基于统一平台的变电站可重构智能组件总体架构设计

沈昌国 于海波 邹 文 邓祖强

（国电南瑞（北京）控制系统有限公司，北京 100193）

随着智能电网建设的全面展开，各种分布式能源接入电力系统，使系统的运行工况进一步复杂化，导致过负荷、过电压、雷击等异常情况更为严重，且用户对电能质量的要求也越来越高，这种形势对传统变压器、开关设备运行的可靠性和应对能力提出了更加苛刻的要求，也对它们的智能化提出了新的需求。采用标准的信息接口，实现融测控保护、状态监测、信息通信等技术于一体的变电站智能化一次设备，可满足整个智能电网电力流、信息流、业务流一体化的需求，代表了变电站的先进技术和发展方向[1]。

基于上述背景提出的智能组件技术，既比较符合我国电力装备行业技术现状和装备现状，又能尽快满足坚强智能电网建设的迫切需求，同时也是推进我国电力装备行业提升技术含量与附加值、使综合水平上台阶的重要方式。因此，开展智能组件的深入研究和广泛应用，对加快出台智能变电站典型设计方案，规范智能变电站系统建设模式，细化设备或系统的接入方式，探索智能变电站的集成调试检测技术，对提升我国一次设备核心组部件制造能力、促进自主技术创新、支撑坚强智能电网建设均具有广泛的积极意义。

1 一次设备智能化现状及组成架构

1.1 研究现状

变电站设备主要包括变压器、断路器、互感器、母线等一次设备和变电站自动化系统、辅助系统等二次设备。近年来，部分国际厂商如ABB、西门子、施耐德、阿海珐、东芝等因其同时具备一次设备的生产能力和二次设备的开发能力，在设计之初，就把传感器、控制机构融入本体，使得结构更加紧凑、设计更加合理、绝缘更加可靠，但技术保密、价格昂贵，未有大规模应用[2-3]。而国内厂商如许继、平高、西开、天威保变、宁波理工监测等尽管起步较晚，但在部分功能智能化实现方面进步较快，并开始得到试点应用。国内外在变压器智能化方面研究的侧重点在于在线监测方面，其中油色谱、局部放电等在线监测应用已较为成熟，国内外基本处于同一水平，但国内在智能综合诊断技术、状态评估和全寿命周期管理模型研究和应用及一体化集成技术的研究方面还处于起步阶段，与国外还存在较大的差距[4-5]。另外，智能化监测所用各种传感器多为国外产品，对外依存度很高，一个采集点高达上万元，价格贵且服务成本高。

现阶段我国智能变电站试点工程在一次设备智能化上做了大量工作，均将“测量、控制、监测、保护”等功能集成组合在一体化的智能组件柜中，首次实现了与高压设备本体相关的单间隔应用功能的整合汇总，主要采用多种智能单元作为替代方案，但从现实应用看，形式复杂，融合设计能力不够，片面追求短期智能化，存在性价比不高、优化不够等重要问题。同时，设备间联调存在多个生产厂家的配合问题，相互协调困难，加大联调难度，甚至影响工程进度，很有必要由一个厂家牵头进行开放式总体设计，简化中间环节，节约投资。

1.2 组成架构

因此，根据高压设备的类别和智能变电站设计理念及要求，设计一次设备智能化的组成架构如图1所示，该智能设备架构主要由电气部分和智能化部分组成，电气部分包括一次设备本体及其执行机构、传感器、互感器，传感器、互感器加装在一次设备本体上用于采集一次设备的状态和特征信息，可内置或外置于本体或其部件，智能化部分即为智能组件，通过执行机构、传感器、互感器，与设备本体形成有机整体，实现与宿主设备相关的测量、控制、监测、计量、保护等全部或部分功能。智能组件与执行机构、互感器之间由模拟信号电缆或光纤网络连接，智能组件与传感器之间一般由模拟信号电缆连接。执行机构、传感器、互感器及智能组件可分离制造，通过就近安装组合以实现一次设备智能化，也可通过工厂集成制造直接融合为智能设备。前者适合常规变电站智能化改造方案，后者代表了智能设备的发展趋势。该智能化架构能够解决目前智能变电站试点工程中存在的设备功能不全、集成度偏低等问题，实现全站设备的高度整合以及信息流的统一，推动结构紧凑、功能集成、实用性强的智能变电站建设[6]。

2 智能组件及其技术需求分析

智能组件的应用，将会带来变电站电力一、二次设备的有效融合，使得数字化变电站过程层的一次设备与间隔层的二次设备成为统一体，两层间的过程层网络成为智能组件内部网络，减轻了数字化变电站统一的过程层网络的通信流量压力，表现出很好的内敛性，也由此奠定了由数字化变电站的三层结构（过程层、间隔层、站控层）向智能变电站两层结构（设备层、系统层）的跨越[7]，如图2示。组成智能组件的各种IED从物理形态上可以是独立分散的，在满足相关标准要求时也可以是部分功能集成的。用于设备状态监测的传感器既可以外置，也可以内嵌。智能组件内的所有IED都接入过程层，彼此之间的信息需求可通过过程层网络实现。智能组件中需要与站控层进行信息交互的 IED，同时接入站控层网络，承载信息上传、下达功能。

图2 智能变电站系统总体结构

依据国家电网公司去年出台的《高压设备智能化技术导则》[8]，本文认为智能组件设计应支持的具体技术要求有：

1）优选嵌入式统一软、硬件平台，采用积木式模块化设计，灵活可重构，组成功能智能分布、决策集中管理、信息共享交互、性能安全可靠、运行维护方便的智能自动化系统。

2）基于标准化的物理接口及结构，功能模件采用插件模式，机箱面板按照工艺美学设计，使用方便。应适应现场电磁、温度、湿度、沙尘、降雨（雪）、振动等恶劣运行环境。

3）既能满足新建智能变电站需求又能兼顾常规变电站智能化改造需求，支持电子式互感器和常规互感器，支持数字、模拟两种交流采样。实现全面遥测、遥信信息采集，采用基于精准对时的“三态”数据（稳态数据、暂态数据、动态数据）同步采样技术，为高级应用提供统一时间断面的标准化高品质数据。

4）遥控回路宜采用两级开放方式的抗干扰措施，支持本间隔顺序控制功能，满足全站防误操作闭锁功能要求，多种控制模式（直采直跳、网络跳闸）可选。

5）采用先进可靠的传感器植入工艺技术，自主开发或集成目前较成熟且技术经济性较好的在线状态监测功能，综合分析设备状态，具备就地综合评估、实时状态预报的功能，同时结合站控智能专家系统，更好的实现设备的全寿命周期管理。

6）遵循继电保护基本原则，实行保护单元独立、就地安装，不依赖于外部对时系统实现其保护功能；对于单间隔的保护可“直采、直跳”；支持站域保护；双重化配置的两套保护的信息输入、输出环节应完全独立。

7）对于电能计量，由于涉及到法制化管理问题，必需慎重。因此，智能组件的研发初期配置计量IED，具备可靠的输入接口，其准确度按计量标准要求，经得起与现有常规计量系统的分析比对。

8）提供多至5个以上的以太网通信接口，同时兼顾常规的串行通信和现场总线，方便冗余配置。通过优化网络配置方案，确保实时性、可靠性要求高的IED的功能及性能要求。

9）多种对时和守时功能。支持网络、IRIG-B等同步对时方式，支持IEEE1588对时协议（SNTP），采用温补晶振，支持长时间高精度守时[9]。

10）全面支持IEC61850标准第2版，支持智能在线调试功能。

3 智能组件架构设计

3.1 设计指导原则

智能组件的设计方案因其要实现的功能众多，需综合考虑诸如实际设备对象、电压等级、智能变电站设计容量及其整体建设需求等诸多因数。实际设备对象决定了智能组件的具体功能配置及信息交互内容，而电压等级越高，其设计方案就越复杂，同电压等级下又以变压器智能组件的设计方案较其他一次设备的设计方案复杂[10-11]。

智能组件的总体设计原则主要包括：①遵循面向对象、架构统一的总体设计思想。智能组件的投入和使用不应改变和影响一次设备本体的正常运行；②软、硬件实现坚持技术继承与发展相结合原则。组件功能整合并兼顾合理冗余，智能组件应能自动连续地进行监测、数据处理和存储，具有自检和报警功能；③坚持实时性与稳定性并重原则。智能组件不仅具有很好的抗干扰能力、很高的可靠性，而且具有合理的监测灵敏度和准确度；④全面满足IEC 61850的开放性原则，并不与已颁布的电力系统相关标准或规程相违背。

3.2 统一平台设计

结合现有智能变电站试点工程中智能组件的相关应用经验，本文设计了一款以体积小、速度快、处理能力强、功耗低的嵌入式硬件平台，确定了ARM+DSP+FPGA的组合架构，选用了OMAP-L138双核处理器和XC3S400AN型FPGA，辅以外围扩展电路，结合高精度A/D采样芯片组成统一平台（如图3所示）。

TI公司推出的 OMAP-L138双核处理器为ARM926EJ-STM结合TMS320C6748型DSP构成，2个核的主频均为 375MHz，其中的 ARM926EJ-S芯片可以直接移植在其它 ARM 平台开发的嵌入式Linux应用软件系统，而 TMS320C6748型DSP与TI公司的C6X具有代码结构的继承性，可以将C6X平台代码直接移植到 OMAP平台。OMAP中 DSP核运行 DSP/BIOS实时系统，ARM 核运行嵌入式Linux系统，DSP/Link为处理器提供双核通信架构，在DSP端，DSP/Link作为DSP/BIOS的一个驱动而存在，在ARM端，DSP/Link作为一个外设而存在，并通过应用层的函数库访问这个设备来进行操作。该处理器综合了ARM和DSP两个处理器各自在实时性和计算精度上的优势，ARM核可以运行嵌入式操作系统及图形界面，完成人机界面、网络通信等非实时任务，DSP核则实现信号处理、逻辑控制等实时任务，利用DSP核内部的256kB的静态内存作为DSP专属的程序和数据空间，保证测量、保护功能的实现的专属性。二核之间的数据通信由DSP/BIOS桥来实现。FPGA选用 Xilinx公司Spartan-3A系列的 XC3S400AN芯片，该芯片内有8064个逻辑单元，360kbit块RAM，56kbit分布式RAM，4个数字时钟管理模块（DCM），311个I/O口。在FPGA上外挂SRAM芯片作深存储用，由于SRAM存储器容量比FPGA内部缓存FIFO大得多，能够存储更多的波形数据，因而能观察到更多的波形细节。采用128Mbit容量的SPI Flash存储掉电需保存数据，例如程序代码、引导程序、字库、开机画面等。本设计的 DDR II选用镁光公司的MT47H512M8WTR-25E型SDRAM，容量为4Gbit，核心工作电压为1.8V。FPGA在负责ADC数据采集控制的同时，为了保证该平台具有灵活的扩展能力，还用于扩展以太网、GPS对时、现场总线等。如此架构使得此平台具备强大的复杂数据处理能力、可靠的实时性、良好的可移植性及使用推广价值。

在此统一硬件平台基础上，采用嵌入式操作系统软件平台，以深化IEC 61850的应用为主线，构建基于网络信息交互的应用软件平台，结合功能要求积木组合成具体应用程序，利用平台上大空间存储芯片的存储能力，配置多套主程序以方便实现不同类型程序的切换功能，增加板件级智能管理芯片，配合在此平台上开发的嵌入式 WEB管理系统，可以远程实现对现场运行板件全生命周期信息管理，同时也为无液晶配置提供了运维可操作性。

图3 OMAP-L138+FPGA的统一平台架构图

基于统一平台实现智能组件融合设计，可充分受益于OMAP-L138器件的定点/浮点DSP、ARM9、以太网控制器与LCD控制器的高度集成设计，方便整体优化配置，简化组件硬件设计，减少核心模件种类，方便批量采购和生产，缩短开发和调试周期，防范不同硬件平台间移植、验证、集成调试可能出现的各种问题，采用相同接口和标准协议，方便信息共享，有效实现各功能单元间的无缝联接，发挥可重构能力，提升智能组件功能一体化集成度。

3.3 组件功能配置

智能组件是一组智能IED的集合，基于统一平台的智能IED设计，既保持了智能组件内部架构统一，又为单元协同和整体协同奠定了基础。各智能单元根据应用对象扩展，形成系列化，通过功能集成，发挥灵活的重构能力，实现应用于不同对象的智能组件，广泛体现了组件智能化和集成化的发展方向。根据本文设计指导原则，实际应用将充分结合设计对象的功能特点，同类智能高压设备可有不同的IED重构方案，实行按需配置，使智能组件具备很强的针对性和经济性。

作为变电站主要一次设备的变压器，其智能化通过加装传感器和智能组件实现。变压器智能组件基于变压器运行数据和各种状态监测数据，通过集成设计，具备测量、控制、监测、计量和保护等功能，相关信息通过IEC61850标准接入信息一体化平台，实现对变压器的数字测量、智能控制、安全运行、信息互动及状态可视化展示。

图4给出了以变压器为例的设备智能化所用智能组件的功能配置图。变压器智能组件主要包括三测测控、主保护、后备保护、故障录波、计量、合并单元（MU）、智能终端、组件信息管理单元、本体测量IED、有载调节IED、冷却控制IED及状态监测功能组等功能模件。其中，组件信息管理单元的功能定位为：收集各IED发布的初级数据，以适宜的数据库管理并进行格式化的发布，做进一步的专业分析、评估，最终生成能够直接用于支持电网优化运行、支持高压设备检修决策的智能化信息。本体测量IED的功能为：对油位、气体聚集量及油流速（接点）、顶层油温、底层油温、环境温度等进行信息采集和发布。冷却控制IED的功能为：对冷却系统的起动、退出，冷却装置投入、切除，控制过程状态信息收集并发布。有载调节 IED（OLTC IED）的功能为：有载分接开关档位调节及其状态信息监测与发布。监测功能组则主要包括局放监测IED、油色谱微水监测IED、铁心电流监测IED等[12]，同时设监测主IED一个，该监测主IED承担了综合本组中其他特性IED的信息并进行设备状态分析的核心功能，由其分析形成的智能化信息将按需报送至组件内其他单元和相关系统层设备，以支持高级应用的实现。

图4 变压器智能组件功能配置示意图

变电站内高压开关设备（断路器、高压组合电器）的智能化则通过加装本体检测传感器和智能组件，实现对高压开关自身状态信息的采集与处理，为智能控制提供支撑。高压开关设备智能组件基于其运行数据和各种状态监测数据，实现数字测量、智能控制、安全运行、信息互动及状态可视化展示。

图5 高压开关设备智能组件功能配置示意图

图5给出了以高压开关为例的设备智能化所用智能组件的功能配置示意图。高压开关设备智能组件主要包括线路测控、线路保护、故障录波、计量、合并单元、智能终端、组件信息管理单元、开关设备控制器、本体测量IED及状态监测功能组等功能模件。其中组件信息管理单元的功能定位等同于变压器智能组件的组件信息管理单元。本体测量 IED则对各种指示信号、位置信号、机械寿命、报警信号等进行信息采集和发布。开关设备控制器采集本间隔开关信号，直接或通过过程层网络发布采集信息、接收控制命令，以便驱动执行结构完成控制功能。监测功能组则主要包括机构特性 IED、局放监测IED、压力水分IED、铁芯电流IED、避雷器IED等，同时设监测主IED一个，该监测主IED的功能定位同样等同于变压器智能组件的监测主IED。

其他诸如电力电缆、刀闸、电抗器、避雷器等高压设备的智能组件则普遍侧重于各自的状态监测，并同时将监测信息报送到站控层网络。

4 智能组件关键技术分析

智能组件通过综合运用智能传感、网络通信、实时监测、专家系统等技术，将传统意义上的一次设备“活化”，使其具备智能电网的主要技术特征。总体讲，智能组件还处于发展的初级阶段，还有诸多关键技术需要研究。

4.1 传感器及其融合技术

该技术是实现智能变电站“信息化”的关键部件，其准确度和可靠性对电力系统安全、稳定和经济运行至关重要。罗氏线圈和光学原理互感器及电容式互感器的试点应用评价较高，但仍需实践检验和改进。表征设备状态的各种状态监测传感器又多为国外产品，价格昂贵且服务成本高。因此，研究能够表征高压设备状态的重要特征参数的不同种类传感器测量技术及其可靠性技术极为关键。此外，研究传感器与一次设备的融合技术，提出系统的传感器接口规范以及检测方法，构建传感器与一次设备融合的实施方案，提高解决目前各制造企业各行其是、无法互换、安全隐患高和感知数据品质低等问题的能力，从源头上为一次设备的采集、分析和控制奠定基础。

4.2 通信及信息管理技术

智能组件作为一个智能体集合，其通信既有外部通信，又有内部通信，组件内信息或来自传感器，或来自其它 IED，这些信息既有大量原始数据，又有大量的中间数据和结果数据，一部分需要进行实时响应，一部分需要进行存储和管理，以支持趋势、品质等分析之需。具体表现为：①信息交互复杂，有关逻辑节点分配和建模、数据格式处理和优化、信息存储和管理、信息包装和互动成为需要综合考虑的关键技术；②组网形式多样，智能组件内所有IED都应接入过程层网络，同时与站控层网络有信息交互需要的 IED，还应接入站控层网络，需要考虑优先级设置、流量控制、VLAN划分、网络及信息安全等关键问题。因此，必须研究采用多智能体技术[13]，理清各IED彼此间的关系，处理好信息共享、网络负担、跨间隔配合等，唯有相互协作，才能共同实现整体目标。

4.3 数据同步采集技术

快速采样和数据同步是实现这一技术的两个方面，采用高精确、高可靠对时及守时技术是实现这一技术的基础[14]。通过研究在一套功能单元中实现广域稳态、动态、暂态的“三态”数据的同步采集与处理，为变电站内监控、故障录波、同步相量测量PMU、电能质量分析等功能实现提供具有统一时间断面的标准化高品质数据，该项技术的应用将会降低变电站二次系统设计、安装和施工中的设备及人力投入，满足当今智能电网发展所提出的专业整合、系统集成等智能电网的集约化、标准化管理的新要求。

4.4 状态检测评估技术

智能设备的状态包括可靠性状态、运行状态和控制状态，一次设备智能化意味着对一次设备实现广泛的在线监测，建立基于IEC 61850第2版的统一信息模型和通信平台，进行实时监测与故障分析，并通过智能技术转变为满足支持高级应用要求的智能化信息，将设备检修策略由“定期检修”变为“状态检修”，更好的实现设备的全寿命周期管理。研究建立多状态参量融合的故障预测模型及其诊断技术，建立智能设备运行和状态评估模型和专家库，形成相应的评估算法和标准，对最终实现智能设备“自我参量检测、就地综合评估、状态结果预报、系统在线可视”至关重要[15]。

4.5 抗电磁干扰技术

由于变电站内电磁环境严酷，运行环境复杂，智能组件就近放置于高压设备旁边，就地化后的安全防护和抗电磁干扰能力及可靠性问题成为智能组件稳定可靠运行的致命因数。因此，加强微环境内的电能质量分析，准确定位干扰源，有针对性采取严格的切断干扰途径措施，提高智能组件电磁兼容设计要求，解决好其电磁兼容问题是一、二次设备厂家必须共同面对且需合力克服的主要课题。

4.6 组件集成测试技术

智能组件的应用，使得二次回路的大量电缆被光纤代替，配置文件代替了传统的二次电缆端子排图，针对单个设备的调试及检测技术已经不能满足现场运行需求，组件内联调联试及系统级调试成为智能变电站调试工作的重点。按照现场工程配置集成并在此基础上进行工程应用测试的集成测试技术可以从更高的层面上模拟业务场景、迅速定位BUG，将现场调试相关工作和技术监督关口前移，切实缩短智能变电站建设工期[16]。集成测试主要包括单体测试、模型文件一致性测试、网络性能测试、同步对时系统测试等，开展智能组件集成测试技术研究，规范测试流程，提供配套的智能调试及测试手段也是开展研究智能组件必须考虑的技术难点之一。

5 结论

智能组件作为一次设备智能化的关键部件，通过采用基于统一平台的集成、优化设计技术，有效实现各功能单元间的无缝联接，提高智能组件功能一体化集成度，该架构设计可充分发挥组件重构能力，实现按需配置和多功能（测量、控制、监测、保护等）整合，能更好的实现设备的全寿命周期管理，为保障我国智能电网建设的稳步推进和现有常规变电站的智能化改造提供有力的技术保障。

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