基于多HSR环网的分布式母差平台及关键技术

．aepsＧinfo．com基于多HSR环网的分布式母差平台及关键技术王德林１,郑玉平２,４,周华良２,３,４,吴　海２,３,４,戴　魏２,３,吴通华２,３,４(１．国家电力调度控制中心,北京市１０００３１;２．南瑞集团公司(国网电力科学研究院),江苏省南京市２１１１０６;３．国电南瑞科技股份有限公司,江苏省南京市２１１１０６;４．智能电网保护和运行控制国家重点实验室,江苏省南京市２１１１０６)摘要:保护设备就地化的难点之一是实现母线保护等跨间隔保护设备的就地化,文中在分析现有分布式母线保护特点的基础上,提出了基于多个高可靠无缝冗余环网的分布式母线保护方案和具体的软硬件平台实现架构.文中基于FPGA技术实现了环网报文时延的准确测量及补偿,并提出了不依赖于外部时钟的基于采样事件的采样同步技术.通过采用环网拓扑监视和弱配置管理等关键技术,实现了环网通信状态的实时监视以及子机终端的少配置、弱管理应用,提高了运行维护的方便性.最后,通过对该方案主要性能参数的实际测试,验证了该方案的可行性.关键词:就地化保护;分布式母线保护;高可靠无缝冗余环网;采样同步;配置管理收稿日期:２０１７Ｇ０２Ｇ２０;修回日期:２０１７Ｇ０４Ｇ２１.上网日期:２０１７Ｇ０７Ｇ０４.已申请国家发明专利(２０１６１０９０２４００．０,２０１６１０９６０５０２．８,２０１５１０９０８２３５．５,２０１５１０５４３２６４．６,２０１７１０２７６９４７．９).０　引言为解决近年来继电保护装置暴露出的二次回路复杂、接口不一致、数据交互效率低、占用土地资源多等弊端,国家电网公司国家电力调度控制中心保护处２０１６年初组织开展了即插即用就地化保护装置的研究,并率先在线路保护进行技术攻关[１].２０１６年底,就地化线路保护通过了全面、严酷的测试检验,分别在严寒、高海拔、高温、高湿、强日照、盐雾等具有代表性的地区成功挂网运行.就地化线路保护的成功挂网实现了单间隔保护的就地化,但对母线保护,需跨多个间隔,同时采集多个间隔的模拟量及开关位置,还要与线路保护、主变保护等装置传递联闭锁信息.因此,采用分布式设计,将跨间隔保护间隔化是实现母线保护就地化的必由之路.目前,国内外公司研制的分布式母线保护,例如,ABB公司的REB５００系列、AREVA公司的MICONP７４０系列等,均采用星型结构[２Ｇ３],由主机和子机构成,主机安装在控制室内,收集子机的数据后进行综合计算处理,发出跳闸指令.这种星型结构分布式母线保护的主机功耗大,主机与子机相距较远,光缆数量众多;子机接入规模有限,间隔扩展需额外的接口插件,不利于变电站扩建,另外,任一子机与主机通信链路发生中断,均会造成母线差动保护退出运行.近年来,高可靠无缝冗余(HSR)环网以其传输实时、零丢包、无自愈时间等优点已在变电自动化领域逐渐应用[４Ｇ９].HSR采用结点冗余技术,终端结点有两个环形链接端口,由全双向链路连接,形成环形拓扑[８],即在链路层上实现报文的“双发双收”,网络故障时实现零切换时间.文献[９Ｇ１０]中提出了基于HSR环网通信的分布式母线保护方案,采用无主式设计,保护子机就地采集并通过HSR环网共享数据,各子机独立进行保护逻辑判断并对等通信.此方案具有环网通信可靠、保护子机接口数量少等优点,但单环网在接入间隔较多时网络流量及报文传输延时较大,且无主式设计使保护子机站控层接口增加,定值、配置、参数管理复杂,现场运维难度较大,事故分析复杂.本文针对就地化母差保护应用的新需求,提出了基于多个HSR环网的分布式母线保护实现方案.本方案可根据变电站规模及设备类型,划分若干HSR子环,适当控制单个HSR子环中设备规模,有效减少了网络流量及报文传输延时,方便间隔扩展,不需要额外增加硬件.同时文中提出了多HSR环网应用下的软硬件平台系统解决方案,深入研究了环网时延的报文测量和补偿、环网拓扑监视、采样控制与同步、装置弱配置管理等关键技术,并进行了关键测试验证与性能分析.７２第４１卷　第１６期　２０１７年８月２５日Vol．４１No．１６Aug．２５,２０１７DOI:１０．７５００/AEPS２０１７０２２０００４１　平台整体方案１．１　整体方案及配置结合就地化分布式母差的系统要求及双向环网的新技术特点,本文提出了一种基于多个HSR双向环网的分布式母线保护实现方案,如下图１所示,就地化母线保护主机与子机装置都具备支持HSR协议的网络端口A和B,采用千兆光纤以太网实现面向对象变电站事件(GOOSE)网、采样值(SV)网和环网管理报文的三网合一集成应用.同时,母线保护主机具备三组HSR环网端口,可根据变电站规模及设备类型,划分成三个相互解耦的HSR子环网,每个环网内适当控制保护子机备的数量,有效减少了网络传输延时,也利于后期间隔设备的灵活扩展.图１　基于多HSR环网的分布式母差整体架构Fig．１　StructureofdistributedbusprotectionbasedonmultiＧHSRnetwork　　本系统中就地化母差保护主机通过HSR环网端口接收来自所有子机的GOOSE和SV报文,完成数据同步,实现保护逻辑,也向子机发送GOOSE报文.同时,主机提供具备独立媒体访问控制(MAC)和制造报文规范(MMS)双网进行对外通信;主机可通过独立GOOSE网络端口与其他保护交互失灵启动、失灵联跳等信息.主机通过IRIGＧB对时输入接口实现装置时间与GPS(全球卫星定位系统)/BDS(北斗卫星导航系统)的时间更新功能,并向子机广播对时报文,实现环网系统内各子机在世纪秒的时间同步.各个就地化子机装置主要实现采集检修压板、断路器位置、刀闸位置、手合信号等开入信息以及电压、电流等模拟量信息,以GOOSE报文和SV报文方式发送到HSR环网网络中;各子机基于HSR环网网络通过管理报文接收保护主机的配置管理、上传本地运行状态等信息.１．２　平台硬件架构及方案本系统主子机各设备采用的硬件平台是基于同一型号的高性能多核处理器平台来实现,平台硬件整体架构如图２所示.本硬件平台主要由FPGA系统和多核处理器系统来实现,其中平台FPGA系统主要实现ADC模拟量的高速采集及数字量的控制、IRIGＧB解码及时间状态的监测、硬件中断及各类时序的同步处理以及与处理器的数据交互接口等功能;应用FPGA系统主要实现装置平台对内、对外各个网络接口的通信处理、千兆HSR环网控制、网络风暴处理与报文管控[１０]、过程层报文解析、数据存储与转发、同步报文及中断等.图２中多核处理器包含有１个ARM核和２个DSP核,各个核之间通过高速DMA总线来实现数据交互共享;ARM核负责完成整个装置的管理(如果是主机,还负责完成整个分布式系统的管理),DSP核１主要完成各型保护的应用逻辑计算与控制处理,DSP核２完成点对点过程层网络以及多HSR环网网络的各类数据及信号处理.１．３　平台软件架构及方案本分布式母差保护系统软件平台的架构采用分层分布式结构,每个处理器核上的软件分层结构主要包含板级支持包/Linux嵌入式实时操作系统层、平台系统管理层以及应用层共三部分,见图３.８２２０１７,４１(１６)􀅰即插即用就地化保护􀅰．aepsＧinfo．comADCADCSoC+E UIGNDGPSSVMMS1):1588SerDesSerDesPCIePCIeCPUDSP1DSP2DMA
MAC-1MAC-AMAC-BMAC-2MAC-6
GOOSE HSR FPGAETH-AETH-BETH-1ETH-2ETH-6DC+DCFPGA图２　平台硬件整体架构Fig．２　Hardwarestructureofplatform  MMSIEC103RTOS 1ARMARM  DSP1DSP1I/OADCHSRSV/GS DSP2DSP2I/O SV/GS  MMSIEC103RTOS ARMARM 1DSP1DSP2SV/GS  MMSIEC103RTOS ARMARM nDSP1DSP2SV/GS
图３　平台软件整体架构Fig．３　Softwarestructureofplatform　　板件支持包用于完成CPU核与外部接口之间数据输入输出的处理,主要包括以太网、同步串行端口等通信接口的控制驱动模块,DDR,FLASH等的存储器控制管理模块,PCIe总线、并行总线等总线接口模块,中断与时钟管理模块,模数转换器(ADC)采样控制与同步模块,开入开出控制模块等.系统管理层为实现保护控制功能的应用软件模９２王德林,等　基于多HSR环网的分布式母差平台及关键技术块之间提供数据交换、输入输出信号以及参数管理等功能支撑,包括装置的信息管理、信号交互、参数管理、任务管理、系统监视和装置调试等模块.在本系统的单个装置中,ARM处理器核作为整个装置的管理核,部署整个装置的主管理模块、其他处理器核部署从管理模块.主管理模块主要用于控制装置初始化过程、负责装置插件程序下载、调试、监视装置插件运行状态等功能.从管理模块主要用于接收主管理模块的命令,与其一起协同完成整个装置的管理.应用层模块既包括装置的保护控制功能,又包含通用的应用处理模块,如分布式管理、HSR环网监视与管理、IEC６１８５０MMS、GOOSE、SV、IEC６０８７５Ｇ１０３、人机界面、事件和录波管理等模块.分布式管理模块部署在母线保护和各个子机中,实现整个系统各装置间的定值同步和事件管理等功能.２　平台关键技术２．１　环网报文时延测量及补偿技术环网内报文传输时延指标的大小及测量的精度对HSR环网在分布式母差平台中的可靠应用有着重要的意义.这个网络报文传输时延指标包含报文驻留时间和路径时延两部分,其中驻留时间是指报文在某一设备结点内部停留的时间(包含报文在结点内部接收缓存时间、查找表时间、从接收缓存搬运到转发缓存时间等内部处理时间,以及可能存在的排队等待时间),路径时延是指报文在环网网络各结点之间传递时的物理链路延时,如附录A中图A１所示.为了更精确地测量报文在HSR双向环网系统中的传输时延,本文提出了一种报文时延测量及补偿的方法.首先在HSR报文中定义一个四字节的时延修正域(FTCF),时间刻度单位为１０ns,初始值设为０(从源结点发出的报文),报文从源结点发出以后,每经过一个HSR网络结点时,设备结点中的FPGA处理器模块将报文在此结点内驻留时间(接收和转发时间差)计算出来并累加到时延修正域中.报文在设备结点中的驻留时延计算如附录A图A２和图A３所示.在每个结点中的FPGA处理器模块依据设备内部时标(１０ns/tick)对端口A/B接收到的报文记录接收时间戳.如附录A图A２,记录报文从端口A进入FPGA接收到报文的SFD字段时刻为T１,记录报文从FPGA往端口B发送报文的SFD字段时刻为T２,则该报文将在此设备结点内的驻留时延ΔT即为:ΔT＝T２－T１(１)如本帧此报文的时延修正域字段值的初值为T０,则通过报文时延校正后此修正值T３为:T３＝T０＋T２－T１(２)同时,为了更精准地测量报文在环网中的传输链路时延,如附录A图A３所示,本文参照IEEE１５８８规范中测量路径延时的方法[８Ｇ９,１５],即通过本结点向上一结点发送延时测量请求报文和接收上一结点的延时测量