一种广域智能保护主机的硬件结构

肖荣国，田 伟，刘 更，徐丽娟，郑浩野，曾兵元

(1.黑龙江省电力有限公司，黑龙江哈尔滨150090;2.江苏金智科技股份有限公司，江苏南京211100)

0 引言

随着数字化变电站建设、通信技术飞速发展以及电力光纤通信网的推广应用，建设基于实时广域信息的广域智能控制系统已经具备了物质条件［1］。因此，黑龙江省电力调度通信中心继电保护处2008年开始广域保护的研究探讨工作，经过多次组织专家进行调研，成立了由黑龙江省调继电保护处和江苏金智科技公司组成的科研小组，开始了广域保护控制系统的研究。

1 广域智能保护主机

1.1 总体系统结构

整个广域保护系统由主站设备及3个子站设备组成，如图1所示。

图1 通信网络结构图

子站设备由智能采集控制单元、同步装置、通信设备组成，实际装置分别安装在220 kV尚志、宾州、亚布力变电站。子站主要完成信息采集、数据交换、与主站时钟保持同步、保护跳闸、重合闸、一次设备操作等指令。主站设备由广域保护主机、主时钟、通信设备组成，实际装置安装在黑龙江电力调度通信中心继电保护实验室。主站主要完成广域保护功能、同子站数据交换、时间同步等。交换机、同步装置、以太网SDH转换装置、SDH(Synchronous Digital Hierarchy)光纤环网构成了广域智能保护主机外部光纤网络通道，提供子站的IEC61850-9-2报文和GOOSE报文。

1.2 保护主机多种CPU结构

广域保护范围是多个变电站区域内所有设备，包括母线、主变及线路;常规微机保护范围只是1座变电站内的某个电力元件，例如线路或母线等。

无论常规微机保护还是广域保护，按照内部功能划分，都可分为输入模块、保护功能模块、输出模块及通信模块。输入模块接收网络报文，包括IEC61850-9-2报文和GOOSE报文，并对其进行解码、计算，形成具体的采样值和开关位置信息;保护功能模块实现具体的保护控制逻辑，包括主保护、后备保护、重合闸等;输出模块发出跳闸命令、GOOSE报文等，用来实现开关的分合功能;通信模块实现人机界面、报文存储等功能［2］。

广域保护与常规微机保护不同的是需要接收大量网络报文，分析其具体的报文特点，再决定对应具体的硬件结构。

GOOSE报文流量与IEC61850-9-2报文流量相比可以忽略，因此主要按IEC61850-9-2报文分析流量。子站每个间隔每秒发送4 000 bps IEC61850-9-2报文，通常1 bps IEC61850-9-2报文不会超过200字节，这样每个间隔发送的最大数据量是200×4 000×8=6.4 Mbit/s。如果光纤网络接收模块按照100 M设计、裕度20%考虑，最多可以接入12个间隔。

常规微机保护只需接收1个间隔或1个电力元件相关的几个间隔，网络接收流量不会超过100Mbit/s，同时保护逻辑算法相对简单，因而输入模块、保护功能和输出模块可以由同一个CPU实现，通信模块由通信CPU实现，两者间数据交互通过异步串口实现［3-4］，如图2所示。

图2 常规微机保护硬件结构

广域保护范围涉及多个变电站内部和之间的多个电力元件，接入间隔数量较多;广域保护逻辑相对复杂，按照其保护功能，又可分为差动主保护、后备保护、稳定控制等。因此，广域保护单个CPU无法集成输入模块、保护功能模块、输出控制模块等，广域保护主机必须采样多CPU协同工作方式。

按照内部功能划分，可以分为网络CPU、保护功能 CPU、通信 CPU。网路 CPU用来实现IEC61850-9-2报文、GOOSE报文的接收、解析、计算等功能;保护功能CPU用来实现具体保护逻辑;通信CPU实现通信功能，如图3所示。

图3 广域智能保护主机硬件结构

1.3 多种CPU结构内部通信方式比较

一套广域保护主机可能需要多个网络CPU、多个保护功能CPU。多种CPU之间需要交互数据，需要分析多种CPU之间数据传输的特点。假设广域智能保护主机由3块网络CPU、2块保护功能CPU和1块通信CPU组成。3块网络CPU需要分别向2块保护保护CPU发送采样数据，按照每周波24点采样数据和其它相关信息，考虑实际每点数据量1 500字节，则每块网络CPU发送的数据流量是1 500×8×1 200=14.4 Mbit/s;单个保护保护CPU需要接收3个网络CPU采样数据，这样单个保护CPU就需接收14.4×3=43.2 Mbit/s的数据量，同时单个保护CPU还需和通信CPU进行信息交互。

网络CPU需要接收保护CPU的控制报文，同时还需要与通信CPU进行信息交互。多种CPU间信息交互如图4所示，其中粗线表示相互间数据交互流量较大，细线表示相互间数据交互流量相对较小。

图4 多种CPU间信息交互图

通常CPU间通信方式有异步串口通信、同步串口通信、PCI总线方式通信3种方式。

异步串口通信(UART)一般用于低速非实时数据传输，通常波特率在几kbit/s到几十kbit/s，即便波特率采用230 400 b/s，也很难满足43.2 Mbit/s的内部数据交互要求。

同步串口通信一般用于高速实时数据通信，由于收发同步，传输速率得到极大提高，可以达到66 Mbit/s，因此在数据流量上能够满足内部数据交互要求［5］。但是，同步串口是点对点的联系，通常CPU提供的同步串口不超过2个，以单个保护CPU为例，它需要接收来自3个网络CPU的数据，无法满足要求，同时这种方式可扩展性差，当系统需要增加新间隔、广域智能保护主机需要增加新的网络CPU时，同步串口的点对点连接限制使现有保护CPU与通信CPU同步串口接线都需要重新设计。

PCI总线方式通信是由Intel公司1991年推出的一种局部总线。总线时钟频率为33.3 MHz/66 MHz，最大数据传输速率为133 Mbit/s，能够满足数据流量的要求［6］。

多种CPU可以通过PCI总线相连，并被分配独立的地址。当需要发送数据时，发起者(Master)首先需得到仲裁器(Arbiter)的许可，然后向对应目标地址的设备传输数据，这样就有效解决同步串口点对点连接的限制。当网络新增加CPU时，只需将其与PCI总线相连，并分配独立的地址，就可无缝接入原有系统，系统的可扩展性得到了提高。这种结构同一时刻只允许1个CPU向另1个CPU传输数据，虽然不是点对点连接，但是也属于点对点通信。当1块网络CPU需要向2块保护CPU传输数据时，网络CPU需要分别发送，大大增加了网络CPU负担，影响实时数据传输。

通过比较多种CPU之间传输的报文，保护CPU接收的采样报文、网络CPU接收的控制报文属于优先级高的报文，保护CPU与通信CPU之间的通信报文属于优先级低的报文。采用PCI总线方式时，当优先级低的报文一直占用总线时，优先级高的报文得不到响应，这对广域保护来说是不允许的。3种通信方式各有其缺陷，如表1所示。

表1 3种通信方式特点比较

1.4 基于Gbit交换机的通信方式

本文提出了一种基于Gbit交换机原理实现的通信方式。多种CPU直接与内部交换机相连，通过交换机实现内部通信报文的交互。

在流量控制方面，内部交换机按1 000 M设计，完全能够满足要求。交换机转发报文方式有广播、点播、组播等。通过组播方式，可以实现多种CPU之间多对多通信。当1个网络CPU需要向2个保护CPU发送数据时，网络CPU只需发送1次，加入对应的组使保护CPU都能够接收到该报文。交互的报文格式基于IEEE 802.1P，其报文格式如图5所示。

图5 基于IEEE 802.1P的以太网报文格式

在图5中，TCI是标签控制信息字段，包括用户优先级(User Priority)、规范格式指示器(Canonical Format Indicator)和VLAN ID;User Priority定义用户优先级，包括8个优先级别。IEEE 802.1P为用户优先级位定义了操作。通过赋予报文不同的User Priority，可以实现以太网报文优先级的区分。由于对以太网报文进行优先级的设置，高优先级的报文首先转发，低优先级的通信报文就不可能打断高优先级的采样、GOOSE报文。

2 具体硬件配置

黑龙江省电力有限公司与金智科技公司共同研究的广域保护系统，针对的子站分别是220 kV尚志、宾州、亚布力变电站。每个子站间隔数量都不超过10个，网络CPU板配置3块，保护CPU板配置2块，实现主保护、后备保护和稳定控制。通信CPU板配置1块。

保护CPU板网络数据处理流量大，保护逻辑较为复杂，CPU选型为TI 6455，主频高达1 GHz，具备强大的网络处理能力，支持Gbit网络。网络CPU板主要实现对标准IEC61850-9-2采样报文接收、GOOSE报文接收以及GOOSE跳闸发送，采用AD Blackfin 537，支持100 M网络数据处理。通信CPU板采用Intel IXP420芯片，主要实现相关人机通信功能。整个广域智能保护主机结构如图6所示。

图6 广域保护主机结构图

3 结论

1)基于Gbit交换机通信方式的多种CPU协同工作的保护主机结构，在传输流量控制、系统可扩展性、传输效率、传输的优先级控制具有优越性，能够完全满足广域保护主机要求。

2)广域智能保护主机在2012年6月已经顺利通过华中科技大学动模测试，取得良好的效果。广域智能保护主机硬件结构已经在黑龙江省调度中心正式投运，运行正常，并且该结构已经申请实用新型专利。

［1］刘振亚，栾军.智能电网知识问答［M］.北京:中国电力出版社，2010:9.

［2］薛禹胜.时空协调的大停电防御框架:从孤立防线到综合防御［J］. 电力系统自动化，2006，30(1):8-16.

［3］薛禹胜.时空协调的大停电防御框架:广域信息、在线量化分析和自适应优化控制［J］.电力系统自动化，2006，30(2):1-10.

［4］薛禹胜.时空协调的大停电防御框架:各道防线内部的优化和不同防线之间的协调［J］.电力系统自动化，2006，30(3):1-10.

［5］李碧君，许剑冰.大电网安全稳定综合协调防御的工程应用［J］. 电力系统自动化，2008，32(6):25-30.

［6］易俊，周孝信.电力系统广域保护与控制综述［J］.电网技术，2006，30(8):7-12，30.