仲雅霓， 姚成， 郄朝辉， 陈小卫， 刘洪亮

(1.国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司, 江苏 南京　210003； 2.南京供电公司，江苏 南京　210008)



智能变电站基于站控层GOOSE输入输出的备自投装置研制

仲雅霓1， 姚成1， 郄朝辉1， 陈小卫1， 刘洪亮2

(1.国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司, 江苏 南京210003； 2.南京供电公司，江苏 南京210008)

分析了目前备自投装置开关量输入输出的两种方式，在此基础上，综合考虑实时性和成本效益，提出了一种基于站控层GOOSE方式实现开关量输入输出方案，将站控层MMS与GOOSE双网合一，以站控层GOOSE方式采集变电站全站实时开关量信息、开出跳合闸命令，实现备自投功能。结合工程实践介绍了分段备自投的实现过程，并详述了备自投装置实现站控层GOOSE收发的关键技术，给出了备自投装置动作性能指标。保证备自投实时性的同时简化了变电站备自投装置的网络架构，有效降低了变电站的建设成本。研制的备自投装置目前在多个智能变电站运行效果良好。

智能变电站；站控层；GOOSE；备自投；集中控制技术

0　引　言

备用电源自动投入装置(简称备自投)是电力系统故障或其他原因导致工作电源断开后，能迅速将备用电源或备用设备或其他正常工作的电源自动投入工作的一种自动控制装置[1]，也能使原来工作电源被断开的用户迅速恢复供电。

备自投装置所需的信息来自变电站多个间隔，对外的输入输出信号连接较为复杂。常规变电站备自投装置主要采用硬接点输入输出方式，通过二次电缆获取开关位置和闭锁信号、开出跳合闸信号。该方式需要在现场敷设大量二次电缆，接线繁复，当变电站需要扩建线路间隔或增加新设备时，则需重新敷设电缆，增加工作量和改造成本。随着以IEC61850为标准的智能变电站的发展，通用面向对象的变电站事件传输机制(GOOSE)借助先进的网络通信技术，能够确保报文传输的实时性和快速性[2]。备自投装置从过程层GOOSE网获取开关位置信号及闭锁信号，并开出跳合闸命令。该方式实时性好，可靠性高，但需依赖GOOSE光缆和过程层交换机，通信造价昂贵[3]，对于中低压变电站来说，该方式建设成本较高。

综合考虑备自投装置开关量输入输出的特点以及中低压变电站的实际需求，本文提出一种基于站控层GOOSE方式实现开关量输入输出的备自投装置，站控层MMS(制造报文规范)网与过程层GOOSE网双网合一，通过站控层GOOSE方式接收开关量信息、闭锁信息，并发送跳合闸命令，简化了变电站二次架构，有效降低了建设成本。

1　实现方案

基于站控层GOOSE的备自投装置原理如图1所示。

图1　基于站控层GOOSE的备自投装置原理框图

本文提出的基于站控层GOOSE的备自投功能由备自投装置和其他不同保护对象的间隔层装置共同完成。

备自投装置采用双CPU的硬件架构。基于MPC平台的显示和通讯管理单元主要实现装置的菜单显示以及站控层通信功能，DSP平台主要实现备自投保护逻辑判断，双口RAM负责两个CPU之间的信息交互。备自投装置通过常规交流采样或SMV9-2报文采集电压、电流模拟量，间隔层保护测控装置采集实时开关量信息通过站控层电以太网，以GOOSE报文的形式上送开关位置信息至备自投装置，备自投装置MPC平台收到站控层GOOSE数据后将数据传输给双口RAM，由双口RAM将数据交互给基于DSP平台的保护测控单元，用于备自投保护逻辑判断，DSP平台的保测单元输出跳合闸出口命令经双口RAM传递给MPC平台，由MPC平台开出站控层GOOSE跳合闸命令，间隔层保护测控装置执行备自投装置发出的跳合闸命令，共同实现备自投功能。

2　实施过程

图2　分段备自投保护一次接线图

以分段备投的实施过程为例，保护一次接线图如图2所示。

图2中，进线1、进线2互为备用电源，备自投装置需采集进线1、进线2以及分段的开关位置、合后信息以及其他保护动作的逻辑闭锁信号。由#1主变保护测控装置完成1DL开关位置采集，由#2主变保护测控装置完成2DL开关位置采集，由分段保护测控装置完成3DL开关位置信息采集，主变保护动作信号由#1、#2主变保护测控装置传递给备自投装置用于逻辑闭锁。备自投装置根据电网实时状况，进行充电，若母线失压且进线无流满足备自投动作条件，则备自投装置通过站控层GOOSE发出跳开工作电源开关1DL(或2DL)命令，#1主变(或#2主变)保护测控装置通过站控层网络接受到GOOSE跳闸令跳开1DL(或2DL)开关，#1主变(或#2主变)保护测控装置将1DL(或2DL)开关位置发送给备自投后，由备自投装置通过站控层GOOSE网络发送合3DL命令给分段保护测控装置，由分段保护测控装置合上3DL开关。

本方案在构成上只保留了SV网(或常规交流输入)和站控层通信网，取消了过程层GOOSE网和开关量电缆输入输出，GOOSE信号与MMS信号共用站控层通信网络。方案实施时，无需为备自投装置敷设采集开关位置、闭锁信息和跳合闸命令的电缆或光缆，只需将间隔层装置接入到站控层通信网络。

3　关键技术分析与实现

3.1基于站控层GOOSE的开关量高速输入输出技术

由于GOOSE技术要实现开关位置、保护跳闸以及逻辑闭锁等重要报文的传送，IEC61850标准规定其通信延迟要求小于4 ms[4]，这对信息传输的实时性和可靠性要求很高。

对保护装置而言，与通过专门的GOOSE板来接收过程层GOOSE不同，站控层GOOSE通过负责显示和通讯功能的CPU来完成收发功能，因此需要对装置的嵌入式环境作出重新设计和改进。

基于备自投保护测控装置的双CPU的硬件架构，为保证站控层GOOSE收发实时性，采取以下技术来进行改进和提高：

(1) 提升基于应用层的站控层GOOSE数据处理任务优先级。由于MPC平台是基于任务调度机制的，为保证GOOSE收发的实时性，需要将站控层GOOSE数据处理任务优先级设置的比MMS数据处理任务的优先级高，保证GOOSE报文优先MMS报文处理，从而使GOOSE报文的收发在第一时间完成。

(2) 将MPC平台的GOOSE数据处理任务的调度时间调低至小于1 ms。由于GOOSE变位最小的发送时间是1 ms，为保证最快识别出该变位信息，需要设置站控层GOOSE数据处理任务的调度时间低于1 ms，才能保证最快识别出该GOOSE变位，同时保证GOOSE信息的快速传输。

(3) 将双口RAM与MPC平台或DSP平台之间的数据交互采用硬中断实现。由于硬中断是由FPGA的计时器定时产生，而且FPGA的时间误差为纳秒级，因此硬中断是保证实时性最高的实现方式之一，有力保证了站控层GOOSE数据交互在MPC平台和DSP平台的数据交互的实时性。

相对于过程层GOOSE来说，虽然站控层GOOSE增加了MPC与FPGA的交互环节，但是通过采取上述三种措施，仍保证了站控层GOOSE数据传输的快速性和可靠性。

表1为本文提出的基于站控层GOOSE备自投装置与智能变电站基于过程层GOOSE的备自投装置GOOSE动作性能比较一览表。

表1　GOOSE动作性能对比表

表1中，GOOSE 动作性能是指备自投装置从接收到GOOSE命令到开出GOOSE跳闸命令的动作时间[5]，该指标能够表征出装置在两种不同机制下处理站控层GOOSE和过程层GOOSE的时间差异。从该表可看出，站控层GOOSE的动作性能非常接近过程层GOOSE。经系统测试，本文研制的备自投装置整体保护动作时间不大于35 ms(小于标准规范要求的40 ms)，满足现场实际应用需求。

3.2基于站控层GOOSE的双网冗余技术

智能变电站的站控层MMS网均设双网，因此可借助通过智能变电站已有的双冗余站控层MMS网，来保证间隔层装置与备自投装置的GOOSE信息传输的可靠性传输。

首先通过双冗余的MMS网同时传输GOOSE信息，保证了站控层GOOSE的可靠性；其次增加备自投装置接收GOOSE信息的切换机制。备自投装置同时接收和存储A、B网的GOOSE信息，两网均在工作状态，根据网络链路情况进行GOOSE信息在站控层A网和B网之间的实时切换。正常情况下优先使用A网数据，当连续2个Ts(一个Ts一般为5s)时间内接收不到A网GOOSE报文，且B网GOOSE报文传输正常，则将备自投装置接收的GOOSE信息立即切换至B网，由于B网数据一直在接收，是连续有效的，因此，双网切换不存在时间间隔，不会造成报文丢失。若此时备自投装置连续5个Ts时间连续收到A网GOOSE报文，证明A网GOOSE通信已恢复，则仍切换回A网。

通过上述站控层双冗余传输技术，极大地保证了站控层GOOSE的传输可靠性。

3.3全站备自投集中控制技术

基于站控层GOOSE的备自投装置可以获取全站的开关位置和闭锁信息，从而可将多个电压等级整合在一起，实现全站备自投功能[6]，将高侧进线/桥备自投、中侧分段备自投、低侧分段备自投以及主变备自投等多种功能集成在一个装置里，并可在装置里增加过负荷联切、过负荷闭锁功能，实现全站的备自投集中控制保护功能。实现全站备自投集中控制功能的备自投装置可替代以往变电站多个备自投装置，无需在每个备投点设置独立的备自投装置，在简化变电站网络架构的同时减少了间隔层保护设备数量，大大降低了变电站建设成本。

4　特点

本文设计了一种接线方式简单、动作性能佳的智能变电站备自投装置。该装置通过站控层GOOSE网采集开关位置、闭锁信号以及发送跳、合闸命令，取消了硬接点接线及过程层GOOSE网络，大大简化了备自投装置的二次接线，既降低了电网建设成本，又有效提高了电网运行可靠性，保证电网负荷合理分配，并且可以借助软PLC软件，灵活构建基于全站的各种实时控制功能。

图3为典型智能变电站备自投装置和本文研制的备自投装置的二次接线结构比较图。

通过图3可以看出，对于备自投装置而言，站控层MMS与GOOSE合二为一，备自投装置通过已有的站控层MMS网络进行GOOSE横向通信。一方面简化了变电站备自投装置的二次接线，缩短了建设周期，另一方面降低了建设成本，装置无需使用专门的GOOSE插件，无需铺设大量光纤，更适应中低压变电站的需求，实时性和经济效益两者兼顾。

图3　基于过程层GOOSE与基于站控层GOOSE的备自投装置

需要指出的是，本文设计的备自投装置所需的实时开关量信息是从间隔层装置获得的，因此对间隔层装置提出新的要求，需具备站控层GOOSE收发功能。智能变电站内站控层网络通信通道好坏将直接会影响该系统的动作性能和实施效果。

5　结束语

本文结合备自投开关量输入输出特点，针对中低压智能变电站的实际情况，提出了一种兼顾实时性和经济效益的站控层GOOSE传输方案，并在备自投装置上得到实施。该方案简化了中低压智能变电站的二次网络架构，有效降低了建设成本，且动作性能优越，可满足110 kV电压等级以下的智能变电站运行的实际需求。目前，采用该方案研制的基于站控层GOOSE输入输出的备自投装置在多个智能变电站运行良好。

[1] 丁书文. 变电站综合自动化原理及应用[M]. 北京: 中国电力出版社, 2003.

[2] 徐成斌, 孙一民. 数字化变电站过程层GOOSE通信方案[J]. 电力系统自动化, 2007, 31(19): 91-94.

[3] 李海星, 王政涛, 王锐, 等. 基于IEC61850标准的网络化备自投功能[J]，电力系统保护与控制, 2009,37(14):82-85.

[4] 曹海欧，严国平，徐宁，等. 数字化变电站GOOSE组网方案[J]. 电力自动化设备,2011,31(4):143-145.

[5] 肖韬,林知明,田丽平. 关于变电站 GOOSE 通信方案的研究[J].华东交通大学学报, 2008, 25(4): 66 - 70.

[6] 姚成, 黄国方, 仲雅霓,等. 基于站控层GOOSE的站域控制实现方案[J]. 电力系统自动化, 2012, 36(18): 159-160.

Design of a Backup Power Automatic Switching Device Based on Station-level GOOSE Input/output at Smart Substations

ZHONG Ya-ni1, YAO Cheng1, QIE Zhao-hui1, CHEN Xiao-wei1, LIU Hong-liang2

(1. State Grid Electric Power Research Institute/ NARI Group Corporation, Nanjing Jiangsu 210003, China; 2. Nanjing Power Supply Company, Nanjing Jiangsu 210008, China)

This paper analyzes two current on-off input/output modes of the backup power automatic switching device. On that basis, considering both real time performance and cost effectiveness, it presents a scheme of on-off input and output based on the station-level GOOSE mode, which combines the station-level MMS and GOOSE, collects real-time on-off information of the whole substation in the station-level GOOSE method and gives out switching off/on commands to realize the backup power automatic switching. Based on this scheme and under consideration of engineering practice, it introduces the process of realizing fragmented automatic connection, describes in detail the key technique for station-level GOOSE reception/transmission in the backup automatic switching, and gives motion performance indicators of the backup automatic switching device. This scheme can not only ensure real-time performance of backup automatic switching, but also simplify its network framework, thus reducing the construction cost of the substation. Backup automatic switching devices researched and developed in this scheme are operating very well at a number of intelligent substations.

smart substation； station level； GOOSE； backup power automatic switching； centralized control technique

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.020

TM762

A

1000-3886(2016)01-0062-03

仲雅霓 (1986 -)，女，江苏南通人，硕士，工程师，从事电力系统继电保护装置的研究与开发。姚成 (1974 -)，男，江苏南京人，硕士，研究员级高级工程师，从事电力系统继电保护研究与开发。郄朝辉(1985 -)，男，河北石家庄人，硕士，工程师，主要研究方向：电力系统自动化。

定稿日期: 2015-02-12