智能变电站数字化录波装置硬件结构研究

摘 要：本本文基于IEC61850标准，给出数字化录波装置硬件结构，录波装置硬件系统由故障记录模块和故障数据分析模块组成。最后在硬件基础上，给出装置CPU选择。

关键词：IEC61850标准;录波装置；通信模块；数据分析模块；CPU选择

中图分类号：TM76 文献标识码：A

数字化录波装置是伴随着变电站自动化进程的不断推进而产生的，是数字化变电站的产物。数字化变电站在逻辑结构上分为3个层次，根据变电站通信网络和系统协议的定义，3个层次分别称为过程层、间隔层、变电站层，3个层次的关系如图1所示。

图1 变电站自动化系统接口模型

合并单元和数字录波装置分别处于数字化变电站的过程层与间隔层。过程层是一次设备与二次设备的结合面，主要完成开关量输入/输出，模拟量采集和控制命令发送等与一次设备相关的功能。

IEC61850标准要求过程层的电子式互感器将一次侧的电压、电流等模拟量直接转化为数字信号，通过通信网络传送至间隔层；数字式执行器能执行由通信网络传送的命令。间隔层设备主要实现控制和保护功能，并实现相关的控制闭锁和间隔级信息的人机交互功能，间隔层设备可通过间隔层通信实现设备间相互对话机制。变电站层完成对站内间隔层设备、一次设备的控制及与远方控制中心、工程师站及人机界面通信的功能。

适应计算机技术和网络通信技术的飞速发展，数字化变电站已成为变电站自动化技术的发展方向。在过程层、间隔层及站控层上，按照IEC61850《变电站通信网络和系统》标准，实现变电站内部以及变电站与集控站间的信息共享和互操作。目前国内已经有多个数字化变电站投入运行或开工建设，做为数字化变电站核心技术的光电电压互感器和光电电流互感器陆续开始运行，高速网络通信技术已经逐渐为国内主流二次设备厂家成熟掌握。过程层的合并单元，间隔层的二次保护、测量、控制单元，站控层的后台软件也日益开发完善。

传统的电力故障录波装置对模拟量和开关量的采集需要通过硬电缆接入装置，当系统需要扩容或需要改变采集的对象时往往很不灵活。而数字化变电站遵循IEC61850标准，一次设备电缆被数字光纤取代，即模拟量和开关量已经网络化；数字化变电站实现了过程层设备数字化，间隔层设备网络化，因此涌现出了数字化录波装置，它能满足数字化变电站对录波装置提出的要求，是数字化变电站和录波装置不断发展的共同产物。

为了更好的理解数字化录波装置的重要作用，先给出数字录波装置在智能变电站网络结构中的位置，如下图2所示。

图2 数字录波装置在智能变电站中的位置

一、数字录波装置硬件结构

数字故障录波装置的硬件系统比传统的故障录波装置要相对简单。因为不再需要采集和数据变换，二次设备与设备之间通过高速通信网络进行数据和信息交互，为变电站全站录波带来了极大的方便，节省了大量二次互感器电缆的投资。结合数字化变电站数据采集对象，硬件系统由故障记录模块和故障数据分析模块组成，总体框架结构如图3所示。

图3 录波装置硬件基本结构

（1）故障通信记录模块硬件结构

数字录波装置的故障通信记录模块是整个装置的核心，其硬件结构如下图4所示，它将接收和解析由合并单元发送来的IEC61850-9-2报文和由保护控制单元的面向通用对象的变电站事件（GOOSE）报文，分别提取采样值数据和开关量数据；在故障通信记录模块具有数据同步、故障录波启动判别、数据存储以及数据通信功能。

图4 录波装置故障通信记录模块硬件框图

故障通信记录模块主要由录波分析主机、网络存储器、打印机、液晶显示器、键盘、鼠标等组成。录波分析主机中包含千兆光纤采集卡、高性能嵌入式CPU板卡等。

LAN1主要采集模拟量数据；LAN2主要采集开关量数据；LAN3主要完成时钟对时；LAN4主要完成与其他监控管理系统的通信；LAN5主要完成NAS网络存储器(Network Attached Storage)的交互。

（2）故障数据分析模块硬件结构

数字录波装置的故障数据分析模块结构如图5所示。它主要完成故障启动定值交互管理，故障数据格式转换，故障录波波形分析及数据通信等功能。这里的数据通信与故障记录通信模块中数据通信呼应，可利用以太网通信技术完成。

图5 故障数据分析单元模块结构

二、数字录波装置CPU的选择

本文装置通信记录模块选用的PowerPC8270处理器芯片为摩托罗拉的一款基于基于摩托罗拉MPC82xx 处理器的嵌入式开发平台，MPC82xx 集成PowerPC 处理器适用于那些对成本、空间、功耗和性能都有很高要求的应用领域，能完全满足数字录波各方面的需求。选用该芯片的原因有以下几点：

（1）该芯片价格较低，目前市场价格每片只有两千多元，而且存货充足。

（2）该器件有较高的集成度，降低了功耗和加快了开发调试时间。这种低成本多用途的集成处理器的设计目标是使用PCI 接口的网络基础结构、电讯和其它嵌入式应用。它可用于路由器、接线器、网络存储应用和图像显示系统。

（3）具有700MHz主频的浮点DSP处理能力，可配置3个10Mbit/s或100Mbit/s自适应以太网口，2个10Mbit/s以太网口。

（4）使用ARM芯片的HPI接口，可以访问内部的双口RAM，从而实现芯片间快速、有效互联。

DSP的快速数据计算能力，再加上ARM的通信能力保证了数据处理的实时性，也提高了系统的易操作、可扩展性。为实现数字录波提供了良好的实用平台。下面给出PowerPC8270处理器与整个录波装置的硬件关联结构，如图6。

SDRAM为同步动态存储器；CPLD为复杂可编程逻辑器件

图6 处理器与整个装置硬件关联图

PowerPC嵌入式处理器具有强大的网络通信能力和数据处理能力，丰富的外围设备接口，伸缩性强，使用灵活，能很好的满足录波装置要通信能力强的要求。

故障数据分析单元采用嵌入式Intel Pentium II处理器结构，处理器主要完成故障启动定值交互管理，故障录波波形分析以及与故障通信记录模块通信上的交互。

三、结论

数字化故障录波装置是以后录波装置研究的热点，本文研究的智能变电站数字录波装置满足数字化变电站发展要求，适应未来智能电网的需要，虽然所作的工作只是整个录波装置研制的一些前瞻性工作，具仍有一定的工程参考价值。

参考文献

[1]梁合庆.变电站综合自动化中的故障录波装置[A].变电站综合自动化研讨会论文集[C]，南京：电力自动化研究院，1995,201-202

[2]陈昊琳.数字化分布故障录波装置关键技术的研究[D].哈尔滨工业,2009.06

[3]梁煜.故障录波信息系统的构建与实际应用[D].华南理工大学硕士,2009.12