智能變電站保護(hù)測(cè)控裝置探討

張利斌

(黑龍江省大慶油田電力集團(tuán)供電二公司，黑龍江 大慶 163711)

如果智能變電站的發(fā)展一直沿用傳統(tǒng)的變電站功能，就無(wú)法滿足保護(hù)測(cè)控裝置的實(shí)際要求，甚至還可能直接威脅到電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。所以研究智能變電站保護(hù)測(cè)控裝置，才能推動(dòng)智能變電站的可持續(xù)發(fā)展。

1　智能變電站的構(gòu)成與功能

基于現(xiàn)代化高科技的智能變電站，其支撐是數(shù)字化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)、實(shí)際操作以及監(jiān)控等各項(xiàng)工作。并且其目標(biāo)定位于精確化、自動(dòng)化以及標(biāo)準(zhǔn)化之上，確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都能夠保持信息的暢通性，通過(guò)對(duì)故障的及時(shí)處理，打造出全新的變電站。從系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行分析，智能變電站本身就屬于一個(gè)復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)，利用光纜可以滿足不同層級(jí)之間相互的關(guān)聯(lián)。具體來(lái)說(shuō)，每一層都包含了不同的系統(tǒng)、設(shè)備以及裝置，通過(guò)相互之間的作用與配合，就能夠讓智能變電站形成一個(gè)完整而健全的系統(tǒng)。

1.1　站控層

站控層是智能變電站不可或缺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包含了自動(dòng)化系統(tǒng)、對(duì)時(shí)系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)等不同的設(shè)備，擔(dān)負(fù)了運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)收集等多項(xiàng)不同的核心任務(wù)，它可以實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備乃至于整個(gè)變電站的安全檢測(cè)。此外，在正常運(yùn)行過(guò)程中，站控層也需要及時(shí)記錄與登記，將相關(guān)的能量數(shù)據(jù)以及運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，如此，在了解智能變電站的實(shí)際運(yùn)行之后，相關(guān)的工作人員才可以進(jìn)行后續(xù)的操作[1]。

1.2　間隔層

間隔層包含了二次設(shè)備與二次裝置，如繼電保護(hù)裝置、故障濾波等。在智能變電站運(yùn)行之中，間隔層主要起到一個(gè)間隔的功能，如數(shù)據(jù)的間隔、設(shè)備的間隔。在實(shí)際的操作環(huán)節(jié)，利用專用的光纖，通過(guò)間隔層就可以實(shí)現(xiàn)與過(guò)程層之間信息的相互溝通與交換，并且確保變電站的每一層次都可以進(jìn)行信息的相互交流與傳遞。

1.3　過(guò)程層

過(guò)程層主要針對(duì)智能變電站之中各個(gè)構(gòu)成的智能設(shè)備與智能終端，其主要是為了完成變電站內(nèi)部的管理、控制、分配等諸多工作。

通過(guò)三個(gè)層次的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，智能變電站可以在科學(xué)化、經(jīng)濟(jì)化的前提下，實(shí)現(xiàn)相互的作用與配合，滿足對(duì)智能變電站數(shù)據(jù)的采集，及時(shí)地檢測(cè)運(yùn)行狀態(tài)，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)工作強(qiáng)度的調(diào)整，最終滿足電網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行的需求[2]。

2　智能變電站保護(hù)測(cè)控裝置

2.1　保護(hù)測(cè)控裝置的硬件設(shè)計(jì)

在智能變電站的保護(hù)測(cè)控裝置內(nèi)部擁有多個(gè)分散的保護(hù)測(cè)控功能單元。針對(duì)一個(gè)單元來(lái)說(shuō)，保護(hù)測(cè)控裝置需要積極的處理信息，因此，對(duì)硬件部分有一定的要求。單個(gè)的保護(hù)測(cè)控單元，在1 s之內(nèi)需要接受4 000包的SV報(bào)文，并且每一個(gè)報(bào)文的長(zhǎng)度也需要達(dá)到200B。因此，1 s內(nèi)裝置所接受到的報(bào)文為200B的倍數(shù)。考慮到接收數(shù)據(jù)的大小，就可以直接確定網(wǎng)口大小，最終滿足數(shù)據(jù)大小吞吐量CPU的型號(hào)要求。另外，在實(shí)際的處理環(huán)節(jié)，這一部分?jǐn)?shù)據(jù)處理需要的時(shí)間只占據(jù)整體的很小一部分。因?yàn)橹悄茏冸娬镜谋Ｗo(hù)測(cè)控裝置需要處理大量的信息，一旦CPU滿足不了需求，或者只有部分?jǐn)?shù)據(jù)處理容量需求滿足了，都會(huì)使實(shí)際的運(yùn)行速度無(wú)法達(dá)標(biāo)。所以，CPU應(yīng)該保持兩個(gè)以上，確保要求能夠達(dá)標(biāo)。在具體的操作中，可以采用MPC與DSP這樣的硬件結(jié)構(gòu)，具體見(jiàn)圖1所示[3]。

圖1　雙CPU硬件架構(gòu)

FPUG通過(guò)以太網(wǎng)接收過(guò)程層的SV數(shù)據(jù)，直接填寫時(shí)間，并將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)雙口RAM傳遞給通信管理以及相對(duì)應(yīng)的顯示單元。

通信管理單元和顯示單元與保護(hù)測(cè)控單元之間通過(guò)雙口的RAM來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互傳遞。其功能是相互同步的，并且計(jì)算過(guò)程層的SV網(wǎng)數(shù)據(jù)以及過(guò)程層的GOOSE通信，都可以直接利用站控層和以太網(wǎng)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)彼此的通信。

通過(guò)雙口的RAM就可以完成MPC顯示和通信管理單元之間的數(shù)據(jù)交換。

2.2　保護(hù)測(cè)控裝置的軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于保護(hù)測(cè)控裝置而言，需要做好一次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)刻監(jiān)測(cè)，并且做好詳細(xì)的記錄，一旦出現(xiàn)故障，要正確及時(shí)判斷，并且做好對(duì)應(yīng)處理。因此，保護(hù)測(cè)控裝置本身需要處理的信息量偏大，并且實(shí)時(shí)性較高。為了能夠滿足這一要求，軟件操作系統(tǒng)需要選擇實(shí)時(shí)性較高，并且穩(wěn)定可靠的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這種高效的多任務(wù)有限管理以及微秒級(jí)中斷管理等技術(shù)，也能夠確保測(cè)控本身的性能[4]。

為了提升軟件部分的成型效率，便于調(diào)試與移植，本次選擇模塊化的軟件設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)之中，每一個(gè)軟件功能模塊都能夠獨(dú)立的設(shè)計(jì)與調(diào)試，這樣有利于效率的提升。按照事先的功能分類，就可以將程序進(jìn)行模塊的劃分，具體包含：保護(hù)測(cè)量計(jì)算、SV接收、保護(hù)邏輯判斷、測(cè)控測(cè)量計(jì)算、遙控、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)、顯示、時(shí)間等，具體的程序模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

考慮到保護(hù)測(cè)控裝置軟件本身的模塊數(shù)量問(wèn)題，為了滿足有效、安全、穩(wěn)定的運(yùn)行要求，各個(gè)軟件模塊都不允許出現(xiàn)錯(cuò)誤與故障。當(dāng)然，監(jiān)測(cè)軟件模塊是必須的操作，針對(duì)這一個(gè)問(wèn)題，可以利用看門狗程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用看門狗程序監(jiān)視每一個(gè)裝置的軟件模塊，對(duì)于故障模塊還可以利用閉鎖保護(hù)、程序重啟、報(bào)警等措施來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。看門狗軟件本身是針對(duì)所有的硬件設(shè)備，對(duì)于硬件的管理也是通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，同樣，當(dāng)程序本身出現(xiàn)了不可逆轉(zhuǎn)的問(wèn)題時(shí)，就需要監(jiān)測(cè)整個(gè)裝置，并且由看門狗硬件來(lái)開(kāi)展重啟工作。另外，做好故障問(wèn)題的分析與記錄，這對(duì)于后續(xù)的故障處理也有一定的幫助。

圖2　程序結(jié)構(gòu)圖

2.3　保護(hù)測(cè)控裝置的GOOSE通信設(shè)計(jì)

GOOSE通信模塊作為一種通信結(jié)構(gòu)，主要是針對(duì)發(fā)布者/訂閱者。該通信結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：第一，能夠滿足IED彼此之間的快速通信與直接傳遞。第二，同時(shí)傳遞不同IED的GOOSE信息，并且信息傳遞的有效性也可以得到保障。對(duì)于GOOSE通信模型如圖3所示。

圖3　GOOSE通信模型

在圖3的GOOSE通信模塊中，發(fā)布者直接選擇本地傳輸?shù)姆绞剑瑢?shù)據(jù)傳至緩沖區(qū)域，之后，訂閱者接受緩沖區(qū)，再利用特定的通信服務(wù)，就可以將緩沖區(qū)之中所發(fā)射的數(shù)據(jù)直接映射出來(lái)。GOOSE通信模塊進(jìn)行報(bào)文傳輸時(shí)，其控制需要由GoCB來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可以更好地組織與分配數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)信息，并且也可以滿足數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的交互，直接定義數(shù)據(jù)信息的功能。

3　結(jié)束語(yǔ)

電網(wǎng)規(guī)模的快速擴(kuò)大，使得輸電線路的復(fù)雜度在不斷提升，而隨之出現(xiàn)的繼電保護(hù)裝置也會(huì)增多，所需要的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量、節(jié)點(diǎn)數(shù)量以及通道量都會(huì)有所增加，無(wú)形之中就增加了檢修人員的工作量。相對(duì)而言，在應(yīng)用并推廣智能變電站的測(cè)控保護(hù)裝置之后，工作人員的監(jiān)控與監(jiān)測(cè)的工作得到一定程度的減少，這樣就可以滿足其工作的針對(duì)性和高效性需求，同時(shí)也讓安全事故發(fā)生的可能性降至最低。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾偉華，史非，韓少衛(wèi).集中式保護(hù)測(cè)控裝置在智能變電站中的應(yīng)用研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2017，(08)：199-200+203.

[2]王川，崔勇.變電站測(cè)控和保護(hù)裝置中電源模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].江西電力，2014，(04)：61-63.

[3]劉國(guó)偉.數(shù)字化變電站雙保護(hù)測(cè)控一體化裝置智能切換技術(shù)探討[J].科技信息，2011，(05)：352+370.

[4]林海鋒.智能變電站的線路保護(hù)測(cè)控裝置的應(yīng)用設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2013.