關于合并單元和智能終端應用模式的探討

劉 曦，朱繼紅

（1.溫州電力局，浙江 溫州 325000；2.南瑞繼保工程技術有限公司，南京 211100）

0 引言

隨著數字化變電站的發展以及IEC 61850協議的不斷推廣，數字化變電站的建設已由理論研究階段走向工程實踐階段，目前數字化變電站已經向智能化邁進。數字化變電站的特點是一次設備的智能化，二次設備的網絡化和運行管理系統的自動化。在邏輯結構上又可以分為過程層、間隔層和站控層3個層次。

在這里著重討論過程層的設備。過程層被定義為一次設備與二次設備的結合面，或者說過程層即為電氣設備的智能化部分。過程層的主要功能有∶系統運行時電氣量實時檢測；運行設備的狀態參數檢測；操作控制執行與驅動。

合并單元和智能終端作為過程層中的重要設備，是體現智能化水平的主要標志，一直備受關注。合并單元作為電子式互感器的不可缺少一部分，實現了將不同的電壓電流信號合并、同步以及進行協議轉換的功能。智能終端則通過快速通信功能（GOOSE）實現了對開關整間隔的完整控制，包括對斷路器、隔離閘刀和地刀等的控制和相關的狀態信號采集。合并單元和智能終端的出現大大改變了傳統變電站大量電纜硬接線的局面，轉而采用光纖替代傳統電纜，并采用數據共享的方式減少了布線的復雜程度，減少了人工維護的工作量，充分體現了數字化變電站的巨大優勢。

1 合并單元的應用

合并單元（Merging Unit）用于二次設備之間的信息交換，主要用于連接數字化輸出的電子式互感器與保護、測控及表計。隨著數字化變電站的建設，合并單元的含義也有所擴展。在進行傳統變電站數字化改造的過程中，由于一次側的常規互感器運行年限未到，在改造時為了節省成本不更換為電子式互感器，所以出現了不接收數字量而是直接采集常規模擬量的合并單元。再如1個線路間隔的合并單元即采集常規的三相電流電壓信號同時又接收電子式互感器的母線電壓信號。圖1即為一種應用場合比較復雜的合并單元。

圖1 不同原理互感器混用場合

圖1展示了不同原理互感器應用的一種模式，同一個合并單元的輸出又可以根據實際的情況有所改變。眾所周知，IEC 60044-8最大的優點就是所有的數據同步和數據傳輸均不依賴于GPS對時，這是由于其點對點傳輸模式和固定傳送延遲所決定的。同樣是使用了固定傳送延遲的概念解決了原來IEC 61850-9-2嚴重依賴GPS對時和交換機網絡的情況。

點對點的IEC 61850-9-2除了支持點對點功能的同時，同時也支持交換機組網的傳輸方式。這樣既解決了由于組網方式帶來的對GPS對時和交換機過度依賴的風險，又解決了數據共享的問題。圖2為采樣值組網方式和點對點共存的示意圖。

圖2 點對點IEC 61850-9-2應用

2 智能終端的應用

智能終端作為過程層中的重要設備，實現了對斷路器間隔的完全控制（斷路器間隔包括斷路器、接地刀閘和隔離刀閘）。由于IEC 61850-8-1標準中的GOOSE也是通過組網方式來進行傳輸，不可避免地對交換機也產生了較大的依賴，雖然可以通過雙網的模式降低交換機帶來的風險程度，但不能從根本上解決問題。在《智能變電站繼電保護技術規范》中，同樣對GOOSE提出了點對點的運行模式。明確指出繼電保護設備與本間隔智能終端之間通信應采用GOOSE點對點通信方式；繼電保護之間的聯閉鎖信息、失靈啟動等信息宜采用 GOOSE網絡傳輸方式。點對點的GOOSE應用模式同樣也解決了可靠性和數據共享兩方面的問題。

智能終端的GOOSE應用較傳統操作箱在安全性方面得到較大幅度提高。一方面，由于采用光纖進行信號傳輸，所以抗電磁干擾性能有較大提升；另外一方面，由于采用了數字信號通信的邏輯連接方式，可以實現在線物理連接斷鏈檢測，實現了在線智能告警。

隨著數字化變電站的推廣和建設，雖然智能終端的技術也日趨成熟，但對于各大二次設備生產廠家而言，還是有一些問題需要解決。

比如智能終端的就地安裝運行環境問題，雖然終端設備安裝在智能控制柜中，但戶外溫度、濕度和沙塵等環境因素都會給設備運行帶來考驗，目前已有智能終端在戶外安全運行近2年的經驗，但還有待長期考驗。

再如遙信和遙控數量可擴刪的問題。對于不同電壓等級的間隔對遙信和遙控的數量有著不同的需求。如果智能終端支持可模塊化擴充和刪減，則無論從經濟性和安全性方面都會帶來較大的好處。

3 合并單元和智能終端的新型應用模式

目前在建的許多數字化變電站均采用了合并單元和智能終端就地安放的方式，在110 kV及以下電壓等級的變電站中，由于多數采用單配置原則，即只有1套保護、合并單元和智能終端，所以智能控制柜的空間使用問題還不是很突出。但在220 kV及以上電壓等級的變電站中，由于采用雙重化配置，即有2套獨立的保護，2套獨立的合并單元，2套獨立的智能終端。如果保護也采用就地放置的原則，1個智能控制柜中要安放6個單元設備，這還不包括將來可能加入的開關在線監測等設備，如圖3所示。

圖3 常規就地智能控制柜

就地安裝原則在高電壓等級變電站中對本來空間就比較緊張的智能控制柜提出了較高的要求。當然也可以把雙重化配置的設備安放在兩個獨立的智能控制柜中，但這無疑又增加了占地和數字化變電站建設的成本。

設想如果把合并單元和智能終端作為一體化設備（這里暫且稱為“合并終端一體化設備”），則可以很好地解決智能控制柜的安裝問題，又可以節省大量的建設資金，不失為一種較好的應用模式。如圖4所示。

圖4 改進后一體化的就地智能控制柜

4 合并單元和智能終端一體化的可能性

4.1 負載率分析

合并單元作為數據同步的關鍵性設備，需要同步三相保護、測量電流和三相電壓，可能還需要同步外接零序電流和間隙零序電流等，加上雙A/D采樣后需要同步的信號多的時候可能達到20路左右，發送速率一般為4 kHz，信號間的同步通常使用插值方式來進行。

以ADI公司的BF534 DSP為例來進行說明。浮點方式的插值每路大概需要8 μs，這樣1個采樣中斷20路信號需要處理數據的時間為20×8＝160 μs，再加上其它程序占用45 μs左右， 則 4 kHz采樣率時DSP的負載率約為（160+45）/250＝0.82?？梢娯撦d率還是比較高的。由于插值的DSP負載比較高，所以一般還會有另外一個DSP來進行以太網IEC 61850-9-2組包和發送。以BF537 DSP為例，組包和發送的時間約為40 μs，加上其它程序占用30 μs，DSP負載率約為（40+30）/250＝0.28。

而智能終端由于實時性要求沒有合并單元那么高，處理報文的中斷時間設為833 μs即可。以BF537 DSP為例，完成1個GOOSE報文接收解碼和發送編碼的時間約為220 μs（以600字節GOOSE報文長度為例），加上智能終端各種邏輯程序時間 40 μs， DSP 負載率為（220+40）/833＝0.312。

由上面的數據分析可見，合并單元單獨IEC 61850-9-2的發送對DSP資源的占用不是很多；智能終端單獨GOOSE接收和發送對DSP資源的占用也不是很多。所以完全可能將IEC 61850-9-2和GOOSE報文的處理放在一個DSP上完成，設計時只需要保證IEC 61850-9-2運行優先級比GOOSE優先級高，保證IEC 61850-9-2的實時性即可。

4.2 一體化后的單元體積

目前國內的二次設備生產廠家合并單元體積大小不一，有標準整層4U的，有標準整層1U的，也有寬度為半層4U的?？傮w來說裝置空間空余比較多，可用空間還比較大。智能終端隨著電壓的不同，1個間隔內對遙控和遙信數量需求也有所不同。隨著電壓等級提高相應遙控和遙信的數量也會相應增加，如500 kV的智能終端一般需要80路左右遙信接點，30路左右遙控接點，另外還包括6路左右4～20 mA（或者0～5 V）的傳感器模擬量。所以大多均以標準整層4U裝置來進行設計，裝置空間剩余不多。

從上面的分析可知由于合并單元對空間的需求較小，為合并單元和智能終端的合并在裝置空間上提供了可行性。

4.3 合并單元和智能終端的復用性

由于合并單元和智能終端均為過程層設備，分別使用IEC 61850-9-2和GOOSE傳輸數據，雖然協議不同，但都是通過光纖以太網組播發送的方式來傳輸數據，所以理論上物理端口雙方是完全可以復用的。假設一個合并終端一體化設備提供了10個光接口，那么可以根據現場的使用情況進行配置，如6個用于GOOSE，4個用于采樣傳輸（SMV）；或者4個用于GOOSE，6個用于SMV；甚至當GOOSE和SMV采用共網模式時，可以配置2個用于GOOSE+SMV，4個用于GOOSE，4個用于SMV。圖5顯示了采用一體化裝置后接口的減少數量。

圖5 采用一體化裝置后光接口數量改變

關于信號復用的問題，比如當合并單元需要進行電壓切換的時候，就需要知道線路和母線間的隔刀位置，而智能終端本身具備位置信號采集功能，當采用合并終端一體化設備時，位置信號可以在裝置內實現共享，合并單元就無需為了獲取位置信號再占用1個GOOSE交換機光接口，節約了交互機和裝置2個光接口。又如，目前建設的數據化變電站由于合并單元數量眾多，為了節約交換機光接口，一般合并單元告警采用裝置硬接點的方式通過測控進行告警，告警時也無法知道具體的告警內容，必須到合并單元裝置端進行查詢才能定位。采用合并終端一體化的方式，在不增加成本的基礎上，合并單元和智能終端的裝置告警信息可以通過GOOSE上送，增加了裝置的信息透明度，也為問題定位帶來了極大的方便。

以浙江溫州某110 kV數字化站為例，其主接線采用內橋接線模式，在方案設計時2條進線開關和橋開關均配置了合并終端一體化裝置。合并終端一體化裝置除了完成開關、刀閘的采集及控制功能外，還完成電壓、電流模擬信號的采集并轉化為數字信號后以SMV+GOOSE點對點的方式輸出給保護裝置。一般保護裝置需要2個光接口和一個間隔智能操作箱和合并單元連接，而采用合并終端一體化裝置后保護只需要1個光接口即可。在高電壓等級變電站中，當智能操作箱和合并單元均需和多個保護裝置點對點連接時，節省的光接口數量可觀。

4.4 一體化的實際應用

目前國內二次設備生產廠家中，南瑞繼保在這方面的研發工作走在了前列，推出了PCS-222D、PCS-222E兩大系列合并終端一體化裝置，該系列產品基于HTM高速串行總線的UAPC平臺能使多DSP并行處理，能將電子式互感器合并單元和智能終端合為一體，也能將常規采樣合并單元和智能終端合在一起。裝置已在浙江金華500 kV芝堰變、河南洛陽110 kV金谷園以及浙江溫州110 kV數字化站工程中得到了應用，并取得了良好的運行效果。

5 結語

分析了合并單元和智能終端的單獨應用模式，合并終端一體化裝置實現的可能和方法。一體化裝置可以共享一個機箱，一塊電源板，可以共享CPU進行數據和報文處理，可以共享以太網光接口，節約了就地安放智能控制柜的空間，也節約了變電站建設用地，能夠帶來很好的社會效益，符合國家建設智能電網的初衷。為此可以大膽預測，這種一體化模式具有非常廣闊的應用空間，值得在智能電網中推廣應用。

[1]殷志良，劉萬順，楊奇遜，等.變電站自動化過程層與間隔層串行通訊研究[J].中國電力，2004，32（7）∶25-29.

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