本站原创摘 要：随着供电需求增加、能源结构变化、配电通道制约,中低压网络出现越来越多的就近“T”接运行线路.IEC 61850第2版中90-1为实现多端变电站保护之间的通信信息交互提供了标准.文中所述方案采用此标准实现不同变电站间保护功能和控制功能命令的通信,利用成熟的高可用性无缝冗余技术实现数据共享.由此可接入不同厂家的保护设备,且不受接入设备数量的限制,能灵活应用在多端网络中.
关 键 词 ：IEC 61850-90-1；中低压网络；高可用性无缝环网
中图分类号：TM76 文献标识码：A
1.引言
随着经济的发展,用户对供电的需求增加,尤其在人口密集、土地紧张,供电线路走廊、变电站出线间隔已成为限制电力用户发展的主要原因,在110kV及以下用户就近T、π接运行线路将越来越多.由于分布式电源和绿色电源的大力发展,为保证机组稳定运行,须保证全线速动以切除故障.现有中低压系统继电保护配置,在有两个及以上用户的T接供电线路上,既要保证全线速动,又要兼顾继电保护选择性,提高用户的供电可靠性,存在较大难度.
IEC 61850 第二版中增加了IEC 61850-90-1实现变电站之间的通信.该规范的使用领域主要包括保护功能（差动保护、带许可和闭锁的距离保护、方向和相序比较保护、跳闸传输）和控制功能（自动重合、互锁、发电机和负荷减载）.标准中定义了2种不同的变电站通信方法：网关方法（Gateway）和隧道方法（Tunneling）.其中隧道方式由于采用基于以太网的虚拟局域网（Virtual Local Area Network,VLAN）技术,变电站之间的应用可以直接建立通信连接,适合传输对时间响应要求快速的应用数据,而网关方法则适合没有以太网连接的情况,采用电力载波、电缆、无线等传输介质,应用之间通过写作技巧网关来间接进行通信连接,适合对传输速度要求较慢的应用,如图1所示.
2.变电站站站间通信方案
常规保护装置的通信方式通常只能与一个或两个装置实现信息交互,在中低压辐射网络多端线路的需求面前就显得捉襟见肘.通过FPGA（Field-Programmable Gate Array）来实现多接口SV（Sampled Value）和GOOSE（Generic Object Oriented Substation Events）前置模块,实现收发处理SV和GOOSE任务,可以同时提供多路通信接口.最重要的是将通信接口独立于保护配置以外,增加了工程实施的灵活性和可扩展性.因此通过在专门的前置模块当中用FPGA去实现SV和GOOSE收发更能适应今后工程化的发展需求.
嵌入FPGA的SV和GOOSE前置模块相对于采样值,采用FPGA实现GOOSE收发的主要难点在于GOOSE报文结构、收发机制、传递信息相对复杂,其采用ASN.1（Abstract Syntax Notation One）编码格式,报文头中有包括TAL、AppID、TimeStamp、DataSetRef、GocbRef、ConfRev、TestMode、sqNum和stNum等在内的多种参数信息；数据区包括多种类型数据格式,且存在结构体数据嵌套.GOOSE报文收发机制复杂,其采用T0/T1/T2/T3的定时重传加突发变位的重传机制；每包报文都要通过参数sqNum和stNum进行序列计数；每组接收GOOSE需要进行组播地址、GooseID、AppID、DataSetRef、GocbRef等多种参数校验；需要建立CPU和前置模块间的内部通信报文收发机制.GOOSE传递信息复杂,包括链路信息,如链路是否中断、装置是否处于测试状态、ConfRev版本信息是否一致；收发数据类型多样化,布尔、浮点、整型、位、时间等.在订阅和发布数据基础上,需要和订阅虚端子进行映射关联.前置模块处理报文的流程如下所述,见图2.
（1）由配置工具生成收发配置文件V.xml和GOOSE.xml,该文件规定了装置订阅和发布的格式、信息与虚端子映射关系、各收发与前置模块各以端口中的配置关系等信息.
（2）将V.xml和GOOSE.xml下载到保护CPU中,由保护CPU解析V.xml和GOOSE.xml,并按前置模块要求转化成对应数据结构传到前置模块中,同时也作为保护CPU收发内部报文的校验依据.
（3）前置模块根据配置信息,对各端口收到的报文进行处理,判断是否为预期报文,如果非预期报文,则舍弃该报文,否则解析报文中的数据信息,经解析处理为保护应用所需的接收信息.
（4）保护CPU将信息通过内部总线发到SV和GOOSE前置模块,前置模块在判断到有信号变位,即将信号映射到对应的发布数据集,进行报文组织,并发送.
由于GOOSE前置模块所要实现的工作较为复杂,完全用FPGA实现工作量较大,且缺乏灵活性,因此在前置模块中的ARM CPU和FPGA协同完成报文处理.ARM与FPGA的分工所示进行.其中FPGA主要负责报文的编解码及收发工作,并依据配置文件,将收发信息与保护CPU硬件配置进行映射关联,ARM CPU负责接收从保护CPU传输的配置文件并提供给FPGA,作为收发行为的依据；实现与保护CPU的内部报文通信.ARM与FPGA间交互SV.xml和GOOSE.xml中所有订阅和发布数据,通信数据流量根据配置以及ARM与FPGA间的报文交互频率而定.
通常保护一般只发布和订阅布尔型开关量数据,因此数据量较小,如果收发100个左右开关量GOOSE数据,每个开关量占1个字节,按每0.833ms传递一次报文计算,要求通信速率约为：100×1×8×（1000/0.833）/1024等于937.88kbps等于0.92Mbps,因此ARM与FPGA间的通信速率不能低于1Mbps.
3.通信网络的构架 3.1 HSR的实现
HSR由几个双链接的交换节点构成,每个节点具有2个环网接入端口,以全双工链路连接工作.HSR遵循在不同的路由传输重复报文的原则,继承了PRP （Parallel Redundancy Protocol,RPR）零恢复时间的特点.基于查表算法,可以有效处理环网中的循环报文,同一节点不同端口在不同时间接收到的重复报文,后到的报文将社区,从而保证不会发生环网风暴.
3.2 同步的实现
HSR无需特殊的同步方式,同步包括采样、定值等同步,由于采样分布式采集,每个间隔子机需要收集所有其他间隔的采样数据,无法实现精确同步,各相电流则可能产生相位差,对应差动继电器,若差流过大时则可能引起误动.在整定定值时,从任一子机处整定,由本间隔子机将新定值信息同步到其他间隔,同步性保证了动作行为的一致性.
3.3 网络拓扑结构分析
采用星型网络拓扑结构,若一个主机出现故障时,则终端子机的通信中断,且主机端检修时,影响其它终端变电站运行.而采用环网拓扑结构时,网络中出现任一通道路由中断时,保护性能不受影响；且任一设备退出运行时,不影响网络中其它设备的运行,便于变电站运行和维护.
4总结
基于IEC 62439-3-2012的HSR技术,经济性好、网络结构简单可靠,当网络出现故障时,网络恢复无延时.其完全可以满足了纵联保护的要求,而各端保护可靠通信又能支持任一纵联保护检修退出而不影响其它设备运行的需求.采用IEC 61850标准设计,保证了各端变电站装置互联互通,有着很好的可扩展性与互操作性,具备良好的工程推广应用前景.