数字化变电站系统通讯管理机的应用与研究

通讯管理机作为变电站自动化系统的局部数据集中转发设备，有着非常重要的地位。本文介绍了变电站由综合自动化向数字化转换的过程中，IEC-61850变电站自动化通信网络标准对通讯管理机的新要求，以及研祥的产品所提供的解决方案。
关键词：IEC-61850，数字化变电站，通讯管理机，模块化

1、数字化变电站简述
传统的变电站自动化系统存在着动态测量范围局限大，逻辑层信息模型无法统一，二次设备互操作性不强等诸多问题，这些问题限制了变电站自动化的进一步发展。为此，我国于05~06年左右开始正式进行数字化变电站科研试运行；到08年底，全国数字化变电站运行个数已不下100个；按照电力系统的一般规律，经过4~5年的运行观察，在2010年左右将自上而下全面开始取代目前综合自动化变电站系统。
数字化变电站就是将信息采集、传输、处理、输出过程完全数字化的变电站。全站采用统一的通讯规约IEC61850构建通信网络，保护、测控、计量、监控、远动、VQC等系统均用同一网络接收电流、电压和状态信息，各个系统实现信息共享。
常规综自站的一次设备采集模拟量，通过电缆将模拟信号传输到测控保护装置，装置进行模数转换后处理数据，然后通过网线上将数字量传到后台监控系统。同时监控系统和测控保护装置对一次设备的控制通过电缆传输模拟信号实现其功能。
数字化变电站一次设备采集信息后，就地转换为数字量，通过光缆上传测控保护装置，然后传到后台监控系统，而监控系统和测控保护装置对一次设备的控制也是通过光缆传输数字信号实现其功能。常规综自站与数字化变电站对比如图所示。

2、通讯管理机
IEC-61850提出了变电站过程层、间隔层、站控层的三层结构模型。

数字化变电站采用低功率、数字化的光电互感器代替常规互感器，将高电压、大电流直接变换为数字信号。变电站内设备之间通过高速网络进行信息交互，二次设备不再出现功能重复的I/O 接口，常规的功能装置变成了逻辑的功能模块，即通过采用标准以太网技术真正实现了数据及资源共享。组网技术、网络冗余技术、数据流建模、网络性能、可靠性分析、变电站过程层新型同步方法、变电站信息安全等成为构建整个系统信号通路的关键技术。
通讯管理机作为数据集中转发节点，影响着整个系统的稳定性与实时性，作用非常重要。在常规综自站中，各类测控、保护设备多为RS-2332/422/485接口，通讯管理机通过串口收集数据，进行规约转换后通过以太网上传至控制层，所以对通讯管理机的要求是多串口。
数字变电站的特征之一就是通过以太网实现数据共享，所以多网口成为通讯管理机新的要求。同时，多个节点的数据信号可以在同一条线缆中传输，大大节省了设备空间、布线成本。

3、设备要求
对于通讯管理机，IEC-61850有着严格的规定：
性能方面：要求支持快速存储转发方式和QoS服务质量，以保证网络中重要的GOOSE数据包得到实时传输；
电磁兼容方面：必须通过静电放电抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、浪涌抗扰度等电磁干扰实验和电击、雷击等测试。
环境温度方面：必须满足（-40℃～85℃）宽范围的工作温度，存储温度也要求满足宽温条件。
机械结构方面：必须通过专门的强振动、大冲击的承受度测试；满足特定的防尘、防潮；具备良好的散热条件。

4、研祥解决方案
SPC-0209是一款研祥推出的面向电力行业数字化变电站应用的多网口的低功耗无风扇原装整机，符合了电力行业高EMC防护等级的需求，整体模块化设计，满足了电力行业系统通讯层通讯管理机硬件平台的各方面的需求。
4．1 性能
SPC-0209采用Intel最新的PINEVIEW-D处理器--D510，双核1.66G主频，同时支持“超线程”可同时运行4个线程，为整机带来强劲的数据处理能力。搭配ICH8M南桥芯片，整机功耗小于60W，满足了产品高性能低功耗的要求。
4．2 结构
介于电力市场普遍存在的对金手指接插件稳定性存在疑虑的问题，SPC-0209借鉴了cPCI的设计理念，开发出3U外插式机箱，各扩展模块采用欧式插针的模式与母板连接，不但稳定性更高，而且便于维护和更换功能模块。
长期稳定运行的要求推动工业计算机朝着无风扇的方向发展，SPC-0209整机功耗小于60W，采用机壳散热，不但具备更宽泛的工作温度，而且密闭的机箱设计可以适应于多尘的的恶劣工作环境。
4．3 I/O接口
按照IEC-61850的规定，最好的信号传输模式是光纤传输，不但拥有高带宽，而且不会受到传输过程中的干扰。但从目前来说，让所有生产二次设备的公司的所有设备都同时具备光纤接口是不现实的。每个公司的研发生产能力不同，系统结构也有所区别，所以在短期内数字式变电站内必定是串口、网口、光口多种形式并存。
SPC-0209把所有的I/O口以接口模块的方式实现，采用欧式插座的模式与母板相连，这样工程公司可以根据不同的项目设备来选择响应的接口模块，增加了整个系统的灵活性。

SPC-0209串口模块（带隔离高压）

4．4整机参数
绝缘性能
绝缘电阻：装置所有电路与外壳之间的绝缘电阻在标准试验条件下，不小于100 MΩ。
介质强度：装置的导电部分对外壳或外露的非导电金属之间，以及电气上无联系的各带电的导电电路之间，能耐受交流50 Hz，电压2 kV（有效值），历时1 min试验，而无绝缘击穿或闪络现象。
冲击电压：装置的导电部分对外壳或外露的非导电金属之间，以及电气上无联系的各带电的导电电路之间，在规定的试验条件下，能耐受幅值为5 kV的冲击电压波形为标准雷电波的短时冲击检验。
耐湿热性能：能承受GB/T 7261-2000第20章规定的湿热试验。试验温度为＋40℃±2℃，相对湿度为（93±3）％，试验持续时间为48h（每一周期为24h）。在试验结束前2h内，测量各导电回路对外露非带电导电部位及外壳之间，电气上无联系的各回路之间的绝缘电阻，其绝缘电阻不应小于1.5MΩ；介质强度不低于2.3规定的介质强度试验电压值的75％。
抗电磁干扰能力

辐射电磁场干扰试验：能承受GB/T 14598.9-2002中第4章规定严酷等级的辐射电磁场骚扰；
快速瞬变干扰试验：符合GB/T 14598.10-2007规定的严酷等级为A级的快速瞬变干扰。
脉冲群干扰试验：符合GB/T 14598.13-1998规定的频率为1 MHz及100 kHz衰减振荡波（第一个半波为电压幅值共模为2.5 kV，差模为1 kV）脉冲群干扰。
抗静电放电干扰试验：符合GB/T 14598.14-1998规定的严酷等级为Ⅲ级的抗静电放电干扰。
抗静电放电干扰试验：符合GB/T 14598.19-2007规定的严酷等级为A级的工频干扰。
浪涌抗扰度试验：符合GB/T 17626.5-1999中规定的严酷等级为Ⅳ级的浪涌骚扰。
射频场感应的传导骚扰抗扰度试验：符合GB/T 17626.6-1998规定的严酷等级为Ⅲ级的射频场感应传导骚扰
工频磁场抗扰度试验：符合GB/T 17626.8-2006规定的严酷等级为Ⅴ级的工频磁场干扰。
脉冲磁场抗扰度试验：符合GB/T 17626.9-1998规定的严酷等级为Ⅴ级的脉冲磁场干扰。
阻尼振荡磁场抗扰度试验：符合GB/T 17626.10-1998规定的严酷等级为Ⅴ级的阻尼振荡磁场干扰。
机械性能
振动：装置能承受GB/T 7261-2000 16.3规定的严酷等级为Ⅰ级的振动耐久能力试验。
冲击：装置能承受GB/T 7261-2000 17.5规定的严酷等级为Ⅰ级的冲击耐久能力试验。
碰撞：装置能承受GB/T 7261-2000 18章规定的严酷等级为Ⅰ级的碰撞能力试验。


5、结束语
新型数字化变电站的信息交互网络化的主要优点表现在：能根据实际需要灵活选择网络拓扑结构，易于利用冗余技术提高系统可靠性，网络拓扑结构的改变不会影响变电站功能的实现。利用网线代替导线可大大减少变电站内二次回路的连接线数量，从而提高系统的可靠性。
SPC-0209是一个面向未来数字式变电站的电力行业专用产品，相对于目前市面常见的通讯管理机，它涵盖面更广，支持更多的通信模式，处理性能更加强大，并严格遵循IEC61850标准和数字化变电站的特殊要求，能够为变电站、电厂等严酷工业应用环境提供理想的通信解决方案。
参考文献：
1,《电力系统调度自动化设计规程》(DL5003-91)
2,《电力系统实数据通信应用层协议》(DL476-92)
3，《变电站通信网络和系统协议》(IEC61850)

作者简介：马林可 (1977-)，男，本科，学士，研祥智能科技股份有限公司产品总监