一種廣域智能保護主機的硬件結構

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

隨著數字化變電站建設、通信技術飛速發展以及電力光纖通信網的推廣應用，建設基于實時廣域信息的廣域智能控制系統已經具備了物質條件［1］。因此，黑龍江省電力調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，經過多次組織專家進行調研，成立了由黑龍江省調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的研究。

1 廣域智能保護主機

1.1 總體系統結構

整個廣域保護系統由主站設備及3個子站設備組成，如圖1所示。

圖1 通信網絡結構圖

子站設備由智能采集控制單元、同步裝置、通信設備組成，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、數據交換、與主站時鐘保持同步、保護跳閘、重合閘、一次設備操作等指令。主站設備由廣域保護主機、主時鐘、通信設備組成，實際裝置安裝在黑龍江電力調度通信中心繼電保護實驗室。主站主要完成廣域保護功能、同子站數據交換、時間同步等。交換機、同步裝置、以太網SDH轉換裝置、SDH(Synchronous Digital Hierarchy)光纖環網構成了廣域智能保護主機外部光纖網絡通道，提供子站的IEC61850-9-2報文和GOOSE報文。

1.2 保護主機多種CPU結構

廣域保護范圍是多個變電站區域內所有設備，包括母線、主變及線路;常規微機保護范圍只是1座變電站內的某個電力元件，例如線路或母線等。

無論常規微機保護還是廣域保護，按照內部功能劃分，都可分為輸入模塊、保護功能模塊、輸出模塊及通信模塊。輸入模塊接收網絡報文，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位置信息;保護功能模塊實現具體的保護控制邏輯，包括主保護、后備保護、重合閘等;輸出模塊發出跳閘命令、GOOSE報文等，用來實現開關的分合功能;通信模塊實現人機界面、報文存儲等功能［2］。

廣域保護與常規微機保護不同的是需要接收大量網絡報文，分析其具體的報文特點，再決定對應具體的硬件結構。

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，這樣每個間隔發送的最大數據量是200×4 000×8=6.4 Mbit/s。如果光纖網絡接收模塊按照100 M設計、裕度20%考慮，最多可以接入12個間隔。

常規微機保護只需接收1個間隔或1個電力元件相關的幾個間隔，網絡接收流量不會超過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，通信模塊由通信CPU實現，兩者間數據交互通過異步串口實現［3-4］，如圖2所示。

圖2 常規微機保護硬件結構

廣域保護范圍涉及多個變電站內部和之間的多個電力元件，接入間隔數量較多;廣域保護邏輯相對復雜，按照其保護功能，又可分為差動主保護、后備保護、穩定控制等。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協同工作方式。

按照內部功能劃分，可以分為網絡CPU、保護功能 CPU、通信 CPU。網路 CPU用來實現IEC61850-9-2報文、GOOSE報文的接收、解析、計算等功能;保護功能CPU用來實現具體保護邏輯;通信CPU實現通信功能，如圖3所示。

圖3 廣域智能保護主機硬件結構

1.3 多種CPU結構內部通信方式比較

一套廣域保護主機可能需要多個網絡CPU、多個保護功能CPU。多種CPU之間需要交互數據，需要分析多種CPU之間數據傳輸的特點。假設廣域智能保護主機由3塊網絡CPU、2塊保護功能CPU和1塊通信CPU組成。3塊網絡CPU需要分別向2塊保護保護CPU發送采樣數據，按照每周波24點采樣數據和其它相關信息，考慮實際每點數據量1 500字節，則每塊網絡CPU發送的數據流量是1 500×8×1 200=14.4 Mbit/s;單個保護保護CPU需要接收3個網絡CPU采樣數據，這樣單個保護CPU就需接收14.4×3=43.2 Mbit/s的數據量，同時單個保護CPU還需和通信CPU進行信息交互。

網絡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據交互流量較大，細線表示相互間數據交互流量相對較小。

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據傳輸，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的內部數據交互要求。

同步串口通信一般用于高速實時數據通信，由于收發同步，傳輸速率得到極大提高，可以達到66 Mbit/s，因此在數據流量上能夠滿足內部數據交互要求［5］。但是，同步串口是點對點的聯系，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個網絡CPU的數據，無法滿足要求，同時這種方式可擴展性差，當系統需要增加新間隔、廣域智能保護主機需要增加新的網絡CPU時，同步串口的點對點連接限制使現有保護CPU與通信CPU同步串口接線都需要重新設計。

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

多種CPU可以通過PCI總線相連，并被分配獨立的地址。當需要發送數據時，發起者(Master)首先需得到仲裁器(Arbiter)的許可，然后向對應目標地址的設備傳輸數據，這樣就有效解決同步串口點對點連接的限制。當網絡新增加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，系統的可擴展性得到了提高。這種結構同一時刻只允許1個CPU向另1個CPU傳輸數據，雖然不是點對點連接，但是也屬于點對點通信。當1塊網絡CPU需要向2塊保護CPU傳輸數據時，網絡CPU需要分別發送，大大增加了網絡CPU負擔，影響實時數據傳輸。

通過比較多種CPU之間傳輸的報文，保護CPU接收的采樣報文、網絡CPU接收的控制報文屬于優先級高的報文，保護CPU與通信CPU之間的通信報文屬于優先級低的報文。采用PCI總線方式時，當優先級低的報文一直占用總線時，優先級高的報文得不到響應，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交換機原理實現的通信方式。多種CPU直接與內部交換機相連，通過交換機實現內部通信報文的交互。

在流量控制方面，內部交換機按1 000 M設計，完全能夠滿足要求。交換機轉發報文方式有廣播、點播、組播等。通過組播方式，可以實現多種CPU之間多對多通信。當1個網絡CPU需要向2個保護CPU發送數據時，網絡CPU只需發送1次，加入對應的組使保護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的以太網報文格式

在圖5中，TCI是標簽控制信息字段，包括用戶優先級(User Priority)、規范格式指示器(Canonical Format Indicator)和VLAN ID;User Priority定義用戶優先級，包括8個優先級別。IEEE 802.1P為用戶優先級位定義了操作。通過賦予報文不同的User Priority，可以實現以太網報文優先級的區分。由于對以太網報文進行優先級的設置，高優先級的報文首先轉發，低優先級的通信報文就不可能打斷高優先級的采樣、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，針對的子站分別是220 kV尚志、賓州、亞布力變電站。每個子站間隔數量都不超過10個，網絡CPU板配置3塊，保護CPU板配置2塊，實現主保護、后備保護和穩定控制。通信CPU板配置1塊。

保護CPU板網絡數據處理流量大，保護邏輯較為復雜，CPU選型為TI 6455，主頻高達1 GHz，具備強大的網絡處理能力，支持Gbit網絡。網絡CPU板主要實現對標準IEC61850-9-2采樣報文接收、GOOSE報文接收以及GOOSE跳閘發送，采用AD Blackfin 537，支持100 M網絡數據處理。通信CPU板采用Intel IXP420芯片，主要實現相關人機通信功能。整個廣域智能保護主機結構如圖6所示。

圖6 廣域保護主機結構圖

3 結論

1)基于Gbit交換機通信方式的多種CPU協同工作的保護主機結構，在傳輸流量控制、系統可擴展性、傳輸效率、傳輸的優先級控制具有優越性，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月已經順利通過華中科技大學動模測試，取得良好的效果。廣域智能保護主機硬件結構已經在黑龍江省調度中心正式投運，運行正常，并且該結構已經申請實用新型專利。

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

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

［3］薛禹勝.時空協調的大停電防御框架:廣域信息、在線量化分析和自適應優化控制［J］.電力系統自動化，2006，30(2):1-10.

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

［5］李碧君，許劍冰.大電網安全穩定綜合協調防御的工程應用［J］. 電力系統自動化，2008，32(6):25-30.

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