2023新一代智能变电站采控装置

新一代智能变电站采控装置引言随着合并单元、智能终端等大量应用，智能变电站建设规模逐年扩大[1-4]。在智能变电站中，合并单元和智能终端是非常重要的设备，但是这类设备在安全、可靠、稳定性等方面不够成熟[5-6]。目前，大量智能变电站采用“智能终端+合并单元过程层设备[7-11]，合并单元和智能终端按照间隔配置，其性能好坏关系着智能变电站的可靠性。目前设备故障率比常规保护的故障率要高的多，甚至达到2倍以上。由于单一设备故障可能造成多套保护不正确动作[12-13]。造成高故障率的原因为合并单元及智能终端的报文一般为一帧报文，且在处理这些报文时均通过单核中央处理器，一旦单核中央处理器出现异常往往会导致误动[14-15]。2015年中国南方电网有限公司为提升过程层设备的可靠性，发布了《关于印发防止变电站全停十六项措施（试行）的通知》，规定智能变电站采用常规互感器时，应通过二次电缆直接接入保护装置”，该规定有利于电网安全稳定运行，防止变电站全站停电[16-17]。同时国家电网有限公司发布《IEC61850工程继电保护应用模

型》标准，避免了因各制造厂商数据类型不统一导致的数据类型冲突问题[18]。上述工作在一定程度上缓解了智能变电站的突出问题，但从根本上解决问题还需要更深层次的探索，需要从装置软硬件、整站方案、运维模式等方面做开创性思考[19-20]。早年通用电气公司推出了符合IEC61850标准的变电站过程层总线解决方案，该方案通过光纤与保护控制装置进行了数据交换[19]。方案中采控装置作为过程层设备，遵循IEC61850标准，为数字化变电站间隔层、站控层设备提供电压、电流信号、刀闸等状态量信息以及完成相应控制执行操作[20-27]。一旦采控装置运行异常，误动或拒动都会造成严重事故，严重时会造成全变电站失电。本文立足于提高继电保护的可靠性和降低电网设备故障率，提出一种高可靠芯片智能采控装置平台的整体架构和设计原则，并阐述相关的关键技术。智能采控装置运行方式智能采控装置包含合并单元部分和智能终端部分。合并单元部分采集现场的电压和电流信号，发送采样值（SV）报文给保护装置。智能终端部分采集现场的断路器位置、刀闸位置、遥信信号等信号，控制断路器和刀闸分合状态。智能采控装置根据现场的运行环境有3种运行方式。）全数字化方式。通过光纤传输将采集到的电压和电流量数字量送给采控装置，采控装置将收集到各光纤通道的电压、电流进行重采样后，把所有的采集量转化到同一时间断面发送给保护装置，保护装置收到SV报文后，进行保护逻辑判断。）就地数字化方式。采集执行单元配置电流互感器（CT）和电压互感器（PT）连接一次CT、PT，并对信号进行滤波，然后完成模数转换，获得离散数字信号，时间对齐处理后组成SV报文通过交换机发送给保护装置。（3）常规采样面向通用对象的变电站事件（GOOSE）跳闸。保护装置直接采集现场的一次CT和PT的信号，进行保护逻辑判断，根据系统的运行状态，通过GOOSE报文向采控装置发出跳合闸信号，采控装置收到跳合闸命令并确认无误后进行开关分合操作。采控装置硬件设计智能采控装置采集电压、电流信号，通过SV报文上送给保护装置。采集断路器位置信号以及其他必要的开关量，通过GOOSE报文给保护装置。保护装置与采控装置之间仅采用一根光纤连接，减少光缆数量以及二次回路的复杂性。为了提高可靠性，采控装置由中央处理器（CPU）插件、交流插件、开入插件、开出插件、直流插件、智能开入开出插件、跳闸插件、合闸插件和电源插件组成。CPU芯片CPU选用Xilinx公司的ZYNQXC7Z015芯片，该芯片采用28nm先进工艺，集成丰富的外设，核心处理器为2个Cortex-A9内核，同时集成了可编程逻辑阵列和部分常用外设，性能强大，可靠性高。与过去采用嵌入式处理器不同，其不仅能在开机时启动并独立运行，还可根据需要配置可编程逻辑，采用以处理器为中心的开发流程。电源芯片根据CPU芯片及单板上其他外设的电源需求，选定Linear半导体公司的多路合一DC/DC电源芯片LTC3374A。该芯片具有8通道输出，每个通道相互独立。通道额定电流为1A。通道间可任意组合得到更大功率的输出，最高输出到达

4A。通道可实现各种组合的上电时序控制。单板设计时，根据板件需要独立采用DC/DC芯片进行2次变压，产生板件自身所需要的各种电压。以太网芯片以太网芯片是智能采控装置的关键芯片之一，其性能好坏影响整个变电站的稳定性。CPU插件和Master插件需要配置多个以太网接口，如选用单口以太网的芯片不但会占用较大面积，而且需要大量的数据线与以太网接口，给FPGA造成很大负担，而且会增加单板功耗。基于以上原因，选型MARVELL公司的8口PHY芯片88E3082。共有8个端口，每个端口支持电口和光口模式，可以灵活配置，任意组合。除了CPU芯片、电源芯片和以太网芯片之外，其余的芯片均采用高可靠性的芯片，以提升硬件的可靠性[22-23]。采控装置软件设计及关键技术母线电压无缝选择技术间隔采控装置现状现有智能站中母线采控装置直接采集母线电压并实现并列功能[24-25]。各间隔采控装置通过级联母线的SV报文来获得母线电压。拓扑结构如图1所示。间隔采集控制装置间隔采集控制装置母线采集控制装置…PT2PT1Ⅱ母母联Ⅰ母间隔采集控制装置间隔采集控制装置图1采集执行单元级联连接Fig.1Acquisitionexecutionunitcascadeconnectiondiagram现有方式只有1台母线采集装置采集母线电压，完成电压并列功能，通过点对点方式给各间隔装置，采集执行单元收到级联的母线电压后重采样与本装置采集的数据组成同一个SV报文发送给各保护装置。当母线采集装置有异常时，退否取B套 是否取B套 是检查B套数据插值 数据正否A套填写对齐数据库根据模型文件从对齐数据库取数据填写SV报文取A套数据插值是A否是自动选取把手合检查把手位置填写B套实时数据库填写A套实时数据库B套A套SV来源于A套还是B套是SV报文否丢弃报文检查该SV报文是否为订阅报文是否检查该网口是否有网络风暴 丢弃报文是丢弃报文否从MAC中获得以太网报文解析以太网报文88BAHFPGA发送SV报文母线电压无缝选择功能为充分利用2套母线采控装置，每个间隔采集装置同时级联2套母线采控装置，拓扑结构如图2所示。间隔采集 间隔采集间隔采集 间隔采集控制装置 控制装置…间隔采集控制装置PT2母线采集 母线采集控制装置A 控制装置PT1Ⅱ母母联Ⅰ母图2采集执行单元级联无缝选择级联Fig.2CascadediagramofseamlessselectionofacquisitionexecutionunitcascadeA套、B套母线采控装置为全冗余配置，均采集2段母线电压，进行并列逻辑操作后通过点对点方式级联到各间隔采控装置，采控装置收到2套母线电压后，分别放入A套母线电压数据库和B套母线电压数据库，判断当前选取装置的母线电压。无缝选择软件流程如图3所示。参与判断的SV报文异常特征包括：报文接收抖动超标、处于检修状态、品质位异常、有丢帧状态下报文发送无效。当某台设备发生上述异常，而另一套设备没有上述异常，自动切换到另一台母线电压作为本间隔的母线电压，发送到各保护间隔。如2套母线采集装置均异常时，保持在当前状态。由于现场的情况比较复杂，为了人工参与，设置了选A套、选B套和自动选择3个选择把手。延时可测交换技术组网方式下，不同间隔的SV报文转发到同一保护设备，存在网络冲突可能。交换机采用存储转发机制来解决网络冲突，报文在交换机内的驻留时间受报文长度、发送队列优先级等因素的影响。采用多级交换机时，每一级交换机的存储转

图3无缝选择软件流程Fig.3Seamlessselectionofsoftwareflowcharts发延时会累积到过程层网络的总体传输延时中，因此，组网方式下SV报文的传输延时并不确定。如果能够对SV报文在交换机中的驻留时间进行记录并添加到报文中，保护装置通过获取报文的驻留时间就可以还原报文原始采样时刻，进行同步处理。实现交换机的SV报文延时可测是实现设备可靠的而关键技术之一。通过交换机的交换延时累加功能，将报文在整个交换网络中的传输延时传递给下游保护装置，使得组网模式下系统也不再依赖于变电站的时钟信号，提升了可靠性。交换机从接收到SV数据帧的第一个比特开始到按设定规则将该SV数据帧转发出交换机需要经过一定的处理时间，该处理时间即为SV数据帧的交换延时，交换机将该值在SV数据帧的特定位置进行累加，可为订阅设备提供数据帧在整个网络中传输时延，从而回溯到该SV数据帧发布的准确时刻。为了实现延时可测，在SV报文中设置交换延时累加值（ART）字段。交换延时累加功能遵循以下规定。分辨率8ns，字长24位，最大值为0xFFFFFF；对符合规范要求的数据帧进行ART累加；默认情况下，溢出标志位（OVF)置为0；累加过程中，若发现ART计数器溢出或由于硬件故障等原因无法完成ART累加时，将OVF标志位置1，ART值保持不变；ART累加功能和IEC62351系列规约使用了相同的保留字段，出于兼容性考虑，当使用IEC62351功能时，交换机将OVF标志位设为1，保留字段保持不变；交换机检测到OVF标志位为1时，保持SV数据帧的保留字段不变；SV数据帧长度为64～1522字节，交换机

端口线速转发时，交换延时累加功能正常工作；交换延时累加的准确度优于200ns。过程层组网方式技术对于双母线接线，当母线采集单元异常或检修时，导致所有的间隔单元的母线电压均异常，使得该母线的所有保护装置都将处于不正常状态。针对过程层组网的这些问题，新一代母线采控装置具有并列功能，再级联到间隔采控装置，有2ms延时。经延时可测交换机装置接入结构如图4所示，该方法保障了设备的速动性。间隔的电压、交换机间隔的电压、交换机间隔采集 电控制装置延时可测母线采集控制 并列后电装置B套母线采集控制 并列后电装置A套保护/测控装置图4经延时可测交换机装置接入结构Fig.4Structureofdelaymeasurableswitchdevice为防止一台母线采集单元故障或检修波及所有的间隔采集单元，进而影响到该母线的所有保护装置，将每台间隔采集装置级联2台冗余的母线单元。启动电流采集和保护出口电流采集分不同的CPU，进一步提高装置可靠性。综合上述改进，整个系统拓扑结构如图5所示。采集执行单元采集执行单元出口控制启动控制交流信号A套母线单元B套母线单元交流信号交流信号FPGAFPGAFPGASV1+SV2GOOSE1+GOOSE2SV1+SV2SV1+SV2SV1+SV2GOOSE1+GOOSE2启 保动 护CPUCPU智能保护FPG保护CPU启动CPU母线电压保护CPU启动CPU母线电压出口继电器启动继电器保护CPU启动CPUAC延时可测交换机图5经延时可测交换机全冗余硬件结构Fig.5Fullyredundanthardwarestructureofdelayswitch采样值同步插值技术智能采控装置需要使用插值算法进行数据同步。目前常用的插值方法包括：线性拉格朗日插值、二阶拉格朗日插值、牛顿插值等。以线性拉格朗日插值为例进行谐波误差分析。按照采样原理，设备定时采样，依次得到2个采样点(xk−1yk−1)(xkyk)，其中xk为采样时间；yk为该时刻的采样值；k为采样序号。本文构造近似函数L1(x)为

PT接地刀闸。间隔采控装置可采集各段间隔电压、电流，依据出现的刀闸位置进行电压切换逻辑，根据电压切换逻辑结果选取所采集的母线电压并填入SV报文中，采集间隔断路器、刀闸位置送给保护装置，同时接收保护和测控的遥控命令控制断路器、刀闸和接地刀闸。3.6 采控装置一键式运维一键式调试和运维是以装置为最小单位，用1 k L(x)=yx−xk−1+y x−1 k xk−xk−1 xk−1−xk

（1 一个调试口、一套调试运维工具对装置内所有的软件、配置进行下载、上传、备份。通过插值函数L1(x)得到的采样点相对于原始信号曲线给出的值是一种观测值”，与原始信号曲线上的“真实值”有一定的误差。对所有点误差进行求导和积分运算，可以得到一阶拉格朗日插值的最大理论误差R1为

将新一代智能采控装置内的配置信息数目、特征字、存储特征等信息生成一个装置运维的配置文件，存放在智能运维系统中。由一键调试运维工具解析这个配置文件，针对每个软件或配置形成含存储、通讯等信息的数据帧。maxR1

=A4.93×

（2 采控装置一键调试方案包括：（1）一键下载程序和配置。智能运维系统连接到智能采控装置式中：N为采样点个数；A为幅值；m为谐波次数。根据类似的方法可以计算出二阶拉格朗日插值的最大理论误差R2为NmaxR2=A0.512×(m×π)3 （3N当采样点个数为80时，不同次谐波误差如表1所示。表1N=80时各次谐波的理论计算误差Table1TheoreticalcalculationerrorsofeachharmonicwhenN=80谐波次数/次R1R210.00080.0000220.00300.00020130.13000.04000150.48000.30000在智能采控装置中采用了二阶拉格朗日进行数据同步，以提高采样精度，便于保护装置和录波器等记录和分析。3.5 采控装置标准化设计母线采控装置可采集各段母线电压，依据母联位置和强制并列把手的状态进行并列逻辑，根据并列逻辑结果选取所采集的母线电压填入SV报文中，采集PT刀闸位置送给保护装置，同时接收保护和测控的遥控命令控制PT刀闸和

调试口，通过以太网下发所有应用程序、FPGA程序和所有配置