智能变电站过程层综合智能单元的集成技术探讨

朱 珠，郭宝甫

（1.铜陵学院，安徽铜陵244000；2.国家电网许继集团有限公司，河南许昌461000）

供用电

智能变电站过程层综合智能单元的集成技术探讨

朱 珠1，郭宝甫2

（1.铜陵学院，安徽铜陵244000；2.国家电网许继集团有限公司，河南许昌461000）

随着智能变电站在全国范围内的推广应用，其中的设备集成与整合技术受到了广泛地关注。对目前主流厂家生产的过程层综合智能单元进行分析，论述了其节约成本，提高经济效益的优势。在此基础之上，提出了采样值（SV）和面向通用对象的变电站事件（GOOSE）共端口传输的新集成技术。并对此技术下的传输优先级选择、对时信号选择以及检修压板选择等问题进行了探讨。同时说明了与之相关的CPU整合、人机接口优化、保护装置接口改进等。

智能变电站；合并单元；智能终端；集成技术

1 引言

目前智能化是变配电系统发展的趋势，在世界范围内发展智能电网已经形成共识。智能电网是以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的网架为基础，以通信信息平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化特征，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电以及规划、调度、通信等各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合的现代化电网[1]。结合智能电网的需求，在现有的数字化变电站基础之上，国家电网于2010年开始了智能变电站的建设工作。

智能变电站系统可以划分为过程层、间隔层和站控层[2]。过程层不仅包括了常见的变压器、断路器、隔离开关、电压/电流互感器等一次设备，还包括合并单元、智能终端以及过程层交换机；间隔层一般指继电保护装置、故障录波和分析装置、测控装置等二次设备；而站控层主要包含监视控制系统、对时系统、通信系统等等。

在过程层中，电磁型电压/电流互感器采集的模拟量经采集器上传到合并单元。其对数据进行合并同步和规约转换后，向间隔层智能电子设备输出符合IEC61850-9-2规约标准的SV（Sample Value）信号。而断路器及隔离开关等开关量信息上传到智能终端，向间隔层设备输出GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）信号。同时间隔层设备也可以通过智能终端操作控制断路器及相关隔离开关的开合。所以智能变电站过程层柜体结构初始的配置方案如图1（a）所示，在柜中上下并列、分别摆放合并单元和智能终端的箱体。它们都是通过电缆与现场一次设备连接，通过光纤与间隔层设备连接。

图1 过程层柜体结构

而当前国内主要生产厂家已经将合并单元与智能终端两个箱体一体化，集成为综合智能单元一个箱体，如图1（b）所示。而综合智能单元中的SV插件和开入/出口插件分别部分实现原先合并单元和智能终端的功能，如图2是国内某厂生产的综合智能单元装置的背视图。一次设备的输入经电缆接入其中的交流插件和开入插件，SV插件和出口插件的输出经光纤接入过程层交换机或间隔层智能电子设备。

图2 DTI－806综合智能单元背视图

2 当前集成技术分析

可见，与初始的配置方案相比，集成后的综合智能单元有诸多优点。首先，柜中装置数量减少了一半，相应的设备成本会下降。同时由于柜中的装置数量减少，柜体的高度也可以相应降低，从而建设成本也会下降。其次，采集量和开关量的输入都送到综合智能单元，使其与相应一次设备的连接变得简单，同时也降低了电缆连接成本。再次，综合智能单元下，过程层可以采用SV与GOOSE共组网模式。共网口与过程层交换机连接的方式在一定程度上降低了系统的网络设备投资。

但是，集成后的综合智能单元并没有从系统角度上，对合并单元和智能终端进行功能上的整合。在过程层中，作为数据采集环节的合并单元与作为操作控制环节的智能终端都是服务于一次设备本身。同时按照继电保护“直采直跳”的要求，它们的出口信息直接与继电保护装置联系[3]。此外，出口信息还将通过过程交换机进行组网供间隔层其他设备使用。基于这些功能上的共性，如图3（b）集成的综合智能单元2在传输SV和GOOSE信号时可以考虑使用相同的端口。

图3 综合智能单元集成方案

3 共端口集成技术探讨

3.1 传输优先级的选择

由于继电保护装置要求点对点传输，合并单元的SV报文是按照等间隔方式进行传输，同时标明延时。而映射跳闸命令、告警信号的GOOSE报文传输时需要高实时性。在当前应用中，其多采用抢占式处理机制，即一旦装置接收到GOOSE报文会立即发起中断，转而处理GOOSE信息。当集成后的综合智能单元共端口发送SV和GOOSE时，在同时满足两者传输延时性的要求下，应优先发送SV报文。

优先发送SV报文时，由于其报文长度固定，可以精确计算发送该报文所导致的延迟时间。在等间隔SV报文发送完成后，装置就可以处理GOOSE报文。由优先发送SV报文所带来的几十微秒的延时，是不会影响GOOSE报文传输的实时性。因为在IEC 61850-7-2标准中规定：数据在过程总线上传输时应具有可测算的确定延时以及在最坏情况下的延时极值，GOOSE报文应在3 ms内完成传输[4]。对3 ms而言，延时的几十微秒可以接受。

如果仍按照传统的方式优先发送GOOSE报文，在100 Mbit/s的带宽下，100Byte的GOOSE报文需要约8 μs的传输时间，而200Byte时则需要约16 μs。但是在点对点传输下，要求传输SV报文时等间隔的延时必须小于10 μs[4]。可见，优先处理GOOSE报文会加大SV报文传输的间隔时间，甚至超过要求的间隔延时。

3.2 对时信号的选择

合并单元和智能终端功能的实现都要依赖于精确的时间同步技术。按照文献要求，目前合并单元采用IRIG-B码或IEC61588实现同步对时，其采样的同步误差不大于±1 μs[5]。常用的IRIG-B码对时中，卫星GPS信号传入授时源装置，授时源装置输出的IRIG-B码通过光纤到达合并单元CPU，完成本地脉冲信号的同步工作。与合并单元类似，智能终端对时也常采用IRIG-B码或IEC61588。当两者集成后，可共用一个对时接口。但是集成后的综合智能单元的硬件配置会有不同，可用一块CPU实现所有功能或者两块CPU分别实现各自的功能。当使用两块CPU时，对时应以合并单元的对时信号为标准，因为它的同步采样对时精度远高于智能终端的毫秒级。

3.3 检修压板的选择

当前国内主要生产厂家生产的综合智能单元虽已经将合并单元和智能终端集成在一起，但其SV和GOOSE的检修压板仍然是分别配置的。当共端口集成后，SV和GOOSE信号可以共用一个检修压板。以同间隔下的合并单元和智能终端为例，某时刻检修采样环节，SV检修压板打开。此时没有数据上传间隔层保护，保护出口被闭锁，不会有GOOSE信号的传输，就好像SV和GOOSE检修压板被同时打开。同理，某时刻检修操作控制环节，GOOSE检修压板打开，SV信号仍然实时上传。即使发生短路故障，继电保护被启动但无法出口跳闸，此时也可看作两检修压板同时被打开。

不仅如此，实际的测试检修中，当检修SV或GOOSE通路时，因为会涉及检修对应的一次设备，目前为了操作人员的绝对安全会同时断开SV和GOOSE检修压板。相比而言，当同间隔下SV和GOOSE共用一个检修压板后，不仅为使用者带来方便，而且杜绝了因操作失误而导致的安全隐患。

3.4 其他资源的整合

首先是CPU。当前集成技术下的综合智能单元，处理SV和GOOSE是分别配置CPU。当两者集成后，CPU资源需要重新整合。例如通常SV计算负荷很重，而GOOSE负荷轻许多；时间同步时以合并单元对时信号为标准进行B码解析；另外由于目前合并单元实现电压切换和并列的功能，所以合并单元还需要配置GOOSE网口获取同间隔内的智能终端信息。而集成后的CPU在数据处理阶段就可以完成SV和GOOSE数据的共享。

其次是人机接口。现有放于室内的综合智能单元会配有液晶屏，方便人员操作各项软压板功能。当SV和GOOSE共端口集成后，只需在原有液晶屏基础上改变若干子菜单界面即可。放于室外的综合智能单元所处环境恶劣，通常没有配置液晶屏，而是通过调试网口实现远程控制。当共端口集成后，只需将原先的SV和GOOSE远程控制功能进行适当的融合而共用一个调试网口。

4 结论

随着智能变电站技术的普及与研究的深入，智能变电站过程层合并单元和智能终端的集成问题受到了广泛的关注[6]。现有的集成产品综合智能单元虽然具有诸多优点，但并未从系统角度上，对合并单元和智能终端进行功能上的集成。本文提出了综合智能单元在传输SV和GOOSE信号时可以共用端口，并就此技术下的传输优先级选择、对时信号选择以及检修压板选择等问题进行了探讨。但需要指出的是，共端口集成技术依赖于间隔层保护装置可以SV和GOOSE共端口接收。若保护装置仍然采用分端口接收时，共端口传输的优势便没有体现，与现有的综合智能单元无异。在过程层组网时，集成后的SV与GOOSE信号共端口传输与之前的分端口传输无异，组网时仍然采用“先到先发”的模式进行SV/GOOSE报文的发送。

目前国内主流的厂家已陆续生产过程层集成产品并应用于工业现场。其节约了成本，获得了较好的经济效益。但是由于智能变电站发展周期较短，投入运行的产品可能存在的一些潜问题还未充分暴露。所以在探讨新技术的同时，需在充分的论证后小心谨慎地运用到产品中。

[1]殷刚.智能电网研究[J].能源与节能，2013，（10）.

[2]王书峰.中国电谷（保定）智能电网综合建设工程项目实施研究[D].华北电力大学，2013.

[3]刘昊昱，左群业.智能变电站过程层网络性能测试与分析[J].电力系统保护与控制，2012，（18）.

[4]IEC 61850 Communication networks and systems in substations [S].2003．

[5]国家电网公司.Q/GDW 383-2009智能变电站技术导则[S].北京：中国电力出版社，2009.

[6]倪益民，杨宇.智能变电站二次设备集成方案讨论[J].电力系统自动化，2014，（3）.

Discussion on Integration Technology of Intelligent Unit in Process Layer of Smart Substation

ZHU Zhu1，GUO Baofu2
（1.Tongling University，Tongling，Anhui 244000；2.Xuji Group Corporation of State Grid，Xuchang,Henan 461000）

With nationwide popularization and application of intelligent substation,its devices integration technology has been received extensive attention.The integrated intelligent unit produced by present mainstream manufactures is analyzed concerning its economic benefits.Based on this,the paper puts forward a new integration technology that the sample value (SV)and generic object oriented substation event(GOOSE)shares the same transmission port. After that,it discusses related problems such as transmission priority selection,time signal selection and maintenance platen selection.Meanwhile,the resource integration of CPU,the man-machine interface optimization and the port improvement of protection devices are presented.

smart substation;merging unit;intelligent terminal;integrated technology

TM762

A

1006-6764(2015)05-0001-03

2014－03－13

朱珠（1987-），女，2011年毕业于新南威尔士大学（澳大利亚）电力学院新能源发电专业，硕士研究生学历，助教，研究方向为电力系统保护与控制。