智能变电站分组式测控技术方案

彭 奇, 王治华, 刘海洋, 周 斌, 黄国方

(1. 南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司, 江苏省南京市 211106; 2. 国电南瑞科技股份有限公司, 江苏省南京市 211106; 3. 智能电网保护和运行控制国家重点实验室, 江苏省南京市 211106; 4. 国网上海市电力公司电力调度控制中心, 上海市200122)

0 引言

测控装置是变电站自动化系统间隔层的核心设备,其可以实现一次、二次设备信息采集和信息传输,接收控制命令,实现对受控对象的控制[1-2]。目前智能变电站内测控装置为单套配置,没有备用,当测控装置出现故障或异常时,站内监控系统及远方主站将失去对相应电气间隔的测控功能[3]。如何高效地解决测控装置的备用问题已成为智能变电站内监控系统的当务之急。

目前的解决方案包括测控双重化[4]和集群式测控[5-6]。文献[4]中详述了测控双重化配置方案,该方案虽可解决备用问题,但设备数量、成本都将翻倍;文献[5-6]中介绍的集群式测控采用了虚拟测控装置的模型辨识技术,完全模拟了故障或异常测控的行为,但不同厂家设备间的一致性验证较为复杂,且运行方式为冷备用方式,无法做到无缝切换。并且如何监视集群式测控本身的状态,即集群测控自身模型,以及远方条件下如何确保取代间隔的实体测控设备完全退出网络还有待探讨。

文献[7]中介绍了一种智能变电站集中式保护测控装置,分组式测控借鉴了集中式测控的技术以及双重化配置方案。不同之处是对智能变电站内所有间隔的测控功能进行分类重组,提出相似相关的间隔分组式集中原则。本文详细描述了分组式测控技术原理及设计实现,以及基于分组式测控的系统架构运行方式及组网方案等。

1 分组式测控原理

分组指间隔分组,主要表现为间隔功能的相似相关集中。根据目前变电站内测控间隔的应用情况分为线路分组、母线分组、3/2串分组及主变压器(以下简称主变)分组。相似性的集中可使装置内共性功能模块得以最大限度地共享,提高程序运行稳定性;相关性集中则可以提高数据的共享效率,如间隔间的联闭锁信息等,不仅减少了网络上的报文流量,更有利于管理与控制。

分组式测控仍然属于间隔层设备,装置内可运行一个间隔分组内的多个间隔测控功能。在IEC 61850模型方面,对多间隔模型进行整合,采用集中式的一体模型。过程层基于采样值(SV)与通用面向对象变电站事件(GOOSE)进行信息共享。由于装置内集成了多间隔的功能,考虑到装置的体积和容量,过程层采用组网方式,不支持多间隔的点对点方式。暂不考虑常规模拟接线方式的分组式测控。

2 分组式测控设计与实现

2.1 硬件方案

分组式测控处于IEC 61850标准体系中的间隔层,在站控层通信功能上与目前间隔测控一致,只是模型有所增大,因此主要考虑过程层的实现。过程层网络为组网方式,网络报文主要为GOOSE报文和SV报文。其中GOOSE报文正常运行无变位时流量较小,突发事件时流量较大,由于有多个间隔的集成,接收的GOOSE控制块(GOCB)较多,因此考虑设置独立的GOOSE和SV模件。SV报文为持续稳定的大流量报文。根据IEC 61850-9-2标准[8],合并单元采样报文的上送速率为4 000包/s。下面分别对几种分组式测控的过程层报文流量进行分析。

对于线路分组测控,目前变电站内线路间隔测控只接收1个SV控制块报文,即线路侧合并单元SV,该SV控制块中不仅包含线路侧电压、电流等遥测量信息,还包含了由母线合并单元通过级联方式上送的母线电压。则对于最大集成8个间隔的线路分组测控共接收8个SV控制块报文。对于3/2串分组测控,需要接收2台母线电压合并单元、2台线路电压合并单元及3台电流合并单元,共7个SV控制块报文。对于母线分组测控,考虑接收SV控制块最多的双母双分段情况。该接线方式下需要接收2台母线电压合并单元及2段母联和分段电流合并单元,共6个SV控制块报文。主变分组测控较为简单,主要接收主变3侧的3个合并单元。各类型测控接收的SV控制块数量及每秒接收报文数如表1所示。

表1 各类型分组测控过程层接收的SV情况Table 1 SV received by bay-group control unit in the process layer

假定一个SV报文中包含20个通道数据,根据IEC 61850-9-2标准,则该报文长度约为250 B。根据表1,装置每秒接收SV报文的最大数为32 000,则装置每秒接收的SV数据量为8 MB,即64 Mbit,百兆网口完全可以满足应用要求。

根据以上过程层网络流量分析,硬件上采用目前测控装置的嵌入式平台及装置模件,无须额外增加硬件设备。

过程层GOOSE与SV模件采用相同模件,硬件平台CPU模块采用Freescale公司的QorIQ系列处理器P1011,该处理器为双核处理器,最高主频可达800 MHz。采用Xilinx的Spartan6系列LX45大容量现场可编程门阵列(FPGA)进行SV数据采集处理,CPU与FPGA间采用基于1.0a版本规范的PCIe(peripheral component interconnect express)总线进行数据交换,速率可达1.25 Gbit/s满足了FPGA与CPU间大量SV数据交互。对外接口为8个独立MAC全双工以太网,多模光口,接口形式是LC(lucent connector)接口,速率为100 Mbit/s。可满足过程层GOOSE和SV的功能需求。硬件结构图如图1所示。

图1 过程层模件硬件结构Fig.1 Hardware structure of process level module

站控层模件的CPU采用MPC8321,主要负责各种测控功能、对外通信、装置的配置管理以及人机接口等。采用独立DSP单元实现数据的采集计算、测控的逻辑处理、数据的分析等功能。通过FPGA实现板内芯片间的数据交互、对时同步以及中断同步,同时通过高速串行总线技术实现智能IO单元与CPU单元间的高速实时数据交换,其硬件结构图如图2所示。

图2 站控层模件硬件结构Fig.2 Hardware structure of station level module

2.2 软件方案

分组式测控的软件实现主要包括间隔层功能及过程层功能实现。其中间隔层功能关键技术主要为多间隔集成。过程层功能主要通过SV及GOOSE收发器实现。

1)间隔层

间隔层功能实现如图3所示,主要包括IEC 61850模块、多间隔功能模块以及公共功能模块。

图3 间隔层功能结构图Fig.3 Function structure of bay level

多间隔功能模块是分组式测控的核心,也是关键技术。在装置内部设计了间隔公共类,该类中包含了遥测功能、遥信功能、遥控功能、五防功能等功能模块。当装置运行时根据模型文件中间隔的数量及种类进行具体的实际间隔的实例化派生,并分配内存空间。各间隔测控功能拥有独立的缓存与计算模块,在CPU内部并行运行,保证了独立性。这样做到了代码的最大共享与复用,并保证了可靠性。同时，为了方便五防逻辑的计算,各间隔测控功能模块间共享了遥测、遥信等采集数据。公共功能模块主要包含对时、公共参数管理、显示、调试等公共功能。IEC 61850功能模块主要负责解析多间隔模型文件,以及与站控层设备的通信。

装置设有统一的远方/就地硬压板与检修硬压板,同时各间隔测控功能还设有各自独立的间隔检修软压板。当装置检修硬压板投入时,设备处于检修状态,所有间隔均处于检修状态;当间隔检修软压板投入时,该间隔处于检修状态。设置间隔检修软压板主要考虑当该间隔过程层设备置检修时,需要执行遥控命令则必须检修状态一致,即该间隔测控也需要置检修。考虑到防止就地解锁操作时误入其他间隔,每个间隔设置了独立的解锁/联锁硬压板,正常运行时,所有间隔均处于联锁状态,当需要解锁操作某个间隔时需退出该间隔的联锁压板。

2)过程层

在过程层模件内设计了SV接收器与GOOSE收发器,如图4所示。SV接收器根据设备IEC 61850模型配置信息统一接收SV网络中的SV报文,再根据配置将各间隔的SV报文信息分发给各线路间隔的功能模块。GOOSE收发器在接收网络GOOSE报文时原理与SV接收器相同,此外GOOSE收发器还负责汇总各线路间隔的发送GOOSE报文,并统一发送。

图4 过程层功能结构图Fig.4 Function structure of process level

2.3 分组式测控的实现

1)线路分组测控

根据相似性集中原则,线路分组测控对同一母线上的多个功能相同的线路间隔进行集中,最多可集成8条线路,结构如图5所示。每个线路间隔均为线路间隔公用类的一个实例化对象,彼此独立。

图5 线路分组测控设计图Fig.5 Design of line bay-group control unit

数据共享方面，对于同期功能,所有间隔共享母线电压;对于五防功能,所有间隔共享母线及母联间隔相关开关及刀闸位置信息。由于每条线路相同位置的刀闸防误逻辑相同,因此只需对每种类型的刀闸配置一次五防逻辑,然后将逻辑中的对象与各间隔中的实际对象做映射。

2)3/2串分组测控

根据相关性集中原则,3/2串分组测控包含完整串中2个边开关间隔、1个中开关间隔以及2个线路间隔,共5个间隔,如图6所示。程序中设计了完整串中边开关、中开关以及线路间隔功能类,根据配置信息实例化各间隔。测控内共享了完整串内开关量与模拟量的信息,刀闸遥控的联闭锁信息基本不再依赖间隔间测控装置的站控层联闭锁GOOSE,提高了防误可靠性。

图6 3/2串分组测控设计图Fig.6 Design of 3/2 bay-group control unit

在SV采样值接收上,从串角度出发按单相母线电压通道、三相线路电压通道及三相边、中开关电流通道,共17个通道设计,接收后直接根据通道映射传递给相应间隔功能模块,完成所有频率、电压、电流及功率等电气量的计算。

3)母线及主变分组测控

与母线相关的间隔主要包括母线间隔,母联间隔及分段间隔,上述间隔的状态构成了不同的母线运行方式,因此母线分组测控可集成上述间隔功能。目前的母线测控装置最多可测量控制四条母线。母线分组测控以双母双分段结构为基础,在四母线测控的基础上集成了母联与分段间隔测控功能。该测控也可适用于单母线、双母线、双母分段等结构。

集成后的母线分组测控可完整采集母线相关的所有信息,对于母线状态的判断和倒母操作带来了便利。

主变分组测控相对来说较为简单,目前常规测控已有主变本体加三侧一体测控,分组式主变测控即该种测控的数字化版本。

3 基于分组式测控的新型监控系统架构

由于分组式测控采用了集中式技术,一台测控集中了若干间隔的功能,因此站内测控的数量将大大减少。为提高系统可靠性以及消除单套测控的弊端,分组式测控系统采用A,B双套冗余结构,其系统拓扑如图7所示。

3.1 设备连接

测控装置站控层采用双网模式,与现有测控方式相同。过程层设备连接方面存在3种连接方式:①单套接入,即双套测控分别只接入过程层A套设备;②双套分别接入,即过程层A套设备接入A套测控,过程层B套设备接入B套测控;③双套同时接入,即每套测控同时接入A,B套过程层设备。

图7 分组式测控网络架构Fig.7 Network structure of bay-group control unit

上述方案中第1种和第2种为单套设备接入方案,第3种方案为双套设备同时接入方案。由于A,B套智能终端与合并单元的信号并不完全相同,因此第2种方案下A,B套测控的模型并不完全相同。文献[9]介绍了该方案下间隔层设备和站控层设备对于冗余数据的处理方式。分组式测控双套冗余方案更多考虑解决目前单套测控无备用的问题,需要双套测控完全冗余,所以第2种设备接入方案不完全适用。

第3种方案为同时接入A,B套智能终端与合并单元,由测控装置完成双套冗余数据的选择与切换,文献[10]给出了该种方式下测控装置的实现。文献[11]介绍了双套设备同时接入时数据处理的方案。该方案下分组式测控接入的过程层设备数量将会翻倍,接收的GOOSE和SV数量也将翻倍。根据第2节中对报文流量的分析,单块过程层功能模件已不适合该模式,需要采用较为复杂的多过程层模件设计方式。

根据以上分析,本文中分组式测控过程层设备接入采用第1种方案,该方式也与目前测控接入方式相同。

3.2 运行方式

文献[4]中介绍了间隔测控双重化情况下的组网及切换方案,分组式测控组网也可采用该方案。根据分组测控的配置及网络架构,有2种相匹配的运行方式。

1)并行冗余运行

该运行方式下A,B套测控同时采集智能终端与合并单元数据,并同时上送后台远动,互为冗余备用。后台远动根据一定算法确定选择一套设备为当前运行主设备。正常运行时采用主设备上送的采集数据,遥控下行也选择主设备作为遥控执行端。

选择主设备的方法类似目前跨双网测控方式,即当A,B套设备均正常运行或均异常时,选择A套作为主设备,而当A套异常,B套正常时选择B套为主设备。而A套设备异常的判断包括通信是否正常、是否处于检修状态、数据品质是否正常等。

2)主备模式运行

主备模式也是冷备用模式,即规定A套为主测控和B套为备用测控。正常运行条件下运行A套。当A套故障或检修等情况下,退出A套,投入B套备用测控。该方式下后台无须进行冗余数据的处理及切换,任何情况下只有一套测控装置投入运行。

并行冗余方式的优势在于数据的无缝切换,不会丢失任何数据,但缺点在于后台系统需要同时接收双套测控装置的冗余信息,增加了处理难度。而主备模式,即冷备用模式无须增加后台任何负担,但缺点在于主测控退出及备用测控投入时发生的事件信息的丢失。

4 分组式测控的应用验证

在实验室环境下模拟搭建了双主变的500 kV智能变电站监控系统,如图8所示。采用双套冗余系统架构,使用了4台线路分组测控、6台母线分组测控、6台3/2串分组测控以及4台主变分组测控,共20台测控装置。若按目前间隔测控配置方式,该接线方式下共需要12台中压线路测控、2台中压母线测控、4台母联分段测控、15台3/2接线断路器及出线间隔测控、2台高压母线测控以及4台主变本体及中压侧测控,共计39台测控装置。

图8 验证变电站接线图Fig.8 Substation wiring diagram for verification

验证系统分别验证了并行冗余模式及主备模式两种运行方式,每种方式分别进行了正常运行时单个A套(或B套)分组测控、多个A套(或B套)分组测控故障退出及检修情况下的系统运行情况实验。正常情况下,各间隔测控功能正常,从后台看集中式测控与单间隔测控无明显区别。并行冗余方式下,当单台或多台A套分组测控检修或退出后,B套设备数据可以无缝衔接,A套退出判断时间内的信号数据可由B套历史库中补充,B套设备很好地起到了备用的作用;由于该方式下A套测控为主设备,因此当单台或多台B套分组测控检修或退出后间隔功能无影响。主备模式下当单台或多台A套测控退出运行后人工投入B套设备,此时间隔测控功能恢复。

在运维方面,分组式测控的检修与现有方式有所区别。二次设备检修方面,对于智能终端与合并单元的检修情况,由于信号自身带有检修品质,因此处理与现有情况相同。测控装置自身检修与现有情况稍有不同,由于测控采用双套冗余配置,则当单台测控需要检修时,可由另一台测控完成间隔功能,因此测控装置的检修将不再影响间隔测控功能。而单间隔检修软压板投入功能也确保了某间隔终端装置检修时遥控命令的顺利执行。

参考文献

[1] 智能变电站一体化监控系统建设技术规范:DW 679—2011[S].2011.

[2] 智能变电站一体化监控系统功能规范:DW 678—2011[S].2011.

[3] 樊陈,倪益民,窦仁晖,等.智能变电站一体化监控系统有关规范解读[J].电力系统自动化,2012,36(19):1-5.

FAN Chen, NI Yimin, DOU Renhui, et al. Interpretation of relevant specifications of integrated supervision and control systems in smart substations[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(19): 1-5.

[4] 刘永钢,熊慕文,尹凯,等.智能变电站双测控方案优化设计[J].电气技术,2016,17(1):97-100.

LIU Yonggang, XIONG Muwen, YIN Kai, et al. Optimization of dual bay control unit configuration in smart substation[J]. Electrical Engineering, 2016, 17(1): 97-100.

[5] 孙一民,刘永新,章立宗,等.智能变电站测控功能集中式冷备用装置的研制[J].电力系统自动化,2015,39(18):97-100. DOI: 10.7500/AEPS20150412002.

SUN Yimin, LIU Yongxin, ZHANG Lizong, et al. Research and application of centralized cold standby device for measurement and control function in smart substation[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(18): 97-100. DOI: 10.7500/AEPS20150412002.

[6] 蒋正威,杜奇伟,刘永新,等.智能变电站集群测控系统的研究及应用[J].电力科学与工程,2014,30(11):27-30.

JIANG Zhengwei, DU Qiwei, LIU Yongxin, et al. Research and application of virtual technology of measurement and control device for intelligent substation[J]. Electric Power Science and Engineering, 2014, 30(11): 27-30.

[7] 熊剑,刘陈鑫,邓烽.智能变电站集中式保护测控装置[J].电力系统自动化,2013,37(12):100-103.

XIONG Jian, LIU Chenxin, DENG Feng. Centralized protection and monitoring devices of smart substation[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(12): 100-103.

[8] Communication networks and system in substation: Part 9-2 specific communication service mapping(SCSM)—sampled values over ISO/IEC 8802-3: IEC 61850-9-2[S]. 2004.

[9] 彭志强,张小易,高磊,等.智能变电站二次系统双重化配置技术应用分析[J].江苏电机工程,2013,32(5):38-41.

PENG Zhiqiang, ZHANG Xiaoyi, GAO Lei, et al. Analysis on the implementation of secondary systems’ double configuration technology in intelligent substation[J]. Jiangsu Electrical Engineering, 2013, 32(5): 38-41.

[10] 龚世敏,刘朝辉,唐斌,等.智能变电站高压测控装置的应用解决方案[J].电力自动化设备,2011,31(12):92-96.

GONG Shimin, LIU Zhaohui, TANG Bin, et al. Application solution of high-voltage measurement and control unit in smart substation[J]. Electric Power Automation Equipment, 2011, 31(12): 92-96.

[11] 杨凯,余高旺,宋勇辉,等.智能变电站冗余数据处理方案的研究与应用[J].电力系统保护与控制,2015,43(12):150-154.

YANG Kai, YU Gaowang, SONG Yonghui, et al. Research and application of redundant data processing scheme for smart substation[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(12): 150-154.