智能變電站二次功能集成約束條件探究

梁運(yùn)華，喻水瓊，張穎，李尋

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司，湖南長沙，410004；2.長沙理工大學(xué)，湖南長沙，410114)

智能變電站是智能電網(wǎng)傳感與控制的樞紐，采用分層分布式體系架構(gòu)，設(shè)備按層級縱向劃分、按間隔分布，間隔內(nèi)的功能由過程層、間隔層和站控層設(shè)備聯(lián)合實現(xiàn)，條理清晰，層次分明[1]；同時，測控、保護(hù)等設(shè)備預(yù)留了與其他間隔信息橫向交互的接口，以實現(xiàn)跨間隔的功能，如邏輯閉鎖、同期等。但從另一角度看，智能變電站將一個間隔的某個功能由多個裝置實現(xiàn)，設(shè)備數(shù)量倍增，功能實現(xiàn)過程被拉長，客觀上導(dǎo)致了整個間隔功能的可靠性下降，運(yùn)行維護(hù)困難，具體表現(xiàn)在:

1)二次設(shè)備失效點增加。智能變電站應(yīng)用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)后，保護(hù)、測量和控制功能實現(xiàn)的過程中含有更多的潛在失效點，失效率增加。

2)二次設(shè)備運(yùn)維困難。智能變電站設(shè)備采用網(wǎng)絡(luò)通信，引入了虛端子的概念，設(shè)備之間的連接關(guān)系需應(yīng)用相關(guān)工具才能可視化，增加了運(yùn)行維護(hù)的難度。同時功能實現(xiàn)的中間環(huán)節(jié)被暴露出來，而沒有將技術(shù)實現(xiàn)的細(xì)節(jié)封裝起來，這對傳統(tǒng)變電站的運(yùn)維人員是一個極大的挑戰(zhàn)。

智能變電站設(shè)備硬件配置較豐富，在內(nèi)存、CPU處理能力、網(wǎng)絡(luò)接口流量等方面都留有較大的冗余，硬件資源未得到充分的利用。集成裝置可將成熟的功能進(jìn)行整合，使用較少數(shù)量的裝置完成較多功能，充分利用裝置的軟硬件資源[2-4]。本文通過研究智能變電站二次功能集成的機(jī)理，分析總結(jié)二次功能的集成整合經(jīng)驗，探討制約二次設(shè)備集成的關(guān)鍵因素。

1 二次設(shè)備功能整合形式

二次設(shè)備功能整合有橫向整合和縱向整合兩種方式。橫向整合是指將不同間隔的同類功能整合在一起，又稱跨間隔整合，如集中式測控裝置；縱向整合是指將同間隔內(nèi)的不同功能整合，如保護(hù)測控一體裝置。

二次設(shè)備功能整合又有三種形式，即 “簡單合一”“功能插件獨立，輸入輸出合一”和 “完全合一”[5-6]。

1.1 簡單合一

“簡單合一”是指將實現(xiàn)兩種功能的裝置簡單地合在一起，兩種功能具有獨立的電源 (或共用電源)、功能CPU、輸入和輸出插件，任一功能的硬件發(fā)生變化對另一功能不會產(chǎn)生影響。兩種功能的物理、邏輯部分完全獨立。

這種集成方式僅僅是將兩種功能的插件簡單地合在一起，最大程度保持了兩者的獨立性，但從功能整合的角度分析這種集成意義不大。此類集成主要應(yīng)用于輸入輸出獨立、且對可靠性要求高的場合，如合并單元智能終端一體裝置。

1.2 功能插件獨立，輸入輸出合一

此種集成方式多個功能的電源、輸入輸出以及公共插件合一，其中功能 CPU插件獨立，SV、GOOSE和MMS接口可共用。各功能的邏輯計算分CPU獨立處理，例如標(biāo)準(zhǔn)要求保護(hù)測控一體裝置的保護(hù)、測控功能有獨立的硬件模塊和程序版本[7]，以保證功能的靈敏性和數(shù)據(jù)的實時性。

1.3 完全合一

此類集成裝置電源與功能處理器共用，各功能的SV、GOOSE和MMS輸入輸出接口共用，所有功能的邏輯計算在同一塊CPU上完成。 “完全合一”集成方式使得二次設(shè)備的功能完全融合，主要應(yīng)用在低電壓等級或?qū)崟r性要求不高的場合，如故障錄波網(wǎng)絡(luò)報文分析一體裝置。

“完全合一”方式是功能融合程度最高的模式，但不一定是最優(yōu)模式。高電壓等級二次設(shè)備的功能整合會受到硬件、通信、抗電磁干擾能力、運(yùn)維管理等多個因素的制約。

2 二次功能集成約束條件

2.1 硬件資源

二次設(shè)備硬件的短板主要集中在電源板、CPU和光纖接口等模塊，由于這些元器件固有物理壽命較短，易受局部短路等因素的影響，經(jīng)常造成設(shè)備的損壞。因此，二次功能整合除需考慮元器件的性能外，還需考慮元器件的可靠性。

1)CPU處理能力。CPU資源是衡量硬件裝置能否集成多種功能的重要指標(biāo)，CPU處理速度決定集成設(shè)備的整體性能。目前高性能CPU、多核CPU應(yīng)用廣泛，CPU資源并不是制約功能整合的關(guān)鍵因素，即使多個業(yè)務(wù)功能在單CPU中處理，也能夠保證在極端情況下不會出現(xiàn)CPU資源不足的問題。若采用多核處理器，并行處理多線程，CPU資源更加富余。

若集成設(shè)備 “功能插件獨立，輸入輸出合一”，不同功能的數(shù)據(jù)處理和邏輯計算由不同CPU來完成，CPU資源能夠得到保證。

在 “完全合一”方案中，高性能的單CPU一般情況下能夠在一個中斷內(nèi)處理完該點保護(hù)、測控功能，因此不會影響保護(hù)的速度性和測控的實時性。若在某些極限的情況下，如接入間隔較多、通信傳輸存在加密認(rèn)證機(jī)制時，CPU性能達(dá)不到，則有可能影響實時報文的接收和處理。

2)電源壽命。設(shè)備電源是故障高發(fā)元器件。電源壽命與裝置功耗有一定關(guān)系，而電源的短板是電解電容，因此電源功耗與其壽命之間的關(guān)系可以認(rèn)為是電源電容與壽命的關(guān)系。某型號電解電容的壽命與使用環(huán)境溫度、工作時的紋波電流大小、工作時承受的電壓等因素有以下關(guān)系:

式中 Lx為電容壽命期望值；LR為電容加速壽命(如在最高溫度105℃、施加最大允許紋波電流時的壽命為5 000 h)；T0為電容的最高工作溫度(85℃或105℃)；Tx為實際工作環(huán)境溫度；Tm是施加最大允許紋波電流引起的電容內(nèi)部溫升 (通常是5℃～8℃)；Ti是實際施加紋波電流引起的電容內(nèi)部溫升；KV是工作電壓影響系數(shù) (通常低于額定電壓的80%時取1)。

電容壽命與電容內(nèi)部溫升呈指數(shù)衰減關(guān)系，設(shè)備功耗愈大，電容內(nèi)部溫升愈高。二次功耗整合后，集成裝置的功耗可達(dá)55 W。試驗表明，當(dāng)工作環(huán)境溫度取25℃、36℃、40℃、55℃時，裝置內(nèi)部溫升分別約為44℃、43℃、40℃、38℃，即電容的使用環(huán)境溫度約為 69℃、79℃、80℃、93℃。假設(shè)此電容最高運(yùn)行溫度為105℃，工作電壓影響系數(shù)KV取1，施加最大允許紋波電流后引起的電容內(nèi)部溫升為8℃，實際工作紋波電流引起的溫升為5℃。

根據(jù)計算，工作環(huán)境溫度為25℃時，電容壽命約為14年；工作環(huán)境溫度為36℃時，電容壽命下降為7.34年；工作環(huán)境溫度為40℃時，電容壽命為6.85年；工作環(huán)境溫度為55℃時，電容壽命則只有2.78年。由此可見，工作環(huán)境溫度愈高，電容壽命愈短。因此，受電源插件壽命的制約，二次功能不能過多集成，尤其是就地化設(shè)備，否則會導(dǎo)致電源插件過熱，電容壽命快速衰減，影響集成裝置的正常運(yùn)行。

3)光模塊。光模塊故障也是引起裝置通信異常的常見因素之一。光接口易受溫度的影響，引發(fā)光鏈路損耗變大，導(dǎo)致光鏈路不通。

二次功能集成后，即便采用網(wǎng)絡(luò)化采樣與傳輸、SV與GOOSE接口共用，某些裝置對外接口也會倍增。以110 kV多功能測控裝置為例，多功能測控裝置集成了測控、保護(hù)和計量功能，輸入輸出插件部署的LC端口數(shù)可達(dá)8個以上。LC端口插接方便，但端口面積小，端口發(fā)熱量大。在運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)某些光模塊發(fā)熱量大，光模塊工作溫度可達(dá)60℃，而LC光模塊正常工作溫度上限為70℃，勢必會影響光模塊的壽命，最終影響二次設(shè)備的可用性。因此，光模塊并非可無限集成。

2.2 抗電磁干擾能力

抗電磁干擾能力也是制約二次功能整合的主要因素。二次設(shè)備的電磁干擾主要來自于裝置外部，部分來自插件之間的干擾。變電站在拉合斷路器或隔離開關(guān)等暫態(tài)過程中，會產(chǎn)生暫態(tài)操作過電壓，一次回路暫態(tài)過程會通過不同的耦合路徑傳導(dǎo)至二次回路，對二次設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。二次設(shè)備這種微電子設(shè)備敏感、脆弱，極易受到外界的影響，嚴(yán)重情況會導(dǎo)致元器件被燒壞或出現(xiàn)錯誤。二次功能集成設(shè)備將不同功能封裝在一個設(shè)備中，減少了電磁耦合路徑，在一定程度上減少了電磁干擾，但由于插件分布密集，抗干擾能力還需要加強(qiáng)，特別是仍保留電纜通信的裝置，如合并單元智能終端集成裝置。

根據(jù)國家電網(wǎng)公司基建部58號補(bǔ)充文件規(guī)定，新建智能變電站須采用常規(guī)互感器加模擬量合并單元實現(xiàn)數(shù)字化采樣，因此現(xiàn)階段合并單元智能終端集成裝置均實現(xiàn)的是模擬量合并單元的功能。模擬量合并單元采用電纜與互感器連接，同智能終端控制線纜纏繞在一起，在二次回路操作時容易相互耦合。

為保持功能的獨立性，某些集成設(shè)備不同功能的CPU部署在不同的插件上，插件間通過背板總線實現(xiàn)內(nèi)部通信，容易受到電快速瞬變脈沖群的干擾。應(yīng)從改變箱體結(jié)構(gòu)、改善箱體整體的導(dǎo)電性能著手，增強(qiáng)集成設(shè)備的抗干擾能力。

2.3 通信資源

智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)報文為采樣值SV報文和傳輸狀態(tài)量的GOOSE報文，站控層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)主要為間隔層設(shè)備與站控層網(wǎng)絡(luò)通信的MMS報文和數(shù)據(jù)同步報文。為明確網(wǎng)絡(luò)流量對集成裝置的影響，對過程層網(wǎng)絡(luò)和站控層網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行了估算。

1)過程層網(wǎng)絡(luò)流量。SV報文幀格式遵循IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)，按每幀一個ASDU(12個通道，即4個保護(hù)級電流、4個測量級電流及4個測量級電壓)計算，根據(jù)不同的配置和編碼格式，則每幀報文的長度在169～226字節(jié)范圍內(nèi)。智能變電站每周波采樣80點，即采樣頻率為4 000點/s，則SV報文所占帶寬最大為226byte/APDU×8bits/byte×40 000APDU/s ＝7 232 000bits/s ＝7.32 Mb/s。

在正常情況下，過程層網(wǎng)絡(luò)GOOSE報文只用于維持心跳，流量很小，可忽略不計。當(dāng)發(fā)生開關(guān)量變位時，GOOSE報文才會快速收發(fā)。考慮最大數(shù)據(jù)吞吐量發(fā)生在極端情況下，即母線保護(hù)、線路保護(hù)、測控裝置均向與智能終端連接的端口上發(fā)送GOOSE報文，共3個GOOSE報文，發(fā)送間隔按2 ms計算，端口流量約為400 kb/ms，則瞬間會占用交換機(jī)2.4 Mb/s的帶寬。若考慮級聯(lián)端口的極端情況，即線路保護(hù)起動失靈時，剛好智能終端有開關(guān)量變位，有2個GOOSE報文發(fā)出，則會占用交換機(jī)大約1.6 Mb/s的帶寬。

從以上計算可以看出，智能變電站各間隔的SV報文流量較小，穩(wěn)定在7.5 Mb/s以下，GOOSE報文即使在極端情況下也不會出現(xiàn)大于3 Mb/s的報文流量。變電站過程層交換機(jī)多采用百兆交換機(jī)，因此對于大多數(shù)裝置來說，網(wǎng)絡(luò)流量不是制約功能集成的因素。但在某些情況下，二次功能集成裝置需考慮網(wǎng)絡(luò)流量或SV網(wǎng)的組網(wǎng)方式，如集中式測控裝置。如圖1所示，集中式測控共整合n個線路間隔的測控功能，若所有間隔合并單元SV輸出均接入一臺交換機(jī)，則這臺過程層SV網(wǎng)交換機(jī)流量將長期維持7.25×nMb/s。根據(jù)國家電網(wǎng)公司《變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)測試及驗收規(guī)范》要求，變電站 “網(wǎng)絡(luò)正常負(fù)荷率≤20%，事故下網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷率≤40%”，因此SV網(wǎng)百兆交換機(jī)只可接入3或4個間隔合并單元的數(shù)據(jù)，間隔數(shù)較多的情況下，多余的合并單元可接入其他交換機(jī)。

圖1 集中式測控應(yīng)用示意圖

2)站控層網(wǎng)絡(luò)流量。站控層網(wǎng)絡(luò)MMS報文流量較小，每臺裝置與后臺或遠(yuǎn)動機(jī)的通信流量在20 kb/s左右，以站內(nèi)250臺間隔層設(shè)備計算，所占帶寬不超過10 Mb/s，遠(yuǎn)可滿足通信需求。在某些重要或超高電壓等級變電站，會采用進(jìn)一步的冗余設(shè)計，MMS網(wǎng)與數(shù)據(jù)同步網(wǎng)獨立組網(wǎng)。

從GOOSE、SV和MMS三種數(shù)據(jù)的流量分析可以看出:SV報文負(fù)荷最重，MMS報文流量最小，在縱向整合的情況下百兆交換機(jī)可滿足過程層網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求。在某些橫向跨間隔的整合，需考慮帶寬的因素。

2.4 運(yùn)維管理

二次功能整合后，現(xiàn)有運(yùn)維模式無法適應(yīng)部分集成裝置的運(yùn)維要求，目前檢修規(guī)程涉及集成裝置的較少，或現(xiàn)場檢修無據(jù)可依，給運(yùn)維人員帶來極大不便。以保護(hù)測控集成裝置為例，分析運(yùn)維管理因素對集成裝置應(yīng)用的影響。在工程實際應(yīng)用中，保護(hù)測控集成裝置主要會遇到以下運(yùn)維和管理問題:

1)監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)動裝置測控功能可能會存在雙數(shù)據(jù)源。目前，保護(hù)測控集成裝置主要用于110 kV電壓等級，除安全要素外，運(yùn)維問題也是制約保護(hù)測控集成裝置在220 kV及以上電壓等級應(yīng)用的原因之一。若使用集成裝置，220 kV及以上保護(hù)需雙重化配置，測控也將隨之雙重化配置，會導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)動擁有兩套數(shù)據(jù)源。雙數(shù)據(jù)源必然會帶來數(shù)據(jù)不一致的問題，監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)動應(yīng)采用何套集成裝置會成為困擾設(shè)計、調(diào)試和運(yùn)維人員的難題。

2)保護(hù)、測控分屬兩個專業(yè)。在現(xiàn)場維護(hù)過程中，保護(hù)測控分開運(yùn)維可能會造成兩個專業(yè)職責(zé)不清。檢修公司二次運(yùn)維班成立后，這類問題可在一線班組內(nèi)得到解決。

3)保護(hù)、測控功能相互影響。雖然保護(hù)與測控功能的插件獨立配置，但仍會相互影響。集成裝置的保護(hù)、測控功能人機(jī)界面、通信參數(shù)、定值等信息是共用的。檢修時，軟壓板和控制字的投切有可能導(dǎo)致整個裝置接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)異常。另一方面，當(dāng)保護(hù)重整定值、一方功能插件異常或公共部分異常時，集成裝置均會自動閉鎖，影響另一方功能的正常運(yùn)行。

以上僅僅是對保護(hù)測控集成裝置的分析，對于跨間隔橫向整合的裝置，運(yùn)維管理的問題將會更加復(fù)雜。由于可能會出現(xiàn)擴(kuò)大故障影響范圍的情況，用戶對此持謹(jǐn)慎態(tài)度。以集中式測控裝置為例，在某一間隔檢修的情況下，有可能影響到其他間隔，若使其他間隔不受影響，則需要冗余配置，當(dāng)一臺裝置故障或檢修時，即投入另一臺裝置。即便如此，集中式測控的應(yīng)用案例也很少。

3 集成案例探討

保護(hù)測控集成裝置是典型的二次設(shè)備間隔內(nèi)功能整合設(shè)備，裝置保護(hù)和測控功能共用電源、SV/GOOSE接口、人機(jī)界面和公共插件，而保護(hù)、測控功能的CPU插件和開入插件單獨配置。現(xiàn)階段，各主流廠家均已開發(fā)了110 kV和220 kV保護(hù)測控一體集成裝置，并應(yīng)用于多個變電站。2013年110 kV新一代智能變電站應(yīng)用了保護(hù)測控一體集成裝置，并整合了本間隔的計量功能。集成裝置保護(hù)與測控功能共用數(shù)據(jù)收發(fā)和ICD(IED Capability Description，ICD)文件，如果任意硬件出現(xiàn)了故障，將同時影響保護(hù)和測控的功能。同時，在檢修某一專業(yè)的故障時，將會影響另一專業(yè)。在運(yùn)行檢修過程中，需要測控與保護(hù)兩個專業(yè)的配合。

在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，裝置集成后保護(hù)采用直采直跳模式，指定SV直采和GOOSE直跳接口，測控則沿用網(wǎng)采網(wǎng)跳的模式。

110 kV及以下電壓等級保護(hù)測控一體裝置單套配置，不存在雙測控數(shù)據(jù)源的問題，當(dāng)一個功能出現(xiàn)故障或檢修時，影響范圍小，配置調(diào)試簡單，運(yùn)維便捷，因此得到廣泛應(yīng)用；而對于220 kV保護(hù)測控一體裝置，需要雙套配置，監(jiān)控系統(tǒng)與遠(yuǎn)動會存在雙數(shù)據(jù)源的問題。

4 結(jié)語

綜上所述，CPU處理能力、電源壽命、光模塊壽命、設(shè)備的抗電磁干擾能力、過程層網(wǎng)絡(luò)通信資源、檢修運(yùn)維等因素是制約二次設(shè)備功能集成的重要因素。特別是集成設(shè)備的檢修運(yùn)維，容易出現(xiàn)專業(yè)責(zé)任歸屬不清、功能相互影響、檢修全停等問題。

另外，隨著計算機(jī)技術(shù)、電子元器件制造材料和工藝的不斷進(jìn)步，二次設(shè)備的硬件資源將不再是制約二次功能集成的關(guān)鍵因素，檢修運(yùn)維和管理將成為制約二次功能整合的主要原因。設(shè)備供應(yīng)商應(yīng)多考慮集成設(shè)備運(yùn)行維護(hù)過程中遇到的實際問題，提出減小故障與檢修影響范圍的解決方案。用戶也應(yīng)厘清不同專業(yè)人員的職責(zé)，積極拓展現(xiàn)場運(yùn)維人員的業(yè)務(wù)范圍，提升運(yùn)維人員的專業(yè)素養(yǎng)，制定集成裝置的操作規(guī)程，共同推進(jìn)集成裝置的應(yīng)用。