基于背板总线的继电保护装置过程总线功能设计分析

基于背板总线的继电保护装置过程总线功能设计分析
【摘要】随着社会的快速发展和市场经济大环境的冲击，各行各业都迎来新的发展机遇，同时，也都面临着巨大的挑战。

电力系统是国民经济的重要组成部分，也是工业发展的支柱。

如何优化和调整变电站的系统管理技术以及配网系统技术，提高电力系统的自动化能力和数字化以及智能化和信息化水平是一个长期性的问题。

本文就基于背板总线的继电保护装置过程总线的功能设计分析进行详细的讨论和研究，希望为提高电力系统运行的可靠性和安全性设计提供一些借鉴和参考。

【关键词】背板总线继电保护装置过程总线功能设计
1 基于背板总线继电保护装置过程总线功能设计的内涵
本文以IEC61850模型为讨论和研究对象，探讨关于继电保护装置过程总线功能设计的问题。

首先我们明确一个概念，所谓的IEC61850实际上是一种将智能型变电站的自动化系统划分成站点监控层、间隔层和过程控制层的设备，涉及到的继电保护装置实际上处于间隔层设备范畴。

相对于常规的变电站来讲，智能化变电站的过程层主要是通过采用智能型电子设备实现开关量或者模拟量的采集和控制以及以命令形式发送的一系列功能的系统配置，并且期间以数字信号的方式流经过程总线和继电保护装置等间隔层实现设备通信的目的。

过程总线的应用实际上是作为简化继电保护装置内部结构的以新的功能和性能确保数据传输的时效性和可靠性的设备技术措施。

其中包含了当前先进的高速以太网通信技术、采样值的接受和同步处理技术和GOOSE报文收发技术等多项应用型技术。

2 基于背板总线的继电保护装置过程总线功能设计的现状
当前结合以太网的过程总线技术已经得到了快速的发展和广泛的应用，基于背板总线的继电保护装置的过程总线功能设计结合快速的以太网技术和采样值技术以及GOOSE报文技术在过程总线设计的数据传输的可靠性和时效性已经得到了充分的验证。

而现实中对于网络化和点对点传输的两种过程总线的应用形式要求继电保护装置必须升级到可以实现数据通信的传输和处理能力的总线数据功能。

通常情况下，采用独立的模件可以实现总线数据的接收和处理工作，也可以实现继电保护的逻辑运算功能。

但是，简单的通过增加通讯模件的措施依然只能实现有限扩展总线的通讯能力，同时，装置的数据流和配置情况复杂、繁琐，无法满足只能变电站多向性通信的要求，为此，我们需要建立一种以背板总线的继电保护装置的过程总线功能，实现简化过程总线数据流和配置的情况，大幅度扩展继电保护装置的通讯和计算能力，提升变电站过程总线应用的灵活性。

3 基于背板总线的继电保护装置过程总线功能的设计
3.1 过程总线装置的设计
通常情况下，变电站的智能继电保护装置同一次类型设备的直接电气化连接是采用独立的一次型设备的IED进行替代的，包括其中的合并单元和智能终端模块。

我们以110kv的智能化变电站的过程总线装置的设计为具体实例，装置同过程层的IED的连接的典型配置类型如图1所示：
从图1中可以看出，该装置包含高压侧、中压侧、低压侧以及其他组成部分一共有5个单元合并接入，包含11个智能化终端设计，都以过程总线方式接入。

图中的左侧方框表示为SV接入，右侧代表GOOSE接入方式。

3.2 功能总体性设计分析
基于背板总线的继电保护装置过程过程总线的功能设计通常包含保护模件部分、测控模件部分和监控模件以及其他若干通信模件部分组成，过程总线的数据都是通过通信模件接入传输的，然后，再通过背板总线设计对数据进行有针对性的优化和处理。

背板总线的设计中相关的连接模件在背板的地址线上都是唯一标识的。

保护模件和测控模件以及监控模件这类应用性模件的功能都可以分为以太网接口和应用功能以及总线驱动3部分内容。

应用功能的实现是通过控制器实现的，不同的应用模件有着各自不同的应用功能；以太网接口和总线驱动的功能通常是由可编制的芯片加以实现，期间还需要配合以太网的硬件接口才能完成的实现以太网的收发数据功能。

3.3 基于背板总线的功能设计
3.3.1 独立模件功能和通信接口功能的设计
独立模件功能设计的接口设置如图2所示，其中虚线表示的部分只包含在应用模件中，是通过主控制器来实现应用功能的；其他部分的应用模件是共有模件，通过FPGA芯片来实现的；独立模件提供的外向型接口包含背板总线端口和以太网接口。

从图3中我们可以分析得出，其数据类型是针对背板总线实行分类、分别处理的。

其中的报文配置作为功能配置；转发报文操作以以太网口为媒介，缓存报文的机制通过本地总线传输到主控制器进行处理，两种形式都可以是SV报文或者GOOSE报文。

以太网口端接收到的报文可以分为转发报文和SV报文两种类型，转为报文以透明转发形式传输至背板总线，而SV则是经过同步和插值以及调整采样率的方法进行重组帧后在发送到背板总线的。

其中的主控制器是具备双向传输数据能力配置的，接收到得数据查询信息在缓冲区获得；发送的数据通常先由本地总线顺序性写入缓存区后，再经总线驱动进行发送操作。

3.3.2 基于背板总线的通信协议设置
基于背板总线的通信协议设计的层次关系可以分为应用数据层、传输控制层和数据链路层以及物理层4个部分。

其中物理层包括时钟线和控制线以及一些可以配置的其他类型数据线；链路层是通信协议的核心部分。

数据链路层主要作为
独立模件之间数据在地址上单向传播、分组传播和广播式的传递媒介。

数据链路层的基本组成单位为数据帧，数据帧又由7个片段组成，其中的仲裁段主要起到标注报文的优先级和源地址的作用，通过令牌段确保总线控制的准确性；在数据传输方式上同空闲段和帧起始段都采取异步传输的形式；控制段负责标注目标地址；静态段和动态段是数据的两种表现形式，静态通常作为固定时隙应用，动态段则作为按需分配使用的时隙；校验段负责整个数据传输准确性的验证工作。

5 基于背板总线的继电保护装置过程总线功能设计中的关键问题讨论
事实上，基于背板总线的继电保护装置过程总线功能设计中的关键在于采样值和跳闸保护命令这两类报文，是过程总线实现数据通信的重点。

简而言之，过程总线功能设计所要解决的关键问题，也就是这两类报文面临的问题。

5.1 采样值报文问题的讨论
采样值同步的内容有两个方面，第一，对于同一个需要合并的单位，如何使其同相应的各个线路总的A/D实现同步转换操作；第二，对于不同的需要合并的单元，如何让他们各自发出的同步信号实现对应性的同步操作。

第二个问题相对于差动保护模件的设计十分重要。

为此，我们要从采样值同步的功能性方面进行讨论和研究，其功能包括以下三方面的内容：
（1）快捷、准确和可靠的识别出数据信号；
（2）向各个线路A/D发送精度较高转换后的数据信号；
（3）及时发现设备异常情况，并提供提出措施；
针对上述采样值同步的功能性分析可知，采样值同步的设计方式不可以采用单一形式设计，否则就会出现唯一同步数据信号一旦丢失就会导致保护模件采取退出运行的操作。

所以，在设计中必须考虑到两种以上的同步源设计，一旦其中一个出现同步源丢失的情况，其他的也可以作为备用的同步源进行数据信号的传输。

采样值的同步方式的稳定性和有效性通常情况下是依赖于接受脉冲信号的准确性和可靠性的，而获得的信号通常是由GPS接收机等这类硬接线设备连接的。

实践证明，采用IEEE1588同步协议设计或者以太网通信技术以及其他的可以替代这种硬接线方式可以提高采样值同步的精度。

5.2 跳闸命令的设计和讨论
对于跳闸命令的设计和功能实现，我们还要根据IEC61850定义的面向通用性变电站模型进行讨论，其模型对于间隔闭锁和跳闸信号的传输均以采用GOOSE报文的传输形式得以实现。

5.2.1 跳闸命令传输的实时性
跳闸命令的传输速度是确保系统稳定性的关键因素之一。

采用GOOSE报文
的设计，可以充分利用GOOSE报文实时传输的特点，对协议堆栈进行有效的优化，达到同其他的报文传输映射存在差异性，使GOOSE报文的传输映射不经过TCP/IP协议，而是直接利用国际标准化组织开放系统互联（ISO/OSI）中的4层进行传输，也就是由应用层直接到达表示层，实现直接映射到底层（数据链层和物理层）的操作。

在数据链路层中采用IEC802.1Q设计，可以大大提高报文的传输速度，增加数据的优先等级。

5.2.2 确保跳闸命令实时性的应用注意事项
为了切实保证跳闸命令信息传输的实时性，在实际的应用过程中我们需要注意以下两方面的问题：
（1）在架构过程总线的通信网络过程中，必须配置支持优先级操作和虚拟局域网功能的交换机设备。

且要充分考虑到过程层设备所处的是一个十分恶劣的电磁环境，交换机设备必须达到工业级标准。

（2）为了提高跳闸命令信息传输的可靠性，我们采用GOOSE报文设计，相应的开关位置信号设计、一次设备状态信号配置也都要采用GOOSE报文。

在采用IEEE802.1Q时，应该针对报文的类型采用不同的优先级配置，否则，一旦将所有的GOOSE报文都配置为最高，系统就会默认为不存在优先级设置。

一般情况下，我们要将跳闸命令信息和闭锁命令信息设置为最高优先级；而遥控开关和高压断路器通常设计为次高优先级；而闸刀的位置信号设置为普通优先级即可。

通过不同优先级的配置可以提高报文信息传输的可靠性。

6 结语
综上所述，我们在文章中提出多种基于背板总线的继电保护装置过程总线功能设计的方法和措施。

在实际的设计过程中方案的总体架构还要以功能性为核心，然后再从性能角度出发对总线数据流的配置情况进行详细的分析和研究。

事实上，背板中线的配置比较简单，功能也十分可靠，对继电保护装置从过程总线的角度上进行了数据流方式的优化和完善。

基于背板总线的继电保护装置过程总线功能的设计应用在智能型变电站工程中，既可以满足继电保护装置面向过程总线功能的要求，也提高了变电站供电性能。

同时，对于建设数字化、智能化变电站，提高变电站供电的稳定性和可靠性有着十分重要的意义。

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