中低壓網絡站間通信技術論文

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1變電站站站間通信方案

常規保護裝置的通信方式通常只能與一個或兩個裝置實現信息交互，在中低壓輻射網絡多端線路的需求面前就顯得捉襟見肘。通過FPGA（Field－ProgrammableGateArray）來實現多接口SV（SampledValue）和GOOSE（GenericObjectOrientedSubstationEvents）前置模塊，實現收發處理SV和GOOSE任務，可以同時提供多路通信接口。最重要的是將通信接口獨立于保護配置以外，增加了工程實施的靈活性和可擴展性。因此通過在專門的前置模塊當中用FPGA去實現SV和GOOSE收發更能適應今后工程化的發展需求。嵌入FPGA的SV和GOOSE前置模塊相對于采樣值，采用FPGA實現GOOSE收發的主要難點在于GOOSE報文結構、收發機制、傳遞信息相對復雜，其采用ASN.（1AbstractSyntaxNotationOne）編碼格式，報文頭中有包括TAL、AppID、TimeStamp、DataSetRef、GocbRef、ConfRev、TestMode、sqNum和stNum等在內的多種參數信息；數據區包括多種類型數據格式，且存在結構體數據嵌套。GOOSE報文收發機制復雜，其采用T0/T1/T2/T3的定時重傳加突發變位的重傳機制；每包報文都要通過參數sqNum和stNum進行序列計數；每組接收GOOSE需要進行組播地址、GooseID、AppID、DataSetRef、GocbRef等多種參數校驗；需要建立CPU和前置模塊間的內部通信報文收發機制。GOOSE傳遞信息復雜，包括鏈路信息，如鏈路是否中斷、裝置是否處于測試狀態、ConfRev版本信息是否一致；收發數據類型多樣化，布爾、浮點、整型、位、時間等。在訂閱和數據基礎上，需要和訂閱虛端子進行映射關聯。前置模塊處理報文的流程如下所述。

（1）由配置工具生成收發配置文件SMV.xml和GOOSE.xml，該文件規定了裝置訂閱和的格式、信息與虛端子映射關系、各收發與前置模塊各以端口中的配置關系等信息。

（2）將SMV.xml和GOOSE.xml下載到保護CPU中，由保護CPU解析SMV.xml和GOOSE.xml，并按前置模塊要求轉化成對應數據結構傳到前置模塊中，同時也作為保護CPU收發內部報文的校驗依據。

（3）前置模塊根據配置信息，對各端口收到的報文進行處理，判斷是否為預期報文，如果非預期報文，則舍棄該報文，否則解析報文中的數據信息，經解析處理為保護應用所需的接收信息。

（4）保護CPU將信息通過內部總線發到SV和GOOSE前置模塊，前置模塊在判斷到有信號變位，即將信號映射到對應的數據集，進行報文組織，并發送。由于GOOSE前置模塊所要實現的工作較為復雜，完全用FPGA實現工作量較大，且缺乏靈活性，因此在前置模塊中的ARMCPU和FPGA協同完成報文處理。ARM與FPGA的分工如圖1所示進行。其中FPGA主要負責報文的編解碼及收發工作，并依據配置文件，將收發信息與保護CPU硬件配置進行映射關聯，ARMCPU負責接收從保護CPU傳輸的配置文件并提供給FPGA，作為收發行為的依據；實現與保護CPU的內部報文通信。ARM與FPGA間交互SV.xml和GOOSE.xml中所有訂閱和數據，通信數據流量根據配置以及ARM與FPGA間的報文交互頻率而定。通常保護一般只和訂閱布爾型開關量數據，因此數據量較小，如果收發100個左右開關量GOOSE數據，每個開關量占1個字節，按每0.833ms傳遞一次報文計算，要求通信速率約為：100×1×8×（1000/0.833）/1024=937.88kbps=0.92Mbps，因此ARM與FPGA間的通信速率不能低于1Mbps。

2通信網絡的構架

2.1HSR的實現

HSR由幾個雙鏈接的交換節點構成，每個節點具有2個環網接入端口，以全雙工鏈路連接工作。HSR遵循在不同的路由傳輸重復報文的原則，繼承了PRP（ParallelRedundancyProtocol，RPR）零恢復時間的特點。基于查表算法，可以有效處理環網中的循環報文，同一節點不同端口在不同時間接收到的重復報文，后到的報文將社區，從而保證不會發生環網風暴。作為系統（源）的DANH（DoubleattachednodeimplementingHSR）發送來自協議層的數據，在數據中加入HSR標簽標識重復報文，隨后往兩個通信端口同時發送數據，終端DANH在不同的端口和時間會接收到重復的數據，收到兩個重復數據中的第一組數據后，刪除HSR標簽后，自動丟棄接收到重復的第二組數據，保護裝置環網構架如圖3所示。裝置不依賴于外部同步源，采樣同步精度高。HSR環網支持不同類型的報文（采樣，同步，定值壓板更新，軟件升級等），支持優先級。任一間隔支持定值壓板的設置，通過環網自動可靠的更新所有間隔單元；任一間隔支持程序在線升級，通過環網自動可靠的更新所有間隔單元；任一間隔支持信號復歸，通過環網實現整個保護的信號復歸。HSR數據幀格式包括目標地址、源地址、標簽標識（0x88FB）等。

2.2同步的實現

HSR無需特殊的同步方式，同步包括采樣、定值等同步，由于采樣分布式采集，每個間隔子機需要收集所有其他間隔的采樣數據，無法實現精確同步，各相電流則可能產生相位差，對應差動繼電器，若差流過大時則可能引起誤動。在整定定值時，從任一子機處整定，由本間隔子機將新定值信息同步到其他間隔，同步性保證了動作行為的一致性。

2.3網絡拓撲結構分析

采用星型網絡拓撲結構，若一個中央主機出現故障時，則終端子機的通信中斷，且主機端檢修時，影響其它終端變電站運行。而采用環網拓撲結構時，網絡中出現任一通道路由中斷時，保護性能不受影響；且任一設備退出運行時，不影響網絡中其它設備的運行，便于變電站運行和維護。

3總結

基于IEC62439-3-2012的HSR技術，經濟性好、網絡結構簡單可靠，當網絡出現故障時，網絡恢復無延時。其完全可以滿足了縱聯保護的要求，而各端保護可靠通信又能支持任一縱聯保護檢修退出而不影響其它設備運行的需求。采用IEC61850標準設計，保證了各端變電站裝置互聯互通，有著很好的可擴展性與互操作性，具備良好的工程推廣應用前景。

作者：黃浩生汪萍胡再超姚亮單位：江蘇省電力公司電力科學研究院江蘇省電力公司調度控制中心國電南京自動化股份有限公司