嵌入式以太網的變電站間隔層保護系統研究

摘要：結合IEC 61850標準和國內電力系統發展現狀，針對數字化變電站過渡方案中的間隔層保護系統進行硬件及軟件設計。詳細分析了裝置功能的劃分、實時任務優先級設計及任務間通信的實現。實踐表明該設計系統能夠滿足間隔層保護裝置的性能要求。
關鍵詞：IEC61850；間隔層保護；PowerPC 8247；實時任務；任務間通信

引言
IEC 61850標準為數字化變電站奠定了標準化基礎，變電站自動化系統最主要的功能是實現裝置的自我保護。國內探索應用IEC 61850時卻并沒有首先從保護裝置入手，主要是考慮到保護功能的復雜性、多樣性以及配置的靈活性，使得對完全符合IEC 61850的保護功能的建模具有一定的難度。
標準的互操作及功能自由分布特性要求變電站自動化系統中的不同智能電子設備(IED)間能更靈活地協同。本文在深入研究IEC 61850標準對保護功能建模的基礎上，針對國內保護裝置發展和應用的現狀，提出一種適合國內電網結構及運行方式的數字化變電站過渡方案，并給出了基于該方案的間隔層保護系統設計方法。

1 數字化變電站過渡方案
就目前而言，采用智能化的一次設備(如電子式互感器及智能化開關等)、網絡化的二次設備，以及符合IEC61850通信規范、自動化的運行管理系統，是數字化變電站主要技術特征。圖1為數字化變電站系統結構。

鑒于我國對IEC 61850標準的研究和實踐還處于探索階段，國內電子式互感器技術的成熟度尚待考核，變電站過程層和間隔層的IEC 61850實現應分步驟漸進實施。針對該情況，提出一種現階段的數字化變電站系統過渡方案，如圖2所示。

該方案中的過程層一方面采用ECT／EPT和智能開關，模擬量采集和開關量控制實現完全數字化，完成電力運行的實時電氣量檢測、運行設備狀態參數在線監測與統計、操作控制的執行與驅動；另一方面也支持傳統一次設備下硬接線模式，采用連接導線接入常規互感器和開關。合并單元匯總本間隔的實時數據信息并以多播方式經由過程總線傳送間隔層保護裝置，使間隔層實現對一次沒備的保護控制功能，對數據采集、統計運算及控制命令的發出進行優先級控制，另外也可在傳統模式下通過采樣板獲得常規互感器和開關的數據。變電站層采用符合IEC61850標準的數字化變電站站控層系統，為分布式系統設計。考慮到61850裝置的網絡接入能力，后臺采用C／S模式，工作站需從主服務器取數據。
該方案在傳統變電站兩層結構的基礎上實現了間隔層和變電站層的數字化。傳統保護裝置中的數據采集部分包括模擬量(電流、電壓)數據轉化，開入量(如斷路器位置、隔離刀閘輔助接點)讀取等，但要采用數據映射的方式接入：A／D轉換模塊映射成IEC 61850過程層數字式傳感器的一部分；開關量輸出模塊映射成IEC 61850過程層數字式執行器的一部分；開關量輸入模塊映射成IEC 61850過程層數字式斷路器的一部分；完成濾波、計算、邏輯和控制功能的主控模塊映射成IEC 61850間隔層的保護控制設備。
采取這種映射方式，保護裝置可以在接收通道模擬量的同時直接接收數字量。也就是說，裝置可以很好地實現IEC 61850系統中過程層和間隔層功能，也可以兼顧現有的系統，從而實現了常規設備和基于IEC 61850的二次設備之間良好的并存和過渡。