李少卿，程　立，劉永鋼，熊慕文，張建華(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102)

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一種多功能集成的海外遠方數(shù)據(jù)終端的研制

李少卿，程立，劉永鋼，熊慕文，張建華
(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102)

摘要：RTU（Remote Terminal Unit）在海外自動化市場中占據(jù)著非常重要的地位,功能需求也在不斷變化。文中針對海外老站改造及新建站對IO采集、通訊接入及高級應(yīng)用的需求，提出了一種多功能集成的RTU終端設(shè)計思路。該終端采用面向?qū)ο笤O(shè)計思想，分解和細化各項功能到各個子系統(tǒng)。IO采集子系統(tǒng)提供了基本的硬信號接入功能，通訊功能子系統(tǒng)提供了更穩(wěn)定、更龐大的規(guī)約庫支持，高級應(yīng)用子系統(tǒng)提供改善電網(wǎng)經(jīng)濟運行的附加功能。研發(fā)成功的RTU終端已經(jīng)成功應(yīng)用在新加坡等地，運行結(jié)果可靠穩(wěn)定，能夠滿足用戶需求。

關(guān)鍵詞：海外；RTU；多功能；子系統(tǒng)

RTU（Remote Terminal Unit）系統(tǒng)作為變電站自動化一個歷史產(chǎn)物，早期在變電站得到了大規(guī)模的應(yīng)用，其特征是將站內(nèi)多個間隔的數(shù)據(jù)集中采集，并結(jié)合遠動功能，將變電站四遙數(shù)據(jù)上送到調(diào)度中心，從而實現(xiàn)無人值班。這在早期變電站及后期的中低壓變電站得到了大規(guī)模的應(yīng)用[1-3]。海外欠發(fā)達國家受限于經(jīng)濟發(fā)展水平，電力行業(yè)技術(shù)門檻較低，未形成綜合自動化概念；較發(fā)達國家注重經(jīng)濟性，人力資源成本較高，RTU老站改造為綜自系統(tǒng)成本高，而傳統(tǒng)的RTU簡單可靠、IO配置靈活、投資成本低，因此在欠發(fā)達地區(qū)和發(fā)達地區(qū)都有一定的市場。在這些地區(qū)，用戶的需求還是基于傳統(tǒng)的RTU模式，希望RTU能夠接入更多AI/BI/BO。一方面是由于這些地區(qū)的自動化水平還處在相對較低的階段，對于自動化的要求還局限在簡單的數(shù)量上，另一方面用戶考慮到經(jīng)濟性，不愿意改造為綜自系統(tǒng)[4]。

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，海外電網(wǎng)的自動化[5]水平逐步提高，用戶對于傳統(tǒng)的RTU也提出了更多功能需求?，F(xiàn)場新投入的IED設(shè)備一般都支持IEC 61850[6]規(guī)約，而老的RTU系統(tǒng)往往只支持傳統(tǒng)的IEC 101/IEC 104/modbus[7，8]等規(guī)約，缺少面向?qū)ο蟮腎EC 61850模型支撐，因此海外RTU研制不能按照以往的技術(shù)思路來進行開發(fā)研制，而應(yīng)從模型支撐、多功能集成的角度，為用戶提供更便捷、更經(jīng)濟、更開放的功能服務(wù)，以期提升電網(wǎng)的運維水平?；谝陨铣霭l(fā)點，研制了多種功能集成的海外RTU裝置。硬件上采用高性能OMAP及浮點DSP，軟件上采用功能模塊化的設(shè)計思想，從模塊化、標準化、可重用化方面進行設(shè)計，可兼顧交流和直流采樣，將各類功能分布完成。同時通過內(nèi)部高速數(shù)據(jù)總線進行實時數(shù)據(jù)交換，這種分布式系統(tǒng)具有良好的擴展性，軟硬件升級簡單。

1　系統(tǒng)設(shè)計

1.1硬件架構(gòu)設(shè)計

裝置由管理CPU插件、DSP插件、交流插件以及IO采樣插件4大部分組成。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

管理CPU和DSP插件采用雙核處理，其中CPU主頻為700 MHz，主要負責裝置的管理工作。

DSP插件主要負責模擬量采集計算/控制輸出的計算。采用高性能浮點DSP作為處理器，最高主頻為600 MHz，片內(nèi)有256 kB空間，用來存放指令和部分數(shù)據(jù)，外部擴展的128 MB高速DDR2用來存放大批量數(shù)據(jù)。前端采用16位高精度并行AD，保證裝置對采樣的高精度要求。

交流插件負責采集常規(guī)模擬量輸入，通過模擬量總線傳輸給其他插件的AD前端。

IO插件為智能插件，配置單片機，獨立完成開入/直流輸入信息采集，并可進行開出/直流輸出，主頻達到133 MHz。

一個裝置機箱最多可配置20塊插件（包括電源板）。除了管理CPU插件和電源插件外，其余插件均可以根據(jù)實際應(yīng)用需要靈活配置。各個板卡各司其職，眾多板卡協(xié)同配合完成目標應(yīng)用功能。

為解決多塊高性能插件間大量的數(shù)據(jù)實時可靠交換，開發(fā)了高速數(shù)據(jù)總線技術(shù)，有效地解決了裝置內(nèi)各插件間大容量高速數(shù)據(jù)的傳輸問題。同時采用了CAN總線用于系統(tǒng)初始化管理報文交互，以及板卡間變量交換。

1.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

海外RTU裝置為了做到分布式、智能化、易擴展，將軟件分為“系統(tǒng)軟件”和“應(yīng)用軟件”兩大塊。應(yīng)用軟件基于系統(tǒng)軟件的支持，完成具體目標功能的實現(xiàn)。系統(tǒng)軟件作為應(yīng)用軟件與硬件之間的聯(lián)系橋梁，負責為應(yīng)用軟件實現(xiàn)I/O通信，以及完成應(yīng)用軟件執(zhí)行的調(diào)度和管理。裝置包含多個插件，這些插件必須協(xié)調(diào)、配合才能一起完成應(yīng)用任務(wù)。因此在裝置的系統(tǒng)軟件中，使用管理程序來負責管理、協(xié)調(diào)多個插件高效、有序地工作。管理程序示意圖如圖2所示。

圖2　管理程序示意圖

管理CPU插件基于嵌入式Linux[9]操作系統(tǒng)，包含了完成裝置管理任務(wù)的管理程序和裝置的各種應(yīng)用功能模塊，包括SOE事件記錄、錄波、對時、通訊、存儲、液晶顯示等功能模塊。其他各插件的程序由各種應(yīng)用功能模塊和系統(tǒng)程序模塊組成。系統(tǒng)程序模塊完成硬件驅(qū)動、插件管理、以及應(yīng)用功能模塊的任務(wù)調(diào)度、管理等功能。

2　功能實現(xiàn)

海外RTU裝置將各項功能可在不同的插件上進行了分布式實現(xiàn)，并可根據(jù)實際的需要進行功能地擴展。為了做到功能易于擴展、軟硬件升級方便。設(shè)計應(yīng)能夠做到模塊化、標準化、可重用化。將各項功能按照子系統(tǒng)的原則進行劃分，各子系統(tǒng)之間相互獨立又保持相應(yīng)接口。子系統(tǒng)內(nèi)功能模塊采用強內(nèi)聚、松耦合的原則，獨立完成一個特定的應(yīng)用功能。

2.1IO子系統(tǒng)實現(xiàn)

子系統(tǒng)內(nèi)完成兩段母線、8個間隔的計算，總共6個電壓、24個電流，所有的采樣[10]和計算模塊均根據(jù)標準要求，放在同一中斷采用輪轉(zhuǎn)的方式計算，以期均分DSP負荷、降低負載。

2.1.1計算與控制指標

具體的功能指標如下：

（1）實時監(jiān)測和顯示電壓、電流、頻率；

（2）計算15次諧波有效值；

（3）計算同期電壓、同期角度，選擇同期合閘點；

（4）實現(xiàn)遙控出口功能，且保證遙控分/合閘脈沖的精確控制；

（5）實現(xiàn)遙調(diào)出口功能，且保證直流輸出的精確控制；

（6）實現(xiàn)檔位的采集與滑檔的控制。

2.1.2功能模塊劃分

海外RTU計算控制功能模塊的劃分考慮按照2個原則進行劃分。（1）按IEC 61850邏輯節(jié)點功能進行劃分；（2）模塊便于維護，一個程序模塊完成所有子功能。

基于以上2個原則，應(yīng)用程序按照功能可以劃分為表1中的幾個功能模塊。

表1　海外RTU計算主要功能模塊

表1中各個主要功能模塊之間聯(lián)系關(guān)系由它們的輸入輸出關(guān)系來確定。表1中各個主要功能模塊之間的聯(lián)系關(guān)系圖如圖3所示。

圖3　主要功能模塊關(guān)系圖

2.2通訊功能子系統(tǒng)

通訊功能作為RTU功能的重要一部分，擔任數(shù)據(jù)匯總及轉(zhuǎn)發(fā)的角色，具有遠方NCC調(diào)度中心通訊及站內(nèi)IED設(shè)備接入的功能。裝置采用Linux操作系統(tǒng)，通訊功能按照模塊化進行設(shè)計，每個模塊單獨為一個進程，由此分解為若干軟件子系統(tǒng)，分別實現(xiàn)相對獨立的功能。系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。其中包含實時庫、歷史庫、對上規(guī)約、對下規(guī)約等若干個子系統(tǒng)。

圖4　通訊系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.1實時庫子系統(tǒng)

實時庫子系統(tǒng)用于保存全站裝置上送的數(shù)據(jù)值和IEC 103[10]模型，為對上規(guī)約子系統(tǒng)、對下規(guī)約子系統(tǒng)、人機界面子系統(tǒng)等提供統(tǒng)一的實時數(shù)據(jù)訪問接口。為保證數(shù)據(jù)訪問的實時性，實時庫保存在共享內(nèi)存中，為其他子系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)的快速訪問。

2.2.2歷史庫子系統(tǒng)

歷史庫子系統(tǒng)基于嵌入式數(shù)據(jù)庫MySQL，通信裝置采集的歷史數(shù)據(jù)均保存在MySQL，歷史庫子系統(tǒng)提供相應(yīng)的函數(shù)訪問接口，并周期性地從實時庫子系統(tǒng)轉(zhuǎn)存實時數(shù)據(jù)，從各個規(guī)約模塊獲取突發(fā)信息。

2.2.3對上規(guī)約子系統(tǒng)

對上規(guī)約子系統(tǒng)支持大多數(shù)目前主流的對上規(guī)約，包括IEC 103對上規(guī)約，IEC 101/104對上規(guī)約以及Modbus，DNP3.0，CDT等對上規(guī)約，負責與采用不同規(guī)約的主站通訊。對上IEC 103規(guī)約模塊支持對全站設(shè)備建立IEC 103數(shù)據(jù)模型；IEC 101/IEC 104等其他對上規(guī)約模塊直接從實時庫中獲取數(shù)據(jù)，無需建立數(shù)據(jù)模型。

2.2.4對下規(guī)約子系統(tǒng)

對下規(guī)約子系統(tǒng)主要用于建立與站內(nèi)裝置的通訊，主要支持IEC 61850裝置和IEC 103裝置，因此該子系統(tǒng)也包括2個主要的模塊：即對下IEC 61850模塊和對下IEC 103模塊。對于非IEC 61850和IEC 103裝置，由另外的對下小規(guī)約模塊與其建立通訊，將相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成IEC 103模型記錄到實時庫。

2.2.5GPS時鐘同步子系統(tǒng)

GPS時鐘同步子系統(tǒng)是指通信裝置軟件中實現(xiàn)GPS標準時間接收以及時間發(fā)布功能的子系統(tǒng)，并且需要考慮統(tǒng)一處理的時鐘源優(yōu)先級。時間同步的接口種類需要支持網(wǎng)絡(luò)NTP、網(wǎng)絡(luò)103、B碼、差分、串口報文等。

2.2.6人機界面子系統(tǒng)

裝置人機界面是通信裝置人機交互的接口，是調(diào)試維護人員查看通信裝置運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)庫實時狀態(tài)的窗口，也是進行參數(shù)配置的重要手段。人機界面子系統(tǒng)包括指示燈、鍵盤操作、液晶顯示等功能。

2.2.7邏輯子系統(tǒng)

負責對遙信點的信號進行與、或、非等運算、對遙測點進行比較等運算、對控制邏輯進行編輯，實現(xiàn)遙控閉鎖和聯(lián)鎖等擴展功能。

2.3高級應(yīng)用子系統(tǒng)

在常規(guī)功能的基礎(chǔ)上，利用組態(tài)工具實現(xiàn)了一些高級應(yīng)用的功能，如順控服務(wù)器[12]、VQC[13]、小電流接地選線[14]等功能。

2.3.1順控服務(wù)器

順控服務(wù)器的主用任務(wù)是執(zhí)行預(yù)先設(shè)定好的程序化操作，程序化操作可分解為2個基本元素：步和態(tài)；其表征為一個順序化指令，每一“步”包含一個確定的指令集；“步”與“步”之間的轉(zhuǎn)換為“態(tài)”的遷移。其中每一“步”的激活可以由相應(yīng)的條件確定，當條件滿足時，進行當前步操作；當達到某個目標態(tài)后，停止原有活動的前驅(qū)“步”，并當下個條件滿足時，激活后繼“步”。

當多個步相互之間以確定的順序，組成態(tài)的轉(zhuǎn)換時，就形成了一個完整的程序化操作的網(wǎng)絡(luò)，亦稱之為“程序化操作票”。

2.3.2VQC

VQC的目的是自動控制變電站的電壓和無功以滿足經(jīng)濟運行的要求?？刂品椒ㄍǔ２捎酶淖冎髯兎纸宇^檔位和投切電容器組來改變系統(tǒng)的電壓和無功?？刂撇呗圆捎檬哂驁D原理，即在常見的九域圖中再細分8個小區(qū)。每個區(qū)的動作方案可自動整定，也可根據(jù)特殊情況手動修改設(shè)置。在自動整定時能按以下5種方式進行自動整定：只考慮電壓、只考慮無功、電壓優(yōu)先、無功優(yōu)先、電壓無功同優(yōu)先級。

VQC模塊同時具備多種閉鎖功能，其中閉鎖分為自動復歸和手動復歸2種?！詣訌蜌w’表示在狀態(tài)返回時，該閉鎖自動返回；‘手動復歸’表示程序保持該閉鎖信號，在狀態(tài)返回時，該閉鎖信號并不返回，繼續(xù)閉鎖，只有通過復歸操作后才能返回。

2.3.3小電流接地選線

小電流接地選線一般有S注入法、有功分量法和5次諧波方向法。RTU裝置采用基于5次諧波突變量的選線方法。5次諧波電流突變量有2個特點：

（1）對于故障線路，正常相與故障相的5次諧波電流突變量大小不等，方向相反;

（2）故障線路與非故障線路的故障相相比，5次諧波電流突變量大小不等,方向相反。

所以，當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時（A相接地），可以利用2個判據(jù)來選線。

判據(jù)1：對于每回出線，如果故障相（A相）和非故障相相比，有ΔAj（5）≥k1ΔIBj（5）或ΔAj（5）≥k1ΔCj（5）成立，則可以判斷出該線路發(fā)生單相接地故障,并發(fā)出故障信號。

3　工程實踐

本文研制的RTU裝置已成功在新加坡電力公司投入運行。新加坡電網(wǎng)以花瓣形環(huán)網(wǎng)為主，各個站點之間以手拉手方式構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，供電可靠性高。通訊結(jié)構(gòu)以ethernet modem構(gòu)成環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，各RTU通過ethernet modem與gateway通訊。規(guī)約采用IEC 104，暫未采用安全加密措施[15]?，F(xiàn)場投運的站點共有3個站，分別為Buona Vista，Holland rd和Connation rd，其中Buona Vista站點為gateway，Holland rd和Connation rd為RTU，如圖5所示。

圖5　新加坡現(xiàn)場運行圖

4　結(jié)束語

本文采用了大系統(tǒng)劃分為子系統(tǒng)的原則，將IO采集、通訊接入及高級應(yīng)用劃分為各個子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)中又采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，充分考慮了程序的開放性、通用性以及可重用性，開發(fā)出多功能集成的海外RTU監(jiān)測裝置。

該裝置提供了高度集成的功能，具有良好的通用性和擴展性，充分滿足用戶復雜多變的需求，同時簡化了日后的維護升級工作，提高了系統(tǒng)的生命周期。該裝置已在新加坡等國家成功運行。實踐證明，該裝置滿足了海外市場對RTU裝置的新需求。

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李少卿（1977），女，江蘇南京人，工程師，從事電力系統(tǒng)自動化研發(fā)及測試方面工作；

程立（1977），男，陜西咸陽人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)自動化研發(fā)方面的工作；

劉永鋼（1984），男，山西平遙人，工程師，從事變電站自動化系統(tǒng)、數(shù)字化變電站系統(tǒng)研發(fā)工作；

熊慕文（1981），男，江西南昌人，工程師，從事變電站自動化系統(tǒng)、數(shù)字化變電站系統(tǒng)、IEC 61850及支撐協(xié)議研發(fā)工作；

張建華（1986），男，河南省林州人，工程師，從事變電站自動化系統(tǒng)、數(shù)字化變電站系統(tǒng)研發(fā)工作。

Development of a Multifunctional Integrated Remote Terminal Unit for the Overseas

LI Shaoqing, CHENG Li, LIU Yonggang, XIONG Muwen, ZHANG Jianhua
(Nanjing Nari-Relays Electric Co. Ltd., Nanjing 211102, China)

Abstract：RTU (Remote Terminal Unit) plays a very important role in the oversea automation market, and the user's function need is changing. According to the renovation of old station and building of new station in the overseas, for the needs of IO acquisition, communication access and advanced applications, a multifunction integrated RTU design is proposed in this paper. A method of object-oriented, decomposition and refinement of the function to each subsystem is used in RTU design. IO acquisition subsystem provides access to the basic function of the hard signal, communication subsystem provides more stable and large protocol libraries, and advanced application subsystem provides additional features to improve the economic operation of the power grid. The RTU terminal has been successfully applied in Singapore and the operation is reliable and stable. The proposed RTU can meet the needs of users.

Key words：oversea; RTU; multifunction; subsystem

作者簡介：

收稿日期：2015-10-22；修回日期：2015-12-03

中圖分類號：TM76

文獻標志碼：A

文章編號：1009-0665（2016）02-0056-04