智能變電站數字化錄波裝置硬件結構研究

王利群 黃丹丹

(1.成都電業局安全監察保衛部，成都 610061；2.成都電業局繼電保護所，成都610021)

數字化錄波裝置是伴隨著變電站自動化進程的不斷推進而產生的，是數字化變電站的產物。數字化變電站在邏輯結構上分為3個層次，根據變電站通信網絡和系統協議的定義，3個層次分別稱為過程層、間隔層、變電站層，3個層次的關系如圖1所示。

圖1 變電站自動化系統接口模型

合并單元和數字錄波裝置分別處于數字化變電站的過程層與間隔層。過程層是一次設備與二次設備的結合面，主要完成開關量輸入/輸出，模擬量采集和控制命令發送等與一次設備相關的功能。

IEC61850標準要求過程層的電子式互感器將一次側的電壓、電流等模擬量直接轉化為數字信號，通過通信網絡傳送至間隔層；數字式執行器能執行由通信網絡傳送的命令。間隔層設備主要實現控制和保護功能，并實現相關的控制閉鎖和間隔級信息的人機交互功能，間隔層設備可通過間隔層通信實現設備間相互對話機制。變電站層完成對站內間隔層設備、一次設備的控制及與遠方控制中心、工程師站及人機界面通信的功能。

適應計算機技術和網絡通信技術的飛速發展，數字化變電站已成為變電站自動化技術的發展方向。在過程層、間隔層及站控層上，按照IEC61850《變電站通信網絡和系統》標準，實現變電站內部以及變電站與集控站間的信息共享和互操作。目前國內已經有多個數字化變電站投入運行或開工建設，做為數字化變電站核心技術的光電電壓互感器和光電電流互感器陸續開始運行，高速網絡通信技術已經逐漸為國內主流二次設備廠家成熟掌握。過程層的合并單元，間隔層的二次保護、測量、控制單元，站控層的后臺軟件也日益開發完善。

傳統的電力故障錄波裝置對模擬量和開關量的采集需要通過硬電纜接入裝置，當系統需要擴容或需要改變采集的對象時往往很不靈活。而數字化變電站遵循IEC61850標準，一次設備電纜被數字光纖取代，即模擬量和開關量已經網絡化；數字化變電站實現了過程層設備數字化，間隔層設備網絡化，因此涌現出了數字化錄波裝置，它能滿足數字化變電站對錄波裝置提出的要求，是數字化變電站和錄波裝置不斷發展的共同產物。

為了更好的理解數字化錄波裝置的重要作用，先給出數字錄波裝置在智能變電站網絡結構中的位置，如下圖2所示。

圖2 數字錄波裝置在智能變電站中的位置

一、數字錄波裝置硬件結構

數字故障錄波裝置的硬件系統比傳統的故障錄波裝置要相對簡單。因為不再需要采集和數據變換，二次設備與設備之間通過高速通信網絡進行數據和信息交互，為變電站全站錄波帶來了極大的方便，節省了大量二次互感器電纜的投資。結合數字化變電站數據采集對象，硬件系統由故障記錄模塊和故障數據分析模塊組成，總體框架結構如圖3所示。

圖3 錄波裝置硬件基本結構

（1）故障通信記錄模塊硬件結構

數字錄波裝置的故障通信記錄模塊是整個裝置的核心，其硬件結構如下圖4所示，它將接收和解析由合并單元發送來的IEC61850-9-2報文和由保護控制單元的面向通用對象的變電站事件（GOOSE）報文，分別提取采樣值數據和開關量數據；在故障通信記錄模塊具有數據同步、故障錄波啟動判別、數據存儲以及數據通信功能。

圖4 錄波裝置故障通信記錄模塊硬件框圖

故障通信記錄模塊主要由錄波分析主機、網絡存儲器、打印機、液晶顯示器、鍵盤、鼠標等組成。錄波分析主機中包含千兆光纖采集卡、高性能嵌入式CPU板卡等。

LAN1主要采集模擬量數據；LAN2主要采集開關量數據；LAN3主要完成時鐘對時；LAN4主要完成與其他監控管理系統的通信；LAN5主要完成NAS網絡存儲器(Network Attached Storage)的交互。

（2）故障數據分析模塊硬件結構

數字錄波裝置的故障數據分析模塊結構如圖5所示。它主要完成故障啟動定值交互管理，故障數據格式轉換，故障錄波波形分析及數據通信等功能。這里的數據通信與故障記錄通信模塊中數據通信呼應，可利用以太網通信技術完成。

圖5 故障數據分析單元模塊結構

圖6 處理器與整個裝置硬件關聯圖

二、數字錄波裝置CPU的選擇

本文裝置通信記錄模塊選用的Power－PC8270處理器芯片為摩托羅拉的一款基于基于摩托羅拉MPC82xx處理器的嵌入式開發平臺，MPC82xx集成PowerPC處理器適用于那些對成本、空間、功耗和性能都有很高要求的應用領域，能完全滿足數字錄波各方面的需求。選用該芯片的原因有以下幾點：

（1）該芯片價格較低，目前市場價格每片只有兩千多元，而且存貨充足。

（2）該器件有較高的集成度，降低了功耗和加快了開發調試時間。這種低成本多用途的集成處理器的設計目標是使用PCI接口的網絡基礎結構、電訊和其它嵌入式應用。它可用于路由器、接線器、網絡存儲應用和圖像顯示系統。

（3）具有700MHz主頻的浮點DSP處理能力，可配置3個10Mbit/s或100Mbit/s自適應以太網口，2個10Mbit/s以太網口。

（4）使用ARM芯片的HPI接口，可以訪問內部的雙口RAM，從而實現芯片間快速、有效互聯。

DSP的快速數據計算能力，再加上ARM的通信能力保證了數據處理的實時性，也提高了系統的易操作、可擴展性。為實現數字錄波提供了良好的實用平臺。下面給出Power－PC8270處理器與整個錄波裝置的硬件關聯結構，如圖6。

SDRAM為同步動態存儲器；CPLD為復雜可編程邏輯器件

PowerPC嵌入式處理器具有強大的網絡通信能力和數據處理能力，豐富的外圍設備接口，伸縮性強，使用靈活，能很好的滿足錄波裝置要通信能力強的要求。

故障數據分析單元采用嵌入式Intel Pentium II處理器結構，處理器主要完成故障啟動定值交互管理，故障錄波波形分析以及與故障通信記錄模塊通信上的交互。

三、結論

數字化故障錄波裝置是以后錄波裝置研究的熱點，本文研究的智能變電站數字錄波裝置滿足數字化變電站發展要求，適應未來智能電網的需要，雖然所作的工作只是整個錄波裝置研制的一些前瞻性工作，具仍有一定的工程參考價值。

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