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  • 智能变电站中过程层和间隔层功能一体化IED的设计

  • 内容出处:http://www.cnkery.com时间2013-10-07 06:06作者admin浏览次数
摘要:常规变电站的智能化改造需要增加过程层设备并改造间隔层设备,施工复杂,对中低电压等 级间隔经济性欠佳。提出了采用过程层和间隔层功能一体化智能电子设备(IED)的分散安装配置 方案,并设计了功能一体化的新型IED,将合并单元、智能终端功能和测控、保护功能在一台物理设 备中实现。介绍了该IED的总体设计方案和软硬件结构,主要由PowerPC主处理模块、数字信号 处理器(DSP)数据处理模块、现场可编程门阵列(FPGA)综合处理模块和断路器智能控制模块组 成。讨论了采样值数据流设计、通用面向对象变电站事件(GOO S E)信息的快速处理方法、测控保 护功能设计等问题。最后建立了符合IEC 61850标准的一体化IED的信息模型。功能一体化的 新型IED软硬件设计合理,性能满足要求,有较好的经济性,可以有效地简化中低电压等级间隔的 智能化改造工作。
 
关键词:智能变电站;智能电子设备;过程层;间隔层;合并单元;测控保护;卫生间隔断;
 
 
作为智能电网建设的重要环节,智能变电站的 试点工程采取分阶段、分层次的技术方案逐步实 施[1]。按照IEC 61850标准[2],智能变电站系统结 构可以划分为3层,即变电站层、间隔层和过程层。 在较高电压等级的变电站,出于可靠性的考虑,严格 按照规范要求,采用独立、冗余配置过程层和间隔层 设备[3]的方案,层次分明,概念清晰。然而,所有电 压等级都采取过程层和间隔层设备独立配置的方案 将会遇到一定的困难,尤其是常规变电站的智能化 改造工程中,在更换间隔层设备的同时必然增加大 量的合并单元、智能终端等过程层设备。对于中低 压电压等级的间隔,一般要求分散接地安装,安装空 间有限,而且交换机和通信接线复杂,与改造前相 比,由于增加较多设备,经济性也欠佳。因此,针对 中低压电压等级选择更简便、经济的配置方案势在 必行。经过多年的理论研究和产品研发,间隔层、过 程层智能电子设备(IED)的原理和技术已逐渐成 熟。在经过不同电压等级的智能变电站试点工程积 累经验后,可以尝试对不同电压等级的间隔采取不 同的配置方案。研究和开发功能一体化的IED,同 时完成过程层和间隔层功能,对简化配置、提高经济 性具有重要的实用价值。
 
本文针对常规变电站智能化改造需增加较多二 次设备、安装调试复杂、经济性差等问题,设计了功 能一体化IE D,将分属于过程层和间隔层的逻辑功
收稿日期:2011-04-17;修回日期:2011-07-26。
能在一台物理设备中实现。利用功能一体化IED 实现分散接地安装,减少了设备数量,提高了经 济性。
 
1智能变电站二次设备配置方案
 
1.1线路间隔的典型配置方案
 
智能变电站的数据采集和传输模式与常规变电 站有较大区别,针对线路间隔的典型配置方案如图
 
1所示。图中:GPS为全球定位系统;SV为采样值。
 
sv'ra…
智能变电站过程层采用非常规互感器——电子 式电流互感器(ECT)和电子式电压互感器(EVT), 由合并单元接收时钟信号,完成多路电流、电压的同 步采集。合并单元按IEC 61850-9-2标准[4]将信息 组成以太网帧,通过点对点方式或过程层网络方式 发送给间隔层设备。这样从根本上改变了常规变电 站模拟量采集的独立冗余模式,实现了全数字化测 量和信息高度共享。随着IEC 61850-9-1标准的废除,以网络方式实现sv传输成为技术发展趋势。 就地安装的合并单元通过光纤以太网交换机接入主 控室的sv网络,向间隔层的保护装置、测控装置和 数字电度表提供sv。
 
目前智能一次设备技术上尚不成熟,数量庞大 的现存一次设备要全部实现智能化改造也相当困 难,通过智能终端+常规一次设备的模式实现一次 设备智能化是现实而有效的方法[5]。智能终端就地 安装,采集断路器的状态,执行遥控和保护跳闸命 令,可通过IEC 61850标准接口实现与间隔层IED 的通信[6—7]。
 
对比图1与常规变电站可以发现,智能变电站 二次设备配置具有以下几个主要特点:
 
1)增加了过程层设备——合并单元和智能 终端;
 
2 )模拟量采集功能下放到就地实现,并由通信 网络代替硬接线完成信息传输;
 
3)通过通用面向对象变电站事件(GOOSE)网 络实现跳合闸以及间隔层的信息交互。
 
该配置方案严格遵循IEC 61850“三层两网”的 标准,概念清晰,层次分明,设备分工明确,是智能变 电站化建设的标准化方案。然而,该方案需要增加 大量二次设备,经济性欠佳。
 
1.2功能一体化IED的应用
 
为了满足二次设备就地安装的需求,简化变电 站智能化改造工作,设计了利用功能一体化IED的 智能变电站二次设备配置方案,如图2所示。
 
svS
 
^H数字电度表I
| EVT
GOOSE网 |GPS
合并单元 智能终端
测控、保护 一体化IED
根据功能一体化IED实现功能的不同,可以分 为图2(a)和图2(b)2种方案(图中省略了间隔层与 站控层通信的制造报文规范(MMS)网络)。
 
图2(a)所示的配置方案将过程层的合并单元 与智能终端功能实现一体化,将测控、保护功能实现 一体化。测控保护IED布置在主控室内,过程层的 一体化IED分散安装在开关柜上,是一种部分一体 化的配置方案。
 
图2(b)的方案实现了完全的过程层、间隔层功 能的一体化,功能一体化IED可以实现完全就地安 装,通过光纤以太网接入过程层的SV网络和 GOOSE网络,与间隔层其他设备交互信息。由于 考虑到电度表需要获得计量许可证的情况,仍将其 单独配置[8]。
 
2功能一体化IED的设计方案
 
功能一体化IED是实现智能变电站中二次设 备就地安装的理想方案,一体化IED可以同时完成 合并单元、智能终端、测控、保护等几乎所有过程层 和间隔层功能。
 
2. 1总体设计和硬件结构
 
虽然在逻辑功能上可以按照合并单元、智能终 端和测控保护功能分类,但在二次设备的软硬件结 构上越来越趋向于融为一个整体[—M]。
 
—体化IED的硬件结构如图3所示,包含4个 主要模块:PowerPC主处理器模块,数字信号处理 器(DSP)数据处理模块,现场可编程门阵列 (FPGA)综合处理模块,断路器智能控制模块。
 
 
断路器的智能控制模块包括开关量采集、中间 继电器的出口和操作回路等功能模块,完成断路器 状态采集、保护出口和断路器的跳合闸操作。
 
此外,硬件设计方案还包括外围辅助模块,例如 看门狗电路、工作电源模块、扩展掉电保持存储器 (用以建立文件系统存储事项和日志文件)、人机交 互模块(用以设置查看定值和参数)。
 
2.2数据流设计
 
SV处理的数据流设计如图5所示。
 
为了适应智能化改造中保留常规互感器的情 况,一体化IED除了可以通过合并单元模块直接接 收电子式互感器的同步SV以外,还可以通过常规 模拟量采集模块将常规互感器接入过程层。因此, 合并单元模块可以接入3种类型的SV信号:电子 式互感器输出的数字量SV,常规互感器经A/D转 换后的数字信号,其他合并单元发送来的标准SV
GOOSE信息的收发功能。PowerPC主处理器模块 同时还完成测控、智能自检任务和人机交互模块的 管理等功能。
 
DSP数据处理模块采用高速浮点DSP芯片,利 用片内高速RAM存储程序,增加外围辅助器件 Flash存储器、SDRAM等构成数据协处理单元,主 要完成数字滤波、模拟量计算、保护逻辑判断等功 能。DSP模块通过FPGA中的双口 RAM获取 SV,通过HPI接口与PowerPC模块通信。
 
为了满足合并单元SV发送间隔离散度小于 10 p的设计要求[11],合并单元的绝大部分功能由 FPGA完成,尽量减少软件参与,保证SV收发的实 时性[12]。FPGA综合处理模块完成从电子式互感 器接收同步SV、进行插值同步和采样率调整、转发 SV数据帧、接收和发送GOOSE信息帧、标定以太 网帧的接收绝对时刻(如图4所示)等功能。具备 GPS解码功能,可以接收秒脉冲或IRK>B码,提供 给整个装置绝对时钟。实现双口 RAM功能用于 DSP模块与PowerPC之间交互数据。
 
 
MAC
经过上述处理后,以24点/周期的数据提供给 继电保护功能使用,以36点/周期的数据提供给测 控功能使用,以80点/周期的数据提供给数字式电 度表使用;在接入过程层SV网络时,以预先设定的 采样率向订阅者发送SV帧。
 
与 IEC 60044-8 标准不同,符合 IEC 61850-9-2 标准的SV信息采用了非固定帧的发送方式(帧格 式参见附录A图A1)。因此,需要CPU参与解析 配置文件,以获得数据集配置信息,并写入FPGA 中的配置寄存器,在FPGA中实现ASN. 1的编解 码和IEC 61850-9-2标准SV帧的组帧和解帧。
 
全局时钟信号消失后,可以通过装置本身的高 稳时钟在短时间保持同步。在失步较长时间后,通 过图4中实现的硬件时间标定功能和数据插值的方 法实现同步,保证继电保护功能的正常工作。限于 篇幅,具体实现不再详细讨论。
 
2.3 GOOSE信息的处理
 
GOOSE信息与SV的处理有一定的区别,属于 快速突发事件[13],对于间隔层设备之间的互锁信息 要满足3 ms要求较容易实现,但在操作系统中处理 保护跳闸的GOOSE信息,较难实现更高的实时性, 而此类跳闸信息对于继电保护而言希望越快越好。 以业内广泛采用的VxWorks以太网END接口为 例,需要逐个查询注册过的网络协议,然后提交网络 任务处理[14],即使不通过IP层处理,也需要提交 MUX层处理,响应时间较长。本文采用直接操作 MAC寄存器的方式,在以太网中断中直接处理 GOOSE 信 息, 提 高 了 跳 闸 GOOSE 的 实 时 性。 GOOSE信息的软硬件处理流程如图6所示。
帧。一体化IED也可适应这3种信号混接的情况, 此时由于电子式互感器的采样率与其他合并单元可 能不一致,而且一体化IED集成的各种功能对采样 率要求也不尽相同,因此,需要专门模块完成插值同 步和采样率转换工作。
响应以太网中断
触发PowerPC的 以太网硬屮断
 
| CRC —校外
 
|多播过滤| MAC层 1-^-1 | 功能
 
I wmm I
 
f 以太网
 
物现介质
(b)软件处理
(a)硬件处理
 
图6 GOOSE信息接收流程 Fig. 6 Flow chart of received GOOSE
 
2.4测控保护功能设计
 
做到测控精确、保护快速可靠是实现测控保护 一体化装置的难点和重点,实现性能的突破必须为 各种功能合理分配资源。在一体化IED的设计中 实现了相对独立的合理分工:测控功能由PowerPC 模块完成,继电保护功能由DSP模块完成。
 
PowerPC模块中测量计算任务采用全周期积 分算法计算测控模拟量的有效值,间接计算出有功 功率、无功功率、功率因数,并进行积分电度量的累 加。同时,可对三相电压和三相电流进行谐波含量 的分析。遥控任务可以接收站控层通过MMS网络 发来的遥控和顺控命令,驱动断路器智能控制模块 实现跳合闸操作,并将执行结果反馈给站控层。自 检任务实现完备的软硬件自检功能,可以将故障定 位于芯片,通过循环冗余检验(CR C )实时检测装置 参数、保护定值是否正常。
 
DSP模块从双口 RAM读取经过采样率转换的 SV序列,采样率统一转换为24点/周期。利用 DSP芯片的硬件乘加器和多级流水线特性实现逐 点全周期傅里叶滤波,获得保护模拟量的有效值和 相位信息。在检测到故障启动且数据窗满1个周期 后触发保护逻辑判断软中断,进行继电保护的逻辑 判断。这样处理既可以保证保护跳闸的快速性,又 可减少装置的计算负担。一体化IED提供的继电 保护功能包括电流电压保护、低周低压减载、重合 闸、过流加速保护、接地告警等。
 
2.5符合IEC 61850标准的信息建模
 
根据IEC 61850标准的要求,建立了过程层和 间隔层功能一体化IED的信息模型,将整个IED作 为一个服务器端,分解逻辑功能,建立以下逻辑设备
和逻辑节点。
 
1) LP DH:物理装置的公共信息逻辑设备,包含 逻辑节点LLN0;
 
2)LDMU:合并单元逻辑设备,包含互感器逻 辑节点TCTR和TVTR;
 
3) LDRL:保护逻辑设备,包含时限过电流保护 逻辑节点PTOC、低周减载逻辑节点PTUF、低电压 逻辑节点PTUV、自动重合闸逻辑节点RREC、保 护跳闸逻辑节点PTRC等;
 
4) LDMM :测量逻辑设备,包含测量逻辑节点 MMXU、谐波逻辑节点MHAI等;
 
5) LDCT:控制逻辑设备,包含隔离开关控制逻 辑节点XSWI、断路器控制逻辑节点XCBR、互锁逻 辑节点CILO等。
 
3结语
 
IEC 61850标准的精髓在于变电站功能的逻辑 设计。本文在一体化逻辑设计前提下,采用了功能 集成化的实现方式。 设计了一种过程层和间隔层功 能一体化实现的新型IED,将合并单元、智能终端功 能、保护和测控功能在一台物理设备中实现,软硬件 设计合理,有较好的经济性。采用功能一体化IED, 实现分散接地安装,可以减少二次设备数量,有效地 简化中低电压等级间隔的智能化改造工作。
 
功能一体化的设计为软硬件平台的统一提供了 有利条件,可有效地缩短产品研发周期,提高可制造 性,增强产品可组态性。功能一体化的实现可能会 引起对失效风险的担忧,在目前的技术水平下完全 可以通过完善自检告警功能、增强电磁兼容性 (EMC)设计、加强产品老化试验和出厂检验等手段 来提高一体化IED的可靠性。
 
感谢积成电子公司厂站部滕兆宏、魏鹏、 张志浩、王秀广、林伟、丛春涛、杨冰等工程师 在本项目开发过程给予的帮助和支持!
 
 
 
 
 
本文链接:http://www.cnkery.com/xinwendongtai/2013/1007/110.html
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