丁 毅，葉品勇，郭 曉，徐頔飛，尹 軍

（國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210003）

0 引言

IEC61850將智能變電站自動化系統(tǒng)分為站控層、間隔層、過程層3層設(shè)備，其中繼電保護(hù)裝置屬于間隔層設(shè)備[1-2]。相比于常規(guī)變電站，智能變電站在過程層采用智能電子設(shè)備（IED）完成開關(guān)量／模擬量采集和控制命令發(fā)送等與一次設(shè)備相關(guān)功能，并以數(shù)字信號方式經(jīng)由過程總線與繼電保護(hù)裝置等間隔層設(shè)備通信[2]。過程總線應(yīng)用簡化了繼電保護(hù)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但對其功能和性能提出新的要求，包括多間隔高速以太網(wǎng)通信、采樣值（SV）接收與同步處理、GOOSE報文收發(fā)、基于IEC61850模型的功能配置以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性保證等[3]。

基于以太網(wǎng)的過程總線技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，采用快速、交換式以太網(wǎng)技術(shù)，SV及GOOSE報文在過程總線上傳輸?shù)膶崟r性和可靠性已得到充分驗證[4-6]。而組網(wǎng)和點對點這2種過程總線應(yīng)用模式的提出，要求繼電保護(hù)裝置必須提升其通信及處理能力以接收過程總線數(shù)據(jù)[7]。一般采用功能獨立的分立模件分別實現(xiàn)過程總線數(shù)據(jù)接收處理、繼電保護(hù)邏輯運算等功能，模件之間采用直接通信或使用兼容 CAN 總線的 FlexRay 總線交換數(shù)據(jù)[2，8]。 通過增加通信模件僅能擴(kuò)展有限過程總線通信能力，且裝置內(nèi)部數(shù)據(jù)流和配置流程復(fù)雜；而FlexRay總線數(shù)據(jù)傳輸速率偏低，不能滿足智能變電站多間隔通信要求，且硬件接口和配置參數(shù)復(fù)雜。

針對以上問題，本文提出一種基于背板總線的繼電保護(hù)裝置平臺架構(gòu)，優(yōu)化裝置內(nèi)部面向過程總線數(shù)據(jù)流和配置流程，簡化裝置功能和參數(shù)配置。在擴(kuò)展繼電保護(hù)裝置通信和計算能力的同時，提升裝置接入過程總線的靈活性。

1 過程總線功能設(shè)計

1.1 主變保護(hù)測控一體化裝置典型配置

智能變電站繼電保護(hù)裝置與一次設(shè)備的直接電氣連接被獨立于一次設(shè)備的IED代替，包括合并單元和智能終端[9-10]。以110kV智能變電站主變保護(hù)測控一體化裝置為例，該裝置與過程層IED典型連接配置按功能分類如圖1所示，包括高、中、低壓三側(cè)及其他部分共接入5個合并單元、11個智能終端，均通過過程總線接入。圖中每側(cè)方框左邊為SV接入，右側(cè)為GOOSE接入。

圖1 110kV主變保護(hù)測控一體化裝置過程總線功能接入Fig.1 Aggregation of process bus functions in integrated measuring and control device of 110kV primary transformer protection

繼電保護(hù)裝置與過程層IED之間連接方式分組網(wǎng)和點對點2種[7]。結(jié)合110kV主變保護(hù)測控一體化裝置，繼電保護(hù)裝置過程總線相關(guān)功能描述為[5，10]：

a.多端口高速以太網(wǎng)通信，滿足點對點和組網(wǎng)2種應(yīng)用模式要求，實現(xiàn)多間隔通信；

b.SV接收，具備IEC61850-9-2報文解碼及處理能力；

c.支持GOOSE報文處理，按應(yīng)用層配置實現(xiàn)狀態(tài)量、模擬量、整數(shù)、品質(zhì)屬性、時標(biāo)等信息收發(fā)；

d.結(jié)合IEC61850模型實現(xiàn)過程總線功能靈活配置；

e.過程總線通信狀態(tài)監(jiān)視，提供異常告警功能。

1.2 功能總體設(shè)計

110kV智能變電站主變保護(hù)測控一體化裝置由保護(hù)模件、測控模件、監(jiān)控模件以及若干通信模件組成，其功能總體設(shè)計如圖2所示，點劃線表示地址線。過程總線數(shù)據(jù)由通信模件接入，裝置采用背板總線對數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理。

圖2 總體功能設(shè)計Fig.2 Design of overall functions

圖2中背板總線連接各模件，背板地址線唯一標(biāo)識模件。保護(hù)模件、測控模件以及監(jiān)控模件等應(yīng)用模件功能可分應(yīng)用、以太網(wǎng)接口以及總線驅(qū)動3個部分。其中應(yīng)用功能由主控制器完成，各應(yīng)用模件實現(xiàn)不同應(yīng)用功能；以太網(wǎng)接口和總線驅(qū)動功能由現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）芯片實現(xiàn)，以太網(wǎng)接口配合硬件接口完成多路以太網(wǎng)收發(fā)[11]。

背板總線在各分立模件間建立物理通信連接。通過總線可擴(kuò)展模件間靈活的邏輯連接，滿足模件間多樣的通信要求，實現(xiàn)裝置面向過程總線程序、配置、數(shù)據(jù)以及通信狀態(tài)監(jiān)視一體化。

2 背板總線設(shè)計

2.1 單模件功能及通信接口設(shè)計

圖3 單模件功能及通信接口Fig.3 Functions and communication interfaces of single module

單模件功能及通信接口如圖3所示。其中虛線部分僅在應(yīng)用模件中包含，以主控制器為中心完成應(yīng)用功能；其余部分應(yīng)用模件和通信模件共有，由FPGA芯片實現(xiàn)；單模件向外提供的通信接口包括背板總線和以太網(wǎng)口。

圖3中取自背板總線的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾分類后分別處理。其中配置報文用于功能配置；轉(zhuǎn)發(fā)報文透明轉(zhuǎn)發(fā)至以太網(wǎng)口，緩存報文通過本地總線交由主控制器處理，兩者均可為GOOSE報文和SV報文。從以太網(wǎng)口接收的報文分為轉(zhuǎn)發(fā)報文和SV報文2種，前者透明轉(zhuǎn)發(fā)至背板總線，后者經(jīng)同步、插值以及采樣率調(diào)整后重新組幀再轉(zhuǎn)發(fā)至背板總線。

主控制器亦具備雙向數(shù)據(jù)傳輸能力。接收數(shù)據(jù)通過查詢緩沖區(qū)獲?。话l(fā)送數(shù)據(jù)先通過本地總線寫入排序緩存區(qū)，再由總線驅(qū)動發(fā)送。

2.2 背板總線通信協(xié)議[12-13]

基于背板總線的通信協(xié)議層次關(guān)系如圖4所示，分應(yīng)用數(shù)據(jù)層、傳輸控制層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層4層。物理層包含時鐘線、控制線以及可配置的數(shù)據(jù)線；數(shù)據(jù)鏈路層為協(xié)議核心，其數(shù)據(jù)幀由7段組成，如圖5所示。

圖4 通信協(xié)議層次關(guān)系圖Fig.4 Hierarchical relation of communication protocol

圖5 數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀F(xiàn)ig.5 Data frame of data link layer

仲裁段標(biāo)注報文優(yōu)先級和源地址，令牌段保證總線控制正確輪轉(zhuǎn)，以上2段與空閑段、幀起始段采用異步傳輸方式；控制段標(biāo)注目的地址；數(shù)據(jù)分靜態(tài)段和動態(tài)段兩部分，包含傳輸控制內(nèi)容和應(yīng)用數(shù)據(jù)，其中靜態(tài)段占用固定時隙，動態(tài)段按需分配時隙；校驗段校驗數(shù)據(jù)傳輸正確性。以上4段采用同步傳輸方式。

數(shù)據(jù)鏈路層主要完成以下功能：

a.數(shù)據(jù)在單模件間按模件地址進(jìn)行單播／組播／廣播式數(shù)據(jù)傳遞；

b.基于優(yōu)先級進(jìn)行總線沖突仲裁，按令牌環(huán)輪詢原理，通過優(yōu)先級設(shè)定實現(xiàn)多主通信，保證每個模件均能有效占用總線時間；

c.總線數(shù)據(jù)傳輸校驗及異常處理。

傳輸控制層根據(jù)報文類型提供可靠通信連接控制和簡單不可靠信息傳送服務(wù)；數(shù)據(jù)鏈路層功能由FPGA芯片實現(xiàn)；傳輸層及以上通信協(xié)議由主控制器完成，其中傳輸控制層保證通信可靠性，應(yīng)用數(shù)據(jù)層擴(kuò)展接入數(shù)據(jù)類型。

3 數(shù)據(jù)流設(shè)計

3.1 背板總線通信報文設(shè)計[11]

應(yīng)用數(shù)據(jù)報文可分為3類：初始化報文，需進(jìn)行傳輸確認(rèn)，包括程序下載、配置傳輸?shù)?；強實時性報文，無需進(jìn)行傳輸確認(rèn)，包括SV和GOOSE報文；弱實時性報文，需進(jìn)行傳輸確認(rèn)，包括總線和通信狀態(tài)監(jiān)視報文。定義傳輸控制層報文格式如表1所示。

表1 傳輸控制層報文Tab.1 Message of transfer control protocol layer

表1中源地址和目的地址均為模件地址；幀標(biāo)志／報文編號字段用于長報文傳輸；應(yīng)用數(shù)據(jù)類型可擴(kuò)展。在需進(jìn)行確認(rèn)傳輸時，確認(rèn)報文把收到的應(yīng)用數(shù)據(jù)類型最高位取反，源地址和目的地址顛倒后原樣發(fā)回，發(fā)送端收到后進(jìn)行是否重發(fā)判斷。

3.2 SV 處理及同步[9]

SV在背板總線傳輸報文分2類：一類直接透明傳輸；另一類經(jīng)同步、插值及采樣率轉(zhuǎn)換后采用內(nèi)部SV報文格式傳輸，其處理在通信模件完成，步驟如圖6所示。

圖6 SV處理過程Fig.6 Processing of SV

合并同步模塊完成多個合并單元之間數(shù)據(jù)同步與合并，包括點對點時間同步和組網(wǎng)計數(shù)器同步2種模式?？偩€各應(yīng)用模件對數(shù)據(jù)采樣率要求不盡相同，需專門模塊完成插值同步和采樣率轉(zhuǎn)換處理。報文組幀模塊經(jīng)抽取處理后按表2所示格式進(jìn)行內(nèi)部SV報文組幀處理。

表2 背板總線內(nèi)部SV報文格式Tab.2 Format of internal SV message of backboard bus

從圖6可知，主控制器可分別從以太網(wǎng)口和背板總線接收SV數(shù)據(jù)。過程層SV接入裝置后的同步分點對點和組網(wǎng)2種模式，點對點模式下由監(jiān)控模件發(fā)送同步信號至各模件完成同步；組網(wǎng)模式時僅需按序號進(jìn)行同步處理。

3.3 透明傳輸數(shù)據(jù)流

GOOSE報文和SV報文均支持背板總線透明傳輸，其數(shù)據(jù)流如圖7所示。

圖7 透明傳輸數(shù)據(jù)流Fig.7 Data flow of transparent transmission

如圖7所示，單模件向裝置外提供8個以太網(wǎng)口；虛線框表示虛擬以太網(wǎng)口用于連接背板總線。所有以太網(wǎng)口收發(fā)共享統(tǒng)一內(nèi)存區(qū)，根據(jù)配置轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，包含虛擬以太網(wǎng)口，所有端口數(shù)據(jù)均等同處理，共有以下3條數(shù)據(jù)流：

a.以太網(wǎng)口收到報文后經(jīng)背板總線轉(zhuǎn)發(fā)至其他模件；

b.以太網(wǎng)口收到報文后經(jīng)背板總線轉(zhuǎn)發(fā)至報文緩存區(qū)由主控制器查詢解碼；

c.其他模件數(shù)據(jù)經(jīng)背板總線轉(zhuǎn)發(fā)至報文緩存區(qū)由主控制器查詢解碼。

3.4 配置信息及下載[14]

總線配置信息包括程序和功能兩部分，所有配置流程由監(jiān)控模件完成。程序配置可分主控制器和FPGA兩部分；功能配置由IEC61850模型導(dǎo)出，其流程如圖8所示。

圖8 過程總線功能配置流程Fig.8 Configuration of process bus functions

資源信息指面向裝置的軟硬件資源；系統(tǒng)配置工具、IED配置工具以及調(diào)試工具均為支持智能變電站 IED 開發(fā)工具軟件[15]；ICD、SSD、SCD、CID 4 個文件為IEC61850模型標(biāo)準(zhǔn)文件[16]。臨時功能配置文件下載至監(jiān)控模件，調(diào)試工具增加私有配置信息生成功能配置文件。結(jié)合程序配置，監(jiān)控模件過程總線配置步驟如下：

a.上電后加載自身程序并開始運行；

b.通過背板總線查詢其他模件有無程序更新，如有則通過總線下載；

c.解析功能配置文件，通過總線下傳配置信息；

d.總線各模件配置結(jié)束后回傳報文至監(jiān)控模件，全部配置完成后監(jiān)控模件下發(fā)正式運行報文；

e.總線上某模件異常重啟后，與該模件相關(guān)的程序和配置都應(yīng)重新加載。

4 試驗驗證[9-10]

基于背板總線開發(fā)的110kV主變保護(hù)測控一體化裝置應(yīng)用于某智能變電站工程，已完成工程試驗驗證。裝置背板總線共有5個節(jié)點模件，其數(shù)據(jù)交互如圖9所示。

圖9 主變保護(hù)測控一體化裝置總線模件數(shù)據(jù)交互Fig.9 Data exchange of bus module in integrated measuring and control device of primary transformer protection

通信模件1和2以點對點模式分別接入過程總線SV和GOOSE，SV占用5個以太網(wǎng)口，GOOSE占用11個以太網(wǎng)口。SV中電壓和保護(hù)電流輸入保護(hù)模件，采樣周期點數(shù)為24點；電壓和測量電流輸入測控模件，采樣周期點數(shù)為80點。GOOSE以透明轉(zhuǎn)發(fā)方式傳輸，其中與跳閘相關(guān)部分分別輸入保護(hù)模件和測控模件，其他僅輸入保護(hù)模件。程序和配置由監(jiān)控模件在初始化階段下傳，監(jiān)視信息長周期查詢，因此僅通信模件數(shù)據(jù)需實時傳遞。

總線配置帶寬為320 Mb，最長報文傳輸時間約為40.15 μs，實際輪轉(zhuǎn)周期等于最長報文傳輸時間和總線節(jié)點數(shù)目的乘積，而輪轉(zhuǎn)周期受SV采樣率控制。測控模件每周期80點采樣，輪轉(zhuǎn)周期最短為250 μs，則模件節(jié)點數(shù)最多為6個，滿足110kV主變保護(hù)測控一體化裝置2個通信模件節(jié)點的要求。

GOOSE報文在變位重傳時對總線負(fù)荷有影響。經(jīng)驗證，11個間隔GOOSE變位同時傳遞，報文傳輸時間約為30 μs，不影響SV傳遞，且其延時小于250 μs。

5 結(jié)論

本文提出一種基于背板總線的繼電保護(hù)裝置面向過程總線功能解決方案?；诠δ芎托阅芤笤O(shè)計了該方案總體架構(gòu)，分析了總線數(shù)據(jù)流以及基于IEC61850模型的配置流程。設(shè)計的背板總線配置簡單，功能可靠，優(yōu)化了繼電保護(hù)裝置面向過程總線數(shù)據(jù)流?；诒嘲蹇偩€設(shè)計的110kV主變保護(hù)測控一體化裝置已應(yīng)用于某智能變電站工程，滿足繼電保護(hù)裝置面向過程總線功能和性能要求。后續(xù)可擴(kuò)展背板總線功能至集中式保護(hù)和站域保護(hù)等應(yīng)用場合。