肖榮國，田 偉，劉 更，徐麗娟，鄭浩野，曾兵元

(1.黑龍江省電力有限公司，黑龍江哈爾濱150090;2.江蘇金智科技股份有限公司，江蘇南京211100)

0 引言

隨著數(shù)字化變電站建設(shè)、通信技術(shù)飛速發(fā)展以及電力光纖通信網(wǎng)的推廣應(yīng)用，建設(shè)基于實時廣域信息的廣域智能控制系統(tǒng)已經(jīng)具備了物質(zhì)條件［1］。因此，黑龍江省電力調(diào)度通信中心繼電保護處2008年開始廣域保護的研究探討工作，經(jīng)過多次組織專家進行調(diào)研，成立了由黑龍江省調(diào)繼電保護處和江蘇金智科技公司組成的科研小組，開始了廣域保護控制系統(tǒng)的研究。

1 廣域智能保護主機

1.1 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個廣域保護系統(tǒng)由主站設(shè)備及3個子站設(shè)備組成，如圖1所示。

圖1 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

子站設(shè)備由智能采集控制單元、同步裝置、通信設(shè)備組成，實際裝置分別安裝在220 kV尚志、賓州、亞布力變電站。子站主要完成信息采集、數(shù)據(jù)交換、與主站時鐘保持同步、保護跳閘、重合閘、一次設(shè)備操作等指令。主站設(shè)備由廣域保護主機、主時鐘、通信設(shè)備組成，實際裝置安裝在黑龍江電力調(diào)度通信中心繼電保護實驗室。主站主要完成廣域保護功能、同子站數(shù)據(jù)交換、時間同步等。交換機、同步裝置、以太網(wǎng)SDH轉(zhuǎn)換裝置、SDH(Synchronous Digital Hierarchy)光纖環(huán)網(wǎng)構(gòu)成了廣域智能保護主機外部光纖網(wǎng)絡(luò)通道，提供子站的IEC61850-9-2報文和GOOSE報文。

1.2 保護主機多種CPU結(jié)構(gòu)

廣域保護范圍是多個變電站區(qū)域內(nèi)所有設(shè)備，包括母線、主變及線路;常規(guī)微機保護范圍只是1座變電站內(nèi)的某個電力元件，例如線路或母線等。

無論常規(guī)微機保護還是廣域保護，按照內(nèi)部功能劃分，都可分為輸入模塊、保護功能模塊、輸出模塊及通信模塊。輸入模塊接收網(wǎng)絡(luò)報文，包括IEC61850-9-2報文和GOOSE報文，并對其進行解碼、計算，形成具體的采樣值和開關(guān)位置信息;保護功能模塊實現(xiàn)具體的保護控制邏輯，包括主保護、后備保護、重合閘等;輸出模塊發(fā)出跳閘命令、GOOSE報文等，用來實現(xiàn)開關(guān)的分合功能;通信模塊實現(xiàn)人機界面、報文存儲等功能［2］。

廣域保護與常規(guī)微機保護不同的是需要接收大量網(wǎng)絡(luò)報文，分析其具體的報文特點，再決定對應(yīng)具體的硬件結(jié)構(gòu)。

GOOSE報文流量與IEC61850-9-2報文流量相比可以忽略，因此主要按IEC61850-9-2報文分析流量。子站每個間隔每秒發(fā)送4 000 bps IEC61850-9-2報文，通常1 bps IEC61850-9-2報文不會超過200字節(jié)，這樣每個間隔發(fā)送的最大數(shù)據(jù)量是200×4 000×8=6.4 Mbit/s。如果光纖網(wǎng)絡(luò)接收模塊按照100 M設(shè)計、裕度20%考慮，最多可以接入12個間隔。

常規(guī)微機保護只需接收1個間隔或1個電力元件相關(guān)的幾個間隔，網(wǎng)絡(luò)接收流量不會超過100Mbit/s，同時保護邏輯算法相對簡單，因而輸入模塊、保護功能和輸出模塊可以由同一個CPU實現(xiàn)，通信模塊由通信CPU實現(xiàn)，兩者間數(shù)據(jù)交互通過異步串口實現(xiàn)［3-4］，如圖2所示。

圖2 常規(guī)微機保護硬件結(jié)構(gòu)

廣域保護范圍涉及多個變電站內(nèi)部和之間的多個電力元件，接入間隔數(shù)量較多;廣域保護邏輯相對復(fù)雜，按照其保護功能，又可分為差動主保護、后備保護、穩(wěn)定控制等。因此，廣域保護單個CPU無法集成輸入模塊、保護功能模塊、輸出控制模塊等，廣域保護主機必須采樣多CPU協(xié)同工作方式。

按照內(nèi)部功能劃分，可以分為網(wǎng)絡(luò)CPU、保護功能 CPU、通信 CPU。網(wǎng)路 CPU用來實現(xiàn)IEC61850-9-2報文、GOOSE報文的接收、解析、計算等功能;保護功能CPU用來實現(xiàn)具體保護邏輯;通信CPU實現(xiàn)通信功能，如圖3所示。

圖3 廣域智能保護主機硬件結(jié)構(gòu)

1.3 多種CPU結(jié)構(gòu)內(nèi)部通信方式比較

一套廣域保護主機可能需要多個網(wǎng)絡(luò)CPU、多個保護功能CPU。多種CPU之間需要交互數(shù)據(jù)，需要分析多種CPU之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c。假設(shè)廣域智能保護主機由3塊網(wǎng)絡(luò)CPU、2塊保護功能CPU和1塊通信CPU組成。3塊網(wǎng)絡(luò)CPU需要分別向2塊保護保護CPU發(fā)送采樣數(shù)據(jù)，按照每周波24點采樣數(shù)據(jù)和其它相關(guān)信息，考慮實際每點數(shù)據(jù)量1 500字節(jié)，則每塊網(wǎng)絡(luò)CPU發(fā)送的數(shù)據(jù)流量是1 500×8×1 200=14.4 Mbit/s;單個保護保護CPU需要接收3個網(wǎng)絡(luò)CPU采樣數(shù)據(jù)，這樣單個保護CPU就需接收14.4×3=43.2 Mbit/s的數(shù)據(jù)量，同時單個保護CPU還需和通信CPU進行信息交互。

網(wǎng)絡(luò)CPU需要接收保護CPU的控制報文，同時還需要與通信CPU進行信息交互。多種CPU間信息交互如圖4所示，其中粗線表示相互間數(shù)據(jù)交互流量較大，細(xì)線表示相互間數(shù)據(jù)交互流量相對較小。

圖4 多種CPU間信息交互圖

通常CPU間通信方式有異步串口通信、同步串口通信、PCI總線方式通信3種方式。

異步串口通信(UART)一般用于低速非實時數(shù)據(jù)傳輸，通常波特率在幾kbit/s到幾十kbit/s，即便波特率采用230 400 b/s，也很難滿足43.2 Mbit/s的內(nèi)部數(shù)據(jù)交互要求。

同步串口通信一般用于高速實時數(shù)據(jù)通信，由于收發(fā)同步，傳輸速率得到極大提高，可以達到66 Mbit/s，因此在數(shù)據(jù)流量上能夠滿足內(nèi)部數(shù)據(jù)交互要求［5］。但是，同步串口是點對點的聯(lián)系，通常CPU提供的同步串口不超過2個，以單個保護CPU為例，它需要接收來自3個網(wǎng)絡(luò)CPU的數(shù)據(jù)，無法滿足要求，同時這種方式可擴展性差，當(dāng)系統(tǒng)需要增加新間隔、廣域智能保護主機需要增加新的網(wǎng)絡(luò)CPU時，同步串口的點對點連接限制使現(xiàn)有保護CPU與通信CPU同步串口接線都需要重新設(shè)計。

PCI總線方式通信是由Intel公司1991年推出的一種局部總線?？偩€時鐘頻率為33.3 MHz/66 MHz，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為133 Mbit/s，能夠滿足數(shù)據(jù)流量的要求［6］。

多種CPU可以通過PCI總線相連，并被分配獨立的地址。當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)起者(Master)首先需得到仲裁器(Arbiter)的許可，然后向?qū)?yīng)目標(biāo)地址的設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，這樣就有效解決同步串口點對點連接的限制。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)新增加CPU時，只需將其與PCI總線相連，并分配獨立的地址，就可無縫接入原有系統(tǒng)，系統(tǒng)的可擴展性得到了提高。這種結(jié)構(gòu)同一時刻只允許1個CPU向另1個CPU傳輸數(shù)據(jù)，雖然不是點對點連接，但是也屬于點對點通信。當(dāng)1塊網(wǎng)絡(luò)CPU需要向2塊保護CPU傳輸數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡(luò)CPU需要分別發(fā)送，大大增加了網(wǎng)絡(luò)CPU負(fù)擔(dān)，影響實時數(shù)據(jù)傳輸。

通過比較多種CPU之間傳輸?shù)膱笪?，保護CPU接收的采樣報文、網(wǎng)絡(luò)CPU接收的控制報文屬于優(yōu)先級高的報文，保護CPU與通信CPU之間的通信報文屬于優(yōu)先級低的報文。采用PCI總線方式時，當(dāng)優(yōu)先級低的報文一直占用總線時，優(yōu)先級高的報文得不到響應(yīng)，這對廣域保護來說是不允許的。3種通信方式各有其缺陷，如表1所示。

表1 3種通信方式特點比較

1.4 基于Gbit交換機的通信方式

本文提出了一種基于Gbit交換機原理實現(xiàn)的通信方式。多種CPU直接與內(nèi)部交換機相連，通過交換機實現(xiàn)內(nèi)部通信報文的交互。

在流量控制方面，內(nèi)部交換機按1 000 M設(shè)計，完全能夠滿足要求。交換機轉(zhuǎn)發(fā)報文方式有廣播、點播、組播等。通過組播方式，可以實現(xiàn)多種CPU之間多對多通信。當(dāng)1個網(wǎng)絡(luò)CPU需要向2個保護CPU發(fā)送數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡(luò)CPU只需發(fā)送1次，加入對應(yīng)的組使保護CPU都能夠接收到該報文。交互的報文格式基于IEEE 802.1P，其報文格式如圖5所示。

圖5 基于IEEE 802.1P的以太網(wǎng)報文格式

在圖5中，TCI是標(biāo)簽控制信息字段，包括用戶優(yōu)先級(User Priority)、規(guī)范格式指示器(Canonical Format Indicator)和VLAN ID;User Priority定義用戶優(yōu)先級，包括8個優(yōu)先級別。IEEE 802.1P為用戶優(yōu)先級位定義了操作。通過賦予報文不同的User Priority，可以實現(xiàn)以太網(wǎng)報文優(yōu)先級的區(qū)分。由于對以太網(wǎng)報文進行優(yōu)先級的設(shè)置，高優(yōu)先級的報文首先轉(zhuǎn)發(fā)，低優(yōu)先級的通信報文就不可能打斷高優(yōu)先級的采樣、GOOSE報文。

2 具體硬件配置

黑龍江省電力有限公司與金智科技公司共同研究的廣域保護系統(tǒng)，針對的子站分別是220 kV尚志、賓州、亞布力變電站。每個子站間隔數(shù)量都不超過10個，網(wǎng)絡(luò)CPU板配置3塊，保護CPU板配置2塊，實現(xiàn)主保護、后備保護和穩(wěn)定控制。通信CPU板配置1塊。

保護CPU板網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理流量大，保護邏輯較為復(fù)雜，CPU選型為TI 6455，主頻高達1 GHz，具備強大的網(wǎng)絡(luò)處理能力，支持Gbit網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)CPU板主要實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)IEC61850-9-2采樣報文接收、GOOSE報文接收以及GOOSE跳閘發(fā)送，采用AD Blackfin 537，支持100 M網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理。通信CPU板采用Intel IXP420芯片，主要實現(xiàn)相關(guān)人機通信功能。整個廣域智能保護主機結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 廣域保護主機結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

1)基于Gbit交換機通信方式的多種CPU協(xié)同工作的保護主機結(jié)構(gòu)，在傳輸流量控制、系統(tǒng)可擴展性、傳輸效率、傳輸?shù)膬?yōu)先級控制具有優(yōu)越性，能夠完全滿足廣域保護主機要求。

2)廣域智能保護主機在2012年6月已經(jīng)順利通過華中科技大學(xué)動模測試，取得良好的效果。廣域智能保護主機硬件結(jié)構(gòu)已經(jīng)在黑龍江省調(diào)度中心正式投運，運行正常，并且該結(jié)構(gòu)已經(jīng)申請實用新型專利。

［1］劉振亞，欒軍.智能電網(wǎng)知識問答［M］.北京:中國電力出版社，2010:9.

［2］薛禹勝.時空協(xié)調(diào)的大停電防御框架:從孤立防線到綜合防御［J］. 電力系統(tǒng)自動化，2006，30(1):8-16.

［3］薛禹勝.時空協(xié)調(diào)的大停電防御框架:廣域信息、在線量化分析和自適應(yīng)優(yōu)化控制［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30(2):1-10.

［4］薛禹勝.時空協(xié)調(diào)的大停電防御框架:各道防線內(nèi)部的優(yōu)化和不同防線之間的協(xié)調(diào)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30(3):1-10.

［5］李碧君，許劍冰.大電網(wǎng)安全穩(wěn)定綜合協(xié)調(diào)防御的工程應(yīng)用［J］. 電力系統(tǒng)自動化，2008，32(6):25-30.

［6］易俊，周孝信.電力系統(tǒng)廣域保護與控制綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(8):7-12，30.