自采用常規(guī)互感器+合并單元采樣模式的智能變電站被大規(guī)模推廣以來，在其長期運行中暴露了不少問題和不足：

①使用合并單元增加了采樣環(huán)節(jié)，使保護邏輯變復(fù)雜，出口動作時間變長；②電纜由光纖代替，信號變成在光纖中傳輸?shù)摹⑻摂M的數(shù)字量，新站調(diào)試和擴建間隔需要專門的工具集成變電站配置描述（substation configuration discription, SCD）文件，操作不方便，對運維人員的要求較高；③智能變電站設(shè)備缺陷率高等，不利于智能變電站安全穩(wěn)定運行。

針對現(xiàn)存智能變電站普遍存在的不足，對保護裝置已進行了小型化、就地化的探索和實踐：①就地安裝，以減少中間環(huán)節(jié)；②即插即用，以提高檢修效率。本文介紹了一種適用于自動化系統(tǒng)、借鑒了就地化保護部分經(jīng)驗的小型化過程層設(shè)備——就地模塊。

就地模塊實現(xiàn)變電站一次主設(shè)備信息（模擬量、開關(guān)量）數(shù)字量轉(zhuǎn)換和傳輸，被安裝在一次設(shè)備機構(gòu)箱或就地設(shè)備艙。它分為模擬量就地模塊、開關(guān)量就地模塊，其主要功能見表1。

其處理器采用高性能、高度集成的SoC（system on chip）芯片，裝置面板數(shù)碼管關(guān)聯(lián)就地模塊采樣值（sampled value, SV）/面向通用對象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE），發(fā)送報文的多路存取計算機（multi-access computer, MAC）地址及應(yīng)用程序標(biāo)識。

就地模塊結(jié)構(gòu)緊湊，插拔式散熱結(jié)構(gòu)，散熱能力強，具有高防護、小型化、免配置、高可靠、低功耗的顯著特點。

表1 主設(shè)備就地模塊主要功能表

1 硬件設(shè)計

為了實現(xiàn)小型化，就地模塊選用小尺寸機箱，插拔式散熱結(jié)構(gòu)，散熱能力強，能滿足戶外70℃運行環(huán)境，且結(jié)構(gòu)緊湊，通用性強。采用正面無螺釘設(shè)計方案和一體化貼膜開關(guān)，提高了產(chǎn)品防護能力，滿足IP54級防護要求。就地模塊機箱示意圖如圖1所示。

圖1 就地模塊機箱示意圖

就地模塊選用高度集成的SoC芯片為核心，該芯片內(nèi)含現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（field-programmable gate array, FPGA），還需要外掛其他外設(shè)：擴展內(nèi)存和F1ash來存儲程序、數(shù)據(jù)；電以太網(wǎng)口用于裝置調(diào)試使用；AD芯片用于模擬量采集；光纖以太網(wǎng)口用于GOOSE/SV/IEEE1588對時、通信，三網(wǎng)共口；I2C總線接口用于運行/告警指示燈和面板數(shù)碼管的驅(qū)動等，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

采樣數(shù)據(jù)和CPU之間不必經(jīng)過背板總線，避免了背板總線受干擾造成數(shù)據(jù)畸變或者丟失，大大提高了裝置可靠性。光纖收發(fā)口采用IO直驅(qū)模式，無PHY芯片的設(shè)計思路，減少芯片，節(jié)省硬件資源。通信協(xié)商采用自協(xié)商機制，光模塊Los信號接到FPGA檢測有無光，配合自協(xié)商用。光纖通信設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 光纖通信設(shè)計方案圖

電源和模擬量輸入（AI）或者開出集成在一塊板卡，以節(jié)省空間。開入/開出采用IO直驅(qū)的方式由CPU直接采集，減少中間環(huán)節(jié)，這有別于以往采用IO智能插件采集，通過背板總線發(fā)送到CPU處理。

2 軟件設(shè)計

2.1 模擬量就地模塊軟件設(shè)計

模擬量就地模塊采集電壓互感器/電流互感器二次輸出值，采樣同步后按照IEC 61850-9-2協(xié)議發(fā)送，主要由抗混疊模擬濾波器、數(shù)字濾波器、數(shù)據(jù)插值、碼值轉(zhuǎn)換和同步組成。

圖4 模擬量就地模塊數(shù)據(jù)流圖

根據(jù)那奎斯特采樣定理，采樣頻率應(yīng)大于2倍采樣信號的最大頻率，否則會產(chǎn)生頻譜混疊。為了增加適用性，將AD采樣頻率設(shè)置為16kHz，前端模擬濾波器的截止頻率應(yīng)小于8kHz，16kHz采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過不同的數(shù)字濾波器及插值后，可輸出不同采樣頻率的數(shù)據(jù)。

同樣，根據(jù)采樣定理，數(shù)字濾波器的設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：1）如果要輸出4kHz采樣數(shù)據(jù)，那么對應(yīng)的數(shù)字濾波器加上前置模擬濾波器的截止頻率應(yīng)不大于2kHz；2）如果要輸出12.8kHz采樣數(shù)據(jù)，那么對應(yīng)的數(shù)字濾波器加上前置模擬濾波器的截止頻率應(yīng)不大于6.4kHz。

2.2 開關(guān)量就地模塊軟件設(shè)計

開關(guān)量就地模塊采集開入量，接收GOOSE輸入轉(zhuǎn)換為硬接點開出，其數(shù)據(jù)流程如圖5所示。

圖5 開關(guān)量就地模塊數(shù)據(jù)流程圖

2.3 免配置的設(shè)計

就地模塊面板有數(shù)碼顯示管和按鍵，可以通過“+”、“◆”、“確認(rèn)”和“取消”按鍵組合設(shè)置模塊的地址碼。SV和GOOSE發(fā)送報文的MAC地址后三位關(guān)聯(lián)就地模塊數(shù)碼管三位地址。對于GOOSE報文，發(fā)送的應(yīng)用程序標(biāo)識與地址碼一致；對于SV報文，發(fā)送的應(yīng)用程序標(biāo)識為0x4000+地址碼。

3 測試驗證

3.1 模擬量就地模塊主要性能測試結(jié)果

模擬量就地模塊主要測試模擬量和同步精度，其測試系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 模擬量就地模塊測試系統(tǒng)圖

交流精度測試結(jié)果見表2。由表2可知，該結(jié)果優(yōu)于Q/GDW 11015—2013《模擬量輸入式合并單元檢測規(guī)范》中測量電壓、測量電流0.2級的精度要求。

表2 交流精度測試結(jié)果

3.2 開關(guān)量就地模塊主要性能測試結(jié)果

開關(guān)量就地模塊主要測試開入/開出響應(yīng)時間，其測試系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 開關(guān)量就地模塊測試系統(tǒng)圖

IO測試結(jié)果見表3。由于減少了中間傳輸時間，所以IO響應(yīng)時間比智能終端快一些。

表3 IO測試結(jié)果

4 工程應(yīng)用

智能變電站引入合并單元、智能終端使過程層和間隔層之間傳輸?shù)男盘枖?shù)字化，但同時增加了中間通信環(huán)節(jié)和信號處理時間，導(dǎo)致整體動作延時增加，影響了保護速動性和可靠性。就地模塊專用于自動化設(shè)備，保護使用就地化保護裝置或者傳統(tǒng)的常規(guī)采樣/常規(guī)跳閘保護裝置。應(yīng)用就地模塊雙母線智能變電站過程層的典型配置如圖8所示。

圖8 變電站過程層的典型配置圖

在對就地模塊免配置具體應(yīng)用時，有一些工程化措施；當(dāng)現(xiàn)場裝置出現(xiàn)故障可整體更換裝置時，僅通過設(shè)置裝置面板數(shù)碼管即可完成配置，顯著減少了現(xiàn)場維護工作。

4.1 GOOSE虛端子的工程實施

每個就地模塊僅能提供有限的開入和開出接點，一個間隔的IO需求往往大于一個開關(guān)量就地模塊所能提供的資源。測控裝置對下的GOOSE數(shù)據(jù)集只有一個，對應(yīng)多個不同地址的開關(guān)量就地模塊。

為了實現(xiàn)就地模塊GOOSE接收免配置，需要間隔層測控裝置按照固定的格式（數(shù)據(jù)集虛端子個數(shù)固定，虛端子順序依照現(xiàn)場要求）發(fā)布GOOSE報文，就地模塊的GOOSE輸入虛端子通過規(guī)則與開關(guān)量就地模塊關(guān)聯(lián)：開關(guān)量接收GOOSE報文的MAC和應(yīng)用程序標(biāo)識后兩位關(guān)聯(lián)數(shù)碼管地址的十位和百位，數(shù)碼管個位數(shù)用于選擇訂閱GOOSE數(shù)據(jù)輸入的段。

在實施工程時，同一間隔的開關(guān)量就地模塊數(shù)碼管十位和百位設(shè)置應(yīng)一致，通過個位數(shù)來區(qū)分不同的GOOSE輸入虛端子段，其接收對應(yīng)關(guān)系如圖9所示。

4.2 SV采樣值的工程實施

就地模塊發(fā)送的SV報文遵循IEC 61850-9-2協(xié)議，協(xié)議規(guī)定，發(fā)送的電流數(shù)值以1mA為單位，發(fā)送的電壓數(shù)值以10mV為單位的有名值。通常情況下需要根據(jù)現(xiàn)場一次設(shè)備TA/TV實際變比進行設(shè)置，如果要達到免配置的效果，TA/TV可采用默認(rèn)變比，將TA變比固定設(shè)置為1000A 1A或者1000A 5A，將TV變比固定設(shè)置為110kV 100V，由后端設(shè)備按照實際情況進行轉(zhuǎn)換。

圖9 開關(guān)量就地模塊GOOSE輸入和開出對應(yīng)關(guān)系

5 結(jié)論

就地模塊采用全新的硬件設(shè)計，裝置功能和性能指標(biāo)均滿足變電站間隔層自動化設(shè)備對過程層設(shè)備的要求，具有高防護、小型化、免配置、高可靠、低功耗的顯著特點，彌補了現(xiàn)有智能變電站存在的一些不足。就地模塊在第三方測試機構(gòu)檢測合格，并在湖南某110kV智慧變電站投入運行，無不良反饋，可見，其具備良好的應(yīng)用和推廣價值。

就地模塊是全新的硬件平臺，可以在其上開發(fā)其他功能的裝置，故對其他裝置的開發(fā)也有借鑒意義。