智能变电站网络分析与故障录波一体化设计与实现

2013-10-10付国新戴超金

电力自动化设备 2013年5期

付国新，戴超金

（国电南京自动化股份有限公司，江苏南京 210003）

0 引言

自2008年数字化变电站试点到目前智能变电站逐步大面积推广的整个过程中，故障录波装置和网络分析装置[1]都作为独立的2个装置进行设计、组屏，这2种装置都要对全站报文进行采集，需要分配较多的交换机端口[2]。当网络故障或报文异常引起继电保护装置动作时，很难将网络报文数据和故障录波数据进行关联、综合分析，智能变电站网络分析与故障录波系统将这2个装置的功能进行整合设计[3]，很好地满足了Q／GDW383—2009《智能变电站技术导则》和Q／GDW 441—2010《智能变电站继电保护技术规范》提出的“故障录波装置采用网络方式接受SV报文和GOOSE报文时，故障录波功能和网络记录分析功能可采用一体化设计”[4]的要求。

1 系统结构

网络分析和故障录波一体化设计有3个关键问题需要克服：

a.大容量数据采集与存储，通常1个变电站有几十个合并单元（MU），1个MU的每个采样点平均采样字节数为255 Byte，按4 kHz的采样频率，1个MU每秒有近1 MByte的数据量，这就要求系统具有很强的数据吞吐和处理能力，数据采集实时可靠，能通过高速通道把数据共享给故障录波和网络报文监测记录[5]；

b.故障录波与报文记录硬件上能独立，2个模块互不影响，1个出现故障时另外1个能正常运行；

c.故障录波数据和报文记录数据能关联分析，2种数据能相互印证[6]。

智能变电站网络分析与故障录波系统采用模块化设计，系统结构如图1所示。系统主要由5个模块组成：IEC61850报文采集、解析模块，配以6个10 Mbit·s-1／100 Mbit·s-1／1 000 Mbit·s-1三速以太网接口，工作于混杂模式，可监听、接收网络报文，对报文进行相应处理；故障录波模块负责录波启动、波形记录，完成故障录波装置的功能[7]；报文记录、监测模块负责报文在线实时监测和无损记录，完成网络报文监测记录装置的功能[8]；高精度时钟模块为系统各个模块提供精准绝对时标，该模块已经获得专利（专利号为CN200920235205.2）；分析站负责装置建模、各个模块的配置与管理和故障、报文分析及对外通信。报文采集处理、故障启动录波、报文监测记录均采用独立CPU进行处理，保证了网络报文记录监测和故障录波在硬件系统上的独立性；报文采集和录波数据的同步处理采用同一网口的数据源，使用同一时标，在关联分析中可以通过同一时刻点将录波数据与报文数据对齐分析[9]。报文采集处理模块和报文记录模块间采用PCI-E高速总线，能够提供5 GByte／s的带宽。

图1 系统结构Fig.1 System structure

2 系统各模块设计

2.1 报文采集、解析模块

报文采集、解析模块是一体化设计中的关键部分。模块示意图见图2，其采用Altera CycloneⅣFPGA进行处理，运用成熟的Triple-Speed Ethernet MegaCore IP 核，可内嵌 8 个 10Mbit·s-1／100Mbit·s-1／1 000 Mbit·s-1介质访问控制层（MAC）控制器，所有MAC控制器独立并行工作，通过以太网嗅探技术[10]捕获网络中传输的数据包，再通过FPGA内部直接内存存取 DMA（Direct Memory Access）通道，及时把数据传给报文组装模块和报文解析模块。时钟接收模块通过高速串行总线接收时标；报文组装模块负责收到报文后立即从时标缓存区中读取当前时标，给报文打上时间印章，这个时标和GPS同步，精确到20 ns，结合时标和SV报文中的采样计数器，可精确测出数据从采集到传输的延时。为了降低IEC61850报文检测、记录模块的中断响应频率，报文组装模块将小包组成大包再通过PCI-E传给报文检测、记录模块。报文解析模块按照采样计数器同步或者插值同步方式将所有MU数据进行同步[11]，再根据录波通道配置，从SV报文和GOOSE报文中提取出录波模拟量和开关量，经提取后的数据量相对于原始报文数据量小了很多，最后通过千兆以太网传给故障录波模块。报文组装模块和报文解析模块运用Verilong HDL模块化硬件描述语言编程[12]，真正实现软件功能硬件化，2个模块并行运行，具有很强的实时性。在FPGA中嵌入NIOS处理器主要是为了解析XML文件，配置整个模块。

图2 报文采集、解析模块Fig.2 Message collection and analysis module

2.2 报文监测、记录模块

报文监测、记录模块主要负责实时、连续、无损记录各通信实体（监控、保护／测控装置、智能终端等）间交互的信息以及交互过程，包括链路层及以上的全部通信协议，对整个通信网络、各个通信连接、特定通信报文，特定网络节点、特定交换机及端口等各个网络层次的网络流量和报文信息进行统计。该模块除完成记录外，还具备变电站网络通信状态的在线实时监测和状态评估功能，依据IEC61850监测各种报文是否出现异常，对SV报文错误／丢包／错序／重复、模型符合性判断、SV失步程度判断、GOOSE报文符合性判断、GOOSE中断判断均进行实时预警。该模块配置4个500 GByte SATA接口的硬盘，满足海量数据长时间存储的需求。

2.3 故障录波模块

实现智能变电站故障录波的全部功能[13]，负责录波启动（包括模拟启动和开关量启动）和波形记录。录波启动按 DL／T663—1999《220～500 kV 电力系统故障动态记录装置检验测试要求》中的要求提供各项启动：任何一路交流通道突变启动，且能在1 ms内判断出突变启动；任何一路交流电流过量启动；任何一条线路负序过流启动及电流变差振荡判别启动；任何一组电压高频、低频启动，正序过压、欠压启动；波形记录按照 DL／T553—94《220～500 kV 电力系统故障动态记录技术准则》和 DL／T663—1999《220～500 kV电力系统故障动态记录装置检验测试要求》中的采样及记录方式要求形成故障波形文件[14]。

2.4 高精度时钟模块

负责维护20 ns分辨率的高精度时钟系统，提供脉冲对时、B码对时、1588对时3种对时方式和GPS进行同步，该模块通过高速串行总线，可以同时给多个CPU提供时标。

2.5 分析站模块

分析站主要负责分析变电站网络通信状态和电力系统故障，提供各种可视化分析工具，辅助维护人员排查网络故障和电力系统故障，包含在线监测、离线分析、建模和配置、对外通信四大模块。

a.在线监测模块实时显示各种监测信息，包括GOOSE报文监测、SV报文监测、故障录波在线监视、网络状态监测。GOOSE报文监测按照GOOSE正常发布周期（见表1）和GOOSE发布错误原则（见表2）进行监测，包括GOOSE报文发布异常检查；SV报文监测包括MU间同步偏差监测及失步告警、监测报文丢点／错序／倒序／重复、SV报文格式错误和模型符合性判断；故障录波在线监视包括波形慢扫描、开关量状态监视、模拟量向量监视；网络状态监测包括流量突增、突减和出现异常报文。

表1 GOOSE报文正常发布周期Tab.1 Normal release period of GOOSE message

表2 GOOSE报文发布错误Tab.2 Release fault of GOOSE message

b.离线分析模块如图3所示。对SV、GOOSE、MMS报文进行详细分析，电力系统故障测距及故障分析，并将故障波形和网络报文进行点对点关联，从故障波形里任意时刻的采样点迅速定位到该时刻的SV报文，从任意时刻的SV报文能迅速找到对应的故障波形里的采样点，并实现图形化分析，该功能在网络记录分析和故障录波独立设计下很难实现[15]。

图3 离线分析模块Fig.3 Offline analysis module

c.装置建模和配置模块配置管理各个模块，修改测距参数和启动定值等。

d.对外通信模块负责与站控层设备通信，主要提供以下服务：IEC61850文件服务，传输故障录波文件、报文记录文件、故障录波简报和报文分析简报；IEC61850定值组控制块服务，实现定值查看、修改、投退；IEC61850报告服务，传输故障装置故障信号和故障录波启动信号；IEC61850控制服务，实现远方启动录波和复归录波告警信号。

2.6 硬件平台及软件平台构成

系统采用嵌入式、32位双核处理器MPC8379，其e300c4内核CPU主频工作在800 MHz，自带有4个串行高级技术附件（SATA）控制器，支持3 Gbit／s（第 1代 SATA）和 6 bit／s（第 2代 SATA 和 eSATA），自带2个千兆以太网接口，具有很强的通信处理能力和数据存储能力。软件平台采用嵌入式实时多任务操作系统vxWorks。

3 工程应用实例

在500 kV桂林智能变电站的联调及试运行中，网络分析与故障录波一体化装置按图4接入，过程层采用SV组网和GOOSE共网模式，以1个间隔为例，分别采用网络记录分析与故障录波分析独立设计（方案a）和一体化（方案b）设计，2种方案对比如表3所示。

图4 500 kV桂林变一体化装置接入图Fig.4 Connection diagram of integrated device in 500 kV Guilin station

表3 独立设计和一体化设计对比Tab.3 Comparison between independent design and integrated design

通过比较可以看出，将网络报文记录分析功能与故障录波功能进行一体化设计显示出巨大的优势，在联调和试运行中，通过网络分析与故障录波系统进行了如下试验。

a.SV报文传输延时及SV离散度测试。装置在接收每帧SV报文时打上与GPS同步的高分辨率绝对时间Tc，在采样计数器为零时，绝对时标应为整秒To，网络延时；另外分析每帧的绝对时间，就可分析出SV报文传输的均匀程度，即离散度。

b.SV丢点试验，试验中某个MU丢失5个采样点，此时录波启动进行波形记录，而一次系统的电压连续，没有出现间断，将录波启动时刻的SV报文和录波波形关联分析发现SV丢失5个采样点，导致录波在同步数据时找不到这几个点，并非一次系统电压间断导致的录波启动，这样很方便地分析出是一次系统故障还是网络报文异常[16]。

c.故障录波波形和网络报文关联分析。