-2应用

2 智能终端的应用

智能终端作为过程层中的重要设备，实现了对断路器间隔的完全控制（断路器间隔包括断路器、接地刀闸和隔离刀闸）。由于IEC 61850-8-1标准中的GOOSE也是通过组网方式来进行传输，不可避免地对交换机也产生了较大的依赖，虽然可以通过双网的模式降低交换机带来的风险程度，但不能从根本上解决问题。在《智能变电站继电保护技术规范》中，同样对GOOSE提出了点对点的运行模式。明确指出继电保护设备与本间隔智能终端之间通信应采用GOOSE点对点通信方式；继电保护之间的联闭锁信息、失灵启动等信息宜采用 GOOSE网络传输方式。点对点的GOOSE应用模式同样也解决了可靠性和数据共享两方面的问题。

智能终端的GOOSE应用较传统操作箱在安全性方面得到较大幅度提高。一方面，由于采用光纤进行信号传输，所以抗电磁干扰性能有较大提升；另外一方面，由于采用了数字信号通信的逻辑连接方式，可以实现在线物理连接断链检测，实现了在线智能告警。

随着数字化变电站的推广和建设，虽然智能终端的技术也日趋成熟，但对于各大二次设备生产厂家而言，还是有一些问题需要解决。

比如智能终端的就地安装运行环境问题，虽然终端设备安装在智能控制柜中，但户外温度、湿度和沙尘等环境因素都会给设备运行带来考验，目前已有智能终端在户外安全运行近2年的经验，但还有待长期考验。

再如遥信和遥控数量可扩删的问题。对于不同电压等级的间隔对遥信和遥控的数量有着不同的需求。如果智能终端支持可模块化扩充和删减，则无论从经济性和安全性方面都会带来较大的好处。

3 合并单元和智能终端的新型应用模式

目前在建的许多数字化变电站均采用了合并单元和智能终端就地安放的方式，在110 kV及以下电压等级的变电站中，由于多数采用单配置原则，即只有1套保护、合并单元和智能终端，所以智能控制柜的空间使用问题还不是很突出。但在220 kV及以上电压等级的变电站中，由于采用双重化配置，即有2套独立的保护，2套独立的合并单元，2套独立的智能终端。如果保护也采用就地放置的原则，1个智能控制柜中要安放6个单元设备，这还不包括将来可能加入的开关在线监测等设备，如图3所示。

图3 常规就地智能控制柜

就地安装原则在高电压等级变电站中对本来空间就比较紧张的智能控制柜提出了较高的要求。当然也可以把双重化配置的设备安放在两个独立的智能控制柜中，但这无疑又增加了占地和数字化变电站建设的成本。

设想如果把合并单元和智能终端作为一体化设备（这里暂且称为“合并终端一体化设备”），则可以很好地解决智能控制柜的安装问题，又可以节省大量的建设资金，不失为一种较好的应用模式。如图4所示。

图4 改进后一体化的就地智能控制柜

4 合并单元和智能终端一体化的可能性

4.1 负载率分析

合并单元作为数据同步的关键性设备，需要同步三相保护、测量电流和三相电压，可能还需要同步外接零序电流和间隙零序电流等，加上双A/D采样后需要同步的信号多的时候可能达到20路左右，发送速率一般为4 kHz，信号间的同步通常使用插值方式来进行。

以ADI公司的BF534 DSP为例来进行说明。浮点方式的插值每路大概需要8 μs，这样1个采样中断20路信号需要处理数据的时间为20×8＝160 μs，再加上其它程序占用45 μs左右， 则 4 kHz采样率时DSP的负载率约为（160+45）/250＝0.82。可见负载率还是比较高的。由于插值的DSP负载比较高，所以一般还会有另外一个DSP来进行以太网IEC 61850-9-2组包和发送。以BF537 DSP为例，组包和发送的时间约为40 μs，加上其它程序占用30 μs，DSP负载率约为（40+30）/250＝0.28。

而智能终端由于实时性要求没有合并单元那么高，处理报文的中断时间设为833 μs即可。以BF537 DSP为例，完成1个GOOSE报文接收解码和发送编码的时间约为220 μs（以600字节GOOSE报文长度为例），加上智能终端各种逻辑程序时间 40 μs， DSP 负载率为（220+40）/833＝0.312。

由上面的数据分析可见，合并单元单独IEC 61850-9-2的发送对DSP资源的占用不是很多；智能终端单独GOOSE接收和发送对DSP资源的占用也不是很多。所以完全可能将IEC 61850-9-2和GOOSE报文的处理放在一个DSP上完成，设计时只需要保证IEC 61850-9-2运行优先级比GOOSE优先级高，保证IEC 61850-9-2的实时性即可。

4.2 一体化后的单元体积

目前国内的二次设备生产厂家合并单元体积大小不一，有标准整层4U的，有标准整层1U的，也有宽度为半层4U的。总体来说装置空间空余比较多，可用空间还比较大。智能终端随着电压的不同，1个间隔内对遥控和遥信数量需求也有所不同。随着电压等级提高相应遥控和遥信的数量也会相应增加，如500 kV的智能终端一般需要80路左右遥信接点，30路左右遥控接点，另外还包括6路左右4～20 mA（或者0～5 V）的传感器模拟量。所以大多均以标准整层4U装置来进行设计，装置空间剩余不多。

从上面的分析可知由于合并单元对空间的需求较小，为合并单元和智能终端的合并在装置空间上提供了可行性。

4.3 合并单元和智能终端的复用性

由于合并单元和智能终端均为过程层设备，分别使用IEC 61850-9-2和GOOSE传输数据，虽然协议不同，但都是通过光纤以太网组播发送的方式来传输数据，所以理论上物理端口双方是完全可以复用的。假设一个合并终端一体化设备提供了10个光接口，那么可以根据现场的使用情况进行配置，如6个用于GOOSE，4个用于采样传输（SMV）；或者4个用于GOOSE，6个用于SMV；甚至当GOOSE和SMV采用共网模式时，可以配置2个用于GOOSE+SMV，4个用于GOOSE，4个用于SMV。图5显示了采用一体化装置后接口的减少数量。

图5 采用一体化装置后光接口数量改变

关于信号复用的问题，比如当合并单元需要进行电压切换的时候，就需要知道线路和母线间的隔刀位置，而智能终端本身具备位置信号采集功能，当采用合并终端一体化设备时，位置信号可以在装置内实现共享，合并单元就无需为了获取位置信号再占用1个GOOSE交换机光接口，节约了交互机和装置2个光接口。又如，目前建设的数据化变电站由于合并单元数量众多，为了节约交换机光接口，一般合并单元告警采用装置硬接点的方式通过测控进行告警，告警时也无法知道具体的告警内容，必须到合并单元装置端进行查询才能定位。采用合并终端一体化的方式，在不增加成本的基础上，合并单元和智能终端的装置告警信息可以通过GOOSE上送，增加了装置的信息透明度，也为问题定位带来了极大的方便。

以浙江温州某110 kV数字化站为例，其主接线采用内桥接线模式，在方案设计时2条进线开关和桥开关均配置了合并终端一体化装置。合并终端一体化装置除了完成开关、刀闸的采集及控制功能外，还完成电压、电流模拟信号的采集并转化为数字信号后以SMV+GOOSE点对点的方式输出给保护装置。一般保护装置需要2个光接口和一个间隔智能操作箱和合并单元连接，而采用合并终端一体化装置后保护只需要1个光接口即可。在高电压等级变电站中，当智能操作箱和合并单元均需和多个保护装置点对点连接时，节省的光接口数量可观。

4.4 一体化的实际应用

目前国内二次设备生产厂家中，南瑞继保在这方面的研发工作走在了前列，推出了PCS-222D、PCS-222E两大系列合并终端一体化装置，该系列产品基于HTM高速串行总线的UAPC平台能使多DSP并行处理，能将电子式互感器合并单元和智能终端合为一体，也能将常规采样合并单元和智能终端合在一起。装置已在浙江金华500 kV芝堰变、河南洛阳110 kV金谷园以及浙江温州110 kV数字化站工程中得到了应用，并取得了良好的运行效果。

5 结语

分析了合并单元和智能终端的单独应用模式，合并终端一体化装置实现的可能和方法。一体化装置可以共享一个机箱，一块电源板，可以共享CPU进行数据和报文处理，可以共享以太网光接口，节约了就地安放智能控制柜的空间，也节约了变电站建设用地，能够带来很好的社会效益，符合国家建设智能电网的初衷。为此可以大胆预测，这种一体化模式具有非常广阔的应用空间，值得在智能电网中推广应用。

[1]殷志良，刘万顺，杨奇逊，等.变电站自动化过程层与间隔层串行通讯研究[J].中国电力，2004，32（7）∶25-29.

[2]窦晓波，吴在军，胡敏强，等.IEC 61850标准下合并单元的信息模型与映射实现[J].电网技术,2006，30（2）∶80-86.