淺談智能變電站母差刀閘位置指示裝置研究與應用

袁瑞輝，盧泳茵，李夢琪

（廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東中山，528400）

0 引言

母線保護裝置是變電站二次系統重要組成部分之一，對于母線保護裝置而言，最重要的開入量是刀閘位置，它既影響母線保護的差流計算，又影響保護的動作范圍。由于智能變電站的快速發展，母差刀閘位置的傳輸方式從模擬量變成了數字量。目前智能變電站中所用的母線保護裝置尚未有刀閘位置指示功能，也沒有適用于智能變電站的母差刀閘位置指示裝置，運行人員僅能通過監控后臺、高壓場地的智能終端面板查看線路母線側刀閘位置。但智能變電站，尤其是SV與GOOSE共網的智能變電站，光回路需交互的數據量龐大，在運維過程中極易發生數據異常、通訊中斷等原因造成裝置與實際位置不對應的情況，從而無法得知母線保護中線路母線側刀閘的實際位置。

針對上述問題，本文提出了一種母差位置指示裝置和母差位置指示系統，用于解決傳統的通過電氣回路連接的刀閘位置指示裝置不適用于現有的通過光信號進行信息傳遞的智能變電站，而通過監控后臺、高壓場地的智能終端面板查看線路母線側刀閘位置的方式，存在因光纖回路異常和通訊中斷等原因，造成刀閘位置不對應的風險的技術問題。

1 智能變電站母差刀閘位置指示裝置硬件結構

本文提出一款適用于智能變電站的母差刀閘位置指示裝置，從而彌補市場上的空白。裝置由電源模塊、CPU模塊、FPGA模塊、以太網接口模塊、光串口模塊、人機交互模塊、存儲控制器模塊組成[1]，圖1為裝置硬件結構圖。

圖1 裝置硬件結構圖

如圖1所示，電源模塊分別與CPU模塊和FPGA模塊連接，用于將220V交流電壓通過AC/DC轉換[2]，生成多組直流電源，為母差位置指示裝置的內部硬件電路模塊（例如CPU模塊和FPGA模塊）提供DC工作電壓。

FPGA模塊用于接收光網口模塊的報文和光串口模塊發送的光B碼對時信號，在接收到光網口模塊的報文之后（光網口模塊包括雙光網口，一個光網口接收A1網的報文，另一個光網口接收A2網的報文），FPGA模塊分別對A1網和A2網的報文進行過濾處理，僅提取母線保護的GOOSE報文數據，其他報文數據不進行處理。FPGA模塊在提取的GOOSE報文數據起始位添加時標信息，并將添加了時標的GOOSE報文數據打包發給CPU模塊進行處理。

CPU模塊接收到FPGA模塊發送的GOOSE報文數據后，比對A1網和A2網數據中的當前母線刀閘位置信息，若A1網和A2網的GOOSE報文數據中的當前刀閘位置信息一致時，CPU模塊則判斷母線刀閘位置信息正確。此時，CPU模塊會將GOOSE報文數據中的當前刀閘位置信息發送給人機交互模塊進行展示，并記錄在存儲模塊中。

光網口模塊和光串口模塊分別與FPGA模塊連接。光網口模塊用于接收交換機發送過來，攜帶有刀閘信息的報文，并將所接收到的每一幀報文傳遞給FPGA模塊，光網口最多可配備2個。光串口模塊用于接收光B碼對時信號，將光B碼對時信號傳輸給FPGA模塊處理，使得FPGA的時鐘與智能變電站保持一致。

存儲模塊用于存儲接收的打時標報文和CPU模塊的通信數據緩存。存儲模塊存儲的打時標報文達到預置條數后（例如50條信息），新增的打時標報文自動按時間順序覆蓋前面的打時標報文，以避免占用過多的存儲空間。

人機交互模塊可以對當前刀閘位置信息的更新記錄以表格的形式進行可視化展示，便于操作人員查詢和對照刀閘信息。若A1網和A2網的GOOSE報文數據中的當前刀閘位置信息不一致，CPU模塊則判斷母線刀閘位置信息存在異常，需要進行告警提示。此時，CPU模塊將發出位置異常告警信號到人機交互模塊進行展示，便于操作人員及時發現和處理異常。

需要說明的是，裝置的光網口連接單芯光纖僅具備接收功能，因此在鏈路上可只連接接收口Rx單根光纖，以此杜絕母差位置指示裝置向交換機發送報文的情況，因此本裝置實施例中的FPGA模塊只接收并解析交換機傳遞過來的GOOSE報文，不對外發送SV或GOOSE報文，以免影響過程層網絡報文數據。

2 裝置創新點

2.1 刀閘位置的GOOSE混合接收模式

裝置具有同時解析A1網和A2網的GOOSE報文的能力。即將A1網和A2網收到的報文通過FPGA和CPU的篩選過后，通過核驗APPID類型、goosePDU、gocbRef、dateSet、goID等分別識別出A1網和A2網的母線保護裝置的報文，并對報文的事件時標Event TimeStamp、狀態序號StNum、順序號SqNum等進行識別，當以上內容完全一致時，最后對A1網和A2網的所傳輸的GOOSE報文虛端子當前值（對應的刀閘通道）進行對比，當A1網和A2網的當前刀閘位置信息一致時，將位置信息實時反饋給主界面并顯示當前刀閘位置情況；當A1網和A2網的當前刀閘位置信息不一致時，界面彈出告警信號，并在告警界面顯示出詳細異常通道的信息。

2.2 刀閘變位情況和變位時間記錄

裝置具備GOOSE報文抓取功能，可自動記錄母線側刀閘的位置信息和變位時間。裝置接通變電站的主鐘信號，將交換機接收的報文通過FPGA的篩選之后，通過CPU對每幀報文進行二次篩選，隨后將篩選出來的GOOSE報文進行打時標報文存儲，隨后對報文解碼，解析并讀取報文中的變位時間。在刀閘變為報告界面首先記錄事件序號，并接收報文的年月日時分秒時間，并將刀閘動作信息詳細描述，完成儲存。

2.3 主接線圖顯示

A1網、A2網中心交換機通過VLAN配置將所需的線路母線側刀閘信息通過GOOSE發送至線路刀閘位置監視裝置，并通過主接線圖及主接線分支圖進行顯示。示意圖見圖2。

圖2 主接線圖及主接線分支圖示意

2.4 光纖傳輸

相比于傳統的電氣回路連接的位置指示裝置，本文裝置提供的母差位置指示裝置，在進行長距離傳輸時，光纖傳輸系統的信號保真度和畫面清晰度比電線或電纜傳輸系統傳輸的系統要高得多，光纖不受電磁輻射與雷擊等任何電氣干擾的影響，且光回路不存在接地回路問題[3-4]，可以實現回路自檢，驗證回路接收的正確性。

3 裝置應用實例

實際運行時，智能變電站將互感器和斷路器的信息通過二次回路傳輸給合并單元和智能終端，合并單元和智能終端再將模擬信號轉換成光數字報文傳遞給交換機，交換機再通過光纖傳輸給母線保護裝置，同時將報文傳遞給新型母差位置指示裝置。此時母線保護裝置和新型母差位置指示裝置可同時接收到交換機過來的信號，顯示對應母線上的多條線路母線側刀閘位置。示意圖見圖3。

圖3 應用場景示意圖

新型母差位置指示裝置可直接安裝于母線保護屏上，可應用于現有和新建的智能變電站中，安裝步驟簡單，增設方便快捷，只需新增兩根光纖分別與A1網、A2網中心交換機進行數據交換即可實現母差保護母線側刀閘位置監視。

4 結束語

本文所述的新型母差位置指示裝置安裝于母線保護屏上，可應用于現有和新建的智能變電站中，安裝步驟簡單，增設方便快捷，只需新增兩根光纖分別與A1網、A2網中心交換機進行數據交換即可實現母差保護母線側刀閘位置監視。此外，該裝置可與各廠家生產的母差保護配合使用，且適應保護裝置后續的版本升級，維護簡單，大大提高運維和檢修人員的工作效率。