智能变电站母线保护改造接口技术研究

刘 鹏，刘东超，祁 峰，胡桂平，吕 航

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102）

0 引言

采用新技术，基于IEC61850系列标准的智能变电站越来越成为当前变电站建设的趋势［1-20］。经过几十年的电网建设，作为重要节点的变电站有的运行时间很长，面临着设备老化［4］，安全环保等满足不了现有的要求或者超过使用年限等问题，也有改造的现实需求。有的变电站是本地区的枢纽站，承担着重要的负荷，改造过程中不适用于全站全停，需要按照间隔有步骤、有计划地改造，以尽可能减少对本地供电的影响［4，10］。母线保护装置作为跨间隔设备，必然存在新旧设备接入的问题。

新设备和老设备在外部端子配合上，可能有常规电缆接线和虚端子连线［21-22］；即使同样使用智能组件的装置，也可能存在新老设备虚端子不兼容，也需要有一种新的过渡接口装置把新旧设备连接起来，实现完整的母线保护功能［9，12］。

针对两类改造，本文介绍了母线保护改造方案及接口转换技术，并重点介绍了过渡接口装置的软硬件设计。

1 母线保护改造方案

1.1 常规变电站改造为SV采样+GOOSE跳闸智能变电站

国家电网有限公司（以下简称“国网”）某早期常规变电站，母线保护为常规电缆采样，常规电缆跳闸，改造成SV 采样，GOOSE 跳闸，下文中简称为“第一类改造”，如图1所示。

图1 常规变电站改造为SV采样+GOOSE跳闸智能变电站Fig.1 Conventional substation transformed into SV sampling+GOOSE trippin intelligent substation

改造过程中，模拟量接入改造间隔的模拟量输入式合并单元及原母线保护装置；间隔逐次改造成含有合并单元、智能终端的数字化间隔，为了保证原母线保护功能完整，需为原母线保护装置配置过渡接口装置［7-12］。

对于原母线保护装置，过渡接口装置把改造间隔的智能终端输出的刀闸位置GOOSE 信号转换为接点开出，其他保护的启失灵GOOSE 信号转换为接点开出［23］；对于新上的智能终端，过渡接口装置把母线保护跳闸输出接点转换成GOOSE报文，和新智能终端通讯，过渡接口装置输出的GOOSE报文格式应与新母线保护输出的GOOSE 报文保持一致，对于新智能终端，过渡接口装置虚拟了新母线保护的GOOSE跳闸功能。

所有间隔改造完成后，拆除原母线保护装置及过渡接口装置。

1.2 智能变电站改造为常规采样+GOOSE 跳闸智能变电站

南方电网有限公司（以下简称为“南网”）某早期智能变电站，母线保护为数字化母线保护，采用电子式互感器实现电流、电压采样，电子式互感器与母线保护之间点对点连接［2］，采用IEC60044-8 规约（FT3 协议）。母线保护通过G00SE 网络实现刀闸位置、开关位置和失灵等开关量信号的采集，以及保护跳闸、失灵联跳等开关量信号的出口。按照南网标准化设计，改造为常规电缆采样，GOOSE 跳闸［21］，文中简称为“第二类改造”，如图2所示。

图2 智能变电站改造为常规采样+GOOSE跳闸智能变电站Fig.2 Intelligent substation transformed into a conventional sampling+GOOSE tripping intelligent substation

改造过程中，为每个改造间隔配置接口装置，用于将新智能终端和间隔保护的GOOSE 报文转换为与原智能终端和间隔保护相同的报文格式，保证原母线保护在虚端子配置不变的前提下，全程投入运行。同时采集常规TA 输出的信号转换成数字信号，SV 的配置信息与电子式互感器的输出格式一致，接入原母线保护对应光纤位置。

为原母线保护配置过渡接口装置，将原母线保护GOOSE 发送报文转换成新母线保护GOOSE 报文格式，改造结束后投入新母线保护直接替代原母线保护，实现平滑过渡。

I、II 母线安装常规电压互感器，原有电子式电压互感器保留；新母差保护屏柜安装，通过电缆接入电压模拟量。

全站SCD 文件导入新母线保护ICD 模型，为原母线保护配置过渡接口装置并连接到新过程层网上，将原母线保护GOOSE 发送报文转换成新母线保护GOOSE报文格式。

所有间隔改造完成后，退出原母线保护装置，投入新母线保护装置，拆除过渡接口装置，拆除电子式电压互感器。

2 过渡接口装置关键技术

2.1 硬件设计

过渡接口装置类似于虚拟装置［15］，对外接口上要能模拟母线保护、间隔保护输出或者一次开关刀闸位置接点。

使用高度集成的双片SoC（System on Chip）芯片，同时计算，相互校正，避免单片SoC内存出错导致输出异常数据，增强过渡接口装置的运行可靠性。以该芯片为核心，配合其他外设，实现管理、采样、码值转换及SV发送和GOOSE收发功能，如图3所示。

图3 系统硬件架构图Fig.3 System hardware architecture diagram

2.2 软件设计

2.2.1 电流模拟量采集功能设计

电流模拟量经过装置内部的小TA 转换成电压小信号，经过两组RC 滤波硬件电流［24-27］，分别由不同的AD 芯片转换成数字量，推送采样数据至双片SoC，经过插值同步，码值转换，双核互校后组帧，最后通过IEC60044-8协议发送，如图4所示。为了增加适用性，也可以选择通过IEC61850-9-2 协议输出采样数据［28-29］。

图4 电流模拟量采集数据流图Fig.4 Current analog acquisition data flow diagram

2.2.2 开关量采集发送软件设计

IO 板卡采集开关量，主要打时标及防抖处理［25］，经过背板CAN 总线，分别到两片SoC，互校后输出GOOSE报文，如图5所示。

图5 开关量采集数据流图Fig.5 Switch acquisition data flow diagram

2.2.3 接点出口软件设计

GOOSE 控制信号在FPGA 侧进行白名单过滤、流量控制处理［25］，然后分别到两片SoC 进行解码、逻辑处理后，一个SoC 输出结果用于开放出口正电源，另一个用于驱动继电器，保证出口的可靠性，如图6所示。

图6 接点出口数据流图Fig.6 Contact outlet data flow diagram

2.2.4 第一类改造接口装置

针对第一类改造方案，需要把原母线保护的跳闸信号转换成GOOSE 报文，把刀闸位置由GOOSE 报文转换成接点输出供原母线保护使用。

需选配足够的开入板卡和开出板卡。装置的GOOSE发送数据集的成员数量、顺序、GOCB属性等要和母线保护一致，以保证改造完成后新母线保护投入运行时，间隔保护及智能组件不需要重新配置过程层文件。

2.2.5 第二类改造接口装置

针对第二类改造方案，需要把原母线保护GOOSE报文转换成新母线保护的GOOSE报文，用于跳新改造间隔的智能组件；并选配交流头插件，具备常规采样功能，采集新改造间隔的电流信号，给原母线保护使用，以保证母线保护功能的完整性。

3 工程实施

1）根据现场情况设置合理的采样率，以及通讯参数，比如早期的电子式互感器输出一般采用12通道的标准FT3协议。

2）针对第一类改造，母线保护为公共设备，所需采集的IO 数量非常多，接口过渡装置在配置板卡时，应注意继电器出口动作时的功耗；另外和间隔设备之间采用光纤点对点连接，需配置不少光口，光功率消耗大，应避免超过电源板卡的负载。

3）母线保护永跳信号通过开入转GOOSE 报文时，开入防抖应尽可能短，避免显著增大动作时间［30］。

4 结语

母线保护对变电站安全运行非常重要，针对不同类型的变电站改造，采用不同的接口过渡装置，保证完整的母线保护功能投入运行有重要的意义。本文阐述的两种方案及对应的接口过渡装置已成功应用于国家电网有限公司和南方电网有限公司的变电站改造，对其他计划实施改造的变电站有一定的参考价值。