董 貝，林朝陽，張 堯，丁 毅

（1.國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 210003；2.南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，江蘇 南京 211153）

0 引 言

就地化保護(hù)[1-4]裝置貼近一次開關(guān)場(chǎng)無防護(hù)安裝，二次回路簡(jiǎn)單，可以有效提升保護(hù)快速性、可靠性和減少干擾，同時(shí)通過即插即用的檢修模式[5-6]縮短保護(hù)裝置的更換時(shí)間，提高檢修效率。跨間隔母線保護(hù)裝置[7-8]需要采集多間隔的電壓和電流數(shù)據(jù)，如果采用傳統(tǒng)集中式保護(hù)，則需要將所有間隔的采樣回路和開入開出回路連接在一臺(tái)保護(hù)裝置上，導(dǎo)致二次回路接線復(fù)雜，單臺(tái)保護(hù)裝置的外部接口眾多，軟硬件資源壓力大、功耗大，極難實(shí)現(xiàn)就地?zé)o防護(hù)安裝。為實(shí)現(xiàn)母線保護(hù)的就地化，必須采用新架構(gòu)和新模式[9-11]。

本文提出一種基于環(huán)網(wǎng)的有主分布式跨間隔母線保護(hù)方案。每個(gè)間隔配置一臺(tái)獨(dú)立的保護(hù)子機(jī)，所有子機(jī)配置完全相同，選取其中的一臺(tái)子機(jī)為主機(jī)負(fù)責(zé)和后臺(tái)通信。每臺(tái)子機(jī)與其左右相鄰的兩臺(tái)子機(jī)采用兩對(duì)千兆光纖連接，最終連接成兩組獨(dú)立的光纖環(huán)網(wǎng)。兩者互為冗余，各子機(jī)采集本間隔的交流數(shù)據(jù)和開關(guān)量并上送環(huán)網(wǎng)，同時(shí)從環(huán)網(wǎng)上實(shí)時(shí)獲取其他子機(jī)的數(shù)據(jù)?；谶@些數(shù)據(jù)，各個(gè)子機(jī)獨(dú)立進(jìn)行保護(hù)邏輯運(yùn)算，判斷本間隔的保護(hù)行為，輸出開關(guān)量。每臺(tái)子機(jī)配備光旁路開關(guān)，在本間隔檢修退出時(shí)將本間隔從環(huán)網(wǎng)中旁路去掉，不影響其他間隔子機(jī)的運(yùn)行。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行驗(yàn)證，有主分布式母線保護(hù)在可靠性和速動(dòng)性方面比傳統(tǒng)母線保護(hù)相比具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)提高了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維效率。

1 研究?jī)?nèi)容

在采用多子機(jī)的有主式環(huán)網(wǎng)母差中，子機(jī)間的同步將變得尤為重要，其中包括采樣值、開關(guān)量的同步，也包括子機(jī)間的內(nèi)部數(shù)據(jù)同步。例如，不同子機(jī)間的定值同步、整定同步、切區(qū)同步和壓板同步。對(duì)于采樣值和開關(guān)量的同步，在環(huán)網(wǎng)中利用擴(kuò)展原有采樣值SV，便可以實(shí)現(xiàn)不同子機(jī)間的數(shù)據(jù)同步。因此，本文的重點(diǎn)是后臺(tái)如何通過主機(jī)進(jìn)行所有環(huán)網(wǎng)子機(jī)的定值修改、定值切區(qū)以及軟壓板投退等操作。

在有主式環(huán)網(wǎng)母差裝置中，所有子機(jī)配置相同，同時(shí)只有一臺(tái)子機(jī)和后臺(tái)連接。對(duì)于后臺(tái)來說，子機(jī)透明，當(dāng)后臺(tái)發(fā)送定值整定、壓板整定等命令到主機(jī)時(shí)，需要由主機(jī)完成所有子機(jī)的同步，子機(jī)的執(zhí)行狀態(tài)決定著主機(jī)給后臺(tái)的響應(yīng)。因此，主機(jī)需要根據(jù)子機(jī)的執(zhí)行結(jié)果判定整個(gè)操作過程的成功與否。同時(shí)，對(duì)于后臺(tái)，所有的操作都有時(shí)間限制要求。例如，軟壓板投退執(zhí)行響應(yīng)時(shí)間不大于3 s，修改定值部分，所有子機(jī)均修改成功再由主機(jī)上送，從所有保護(hù)主子機(jī)執(zhí)行舊定值切換到執(zhí)行新定值，保護(hù)閉鎖時(shí)間不大于 500 ms，修改定值操作響應(yīng)時(shí)間（從保護(hù)主機(jī)收到確認(rèn)修改定值命令到修改成功的時(shí)間）不大于5 s，保護(hù)主機(jī)動(dòng)作報(bào)文上送時(shí)間不大于1 s，因此如何保證在有效的時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的操作是重中之重。

如果在環(huán)網(wǎng)中通過主機(jī)將定值文件在環(huán)網(wǎng)中傳遞完成定值的整定，這樣不僅對(duì)環(huán)網(wǎng)帶寬造成了影響，而且造成了整定和同步時(shí)間過長(zhǎng)。裝置在整個(gè)整定過程中閉鎖保護(hù)，二次系統(tǒng)過長(zhǎng)時(shí)間失去保護(hù)功能。如果定值文件在傳輸或者存取過程中的異常會(huì)導(dǎo)致整個(gè)環(huán)網(wǎng)子機(jī)定值的異常，將造成意想不到的后果。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于通信報(bào)文的協(xié)議，完成環(huán)網(wǎng)子機(jī)定值的整定。不僅能夠快速完成多子機(jī)環(huán)網(wǎng)裝置的定值整定，還能夠保證各個(gè)子機(jī)定值整定的正確性。

保護(hù)主機(jī)對(duì)子機(jī)進(jìn)行定值修改、壓板投退以及定值區(qū)切換等操作時(shí)有相同的流程，主要有：

（1）主機(jī)對(duì)子機(jī)進(jìn)行操作，有子機(jī)操作失敗時(shí)，日志記錄操作失敗的子機(jī)；

（2）通過在網(wǎng)絡(luò)對(duì)比主機(jī)和子機(jī)的定值CRC來確定是否一致，若子機(jī)投退壓板退出，則該子機(jī)不參與CRC對(duì)比；但壓板退出的子機(jī)若能收到主機(jī)的操作命令，子機(jī)仍按正常流程執(zhí)行，只是主機(jī)不再對(duì)比該子機(jī)的CRC，該子機(jī)操作失敗，主機(jī)也不會(huì)告警及提示異常。

（3）主機(jī)通過環(huán)網(wǎng)報(bào)文操作子機(jī)時(shí)，主機(jī)在專門的任務(wù)中執(zhí)行和等待，每個(gè)子機(jī)獨(dú)自執(zhí)行自身操作，不用等待其他的子機(jī)。

2 修改定值操作

修改定值操作包括以下步驟。

步驟一：后臺(tái)通過站控層61850協(xié)議對(duì)保護(hù)主機(jī)HMI發(fā)送選擇編輯定值區(qū)命令。

步驟二：保護(hù)主機(jī)收到后臺(tái)發(fā)送的選擇編輯定值區(qū)命令后，進(jìn)行定值編輯區(qū)選擇，選擇成功后，回復(fù)后臺(tái)選擇成功。

步驟三：后臺(tái)收到保護(hù)主機(jī)報(bào)發(fā)送的選擇成功回復(fù)后，向保護(hù)主機(jī)發(fā)送61850寫定值服務(wù)命令。

步驟四：保護(hù)主機(jī)收到后臺(tái)發(fā)送的寫定值命令，執(zhí)行相應(yīng)寫值命令并回復(fù)后臺(tái)寫定值執(zhí)行完成。

步驟五：后臺(tái)收到保護(hù)主機(jī)發(fā)送的寫定值命令回復(fù)后，通過站控層網(wǎng)絡(luò)對(duì)保護(hù)主機(jī)發(fā)送寫確認(rèn)命令。

步驟六：主機(jī)HMI給CPU發(fā)送定值整定報(bào)文。CPU收到該報(bào)文后生成定值區(qū)臨時(shí)文件，臨時(shí)文件名稱為HMI傳輸?shù)奈募Q+.bak。主機(jī)CPU收到該報(bào)文后，先判斷壓板投入的子機(jī)環(huán)網(wǎng)通信是否正常，若有子機(jī)壓板投入，但環(huán)網(wǎng)A口和B口都中斷，則返回固化失敗報(bào)文。若壓板投入的子機(jī)至少有一個(gè)環(huán)網(wǎng)口正常，再執(zhí)行后續(xù)操作。將定值區(qū)臨時(shí)文件（名稱+.bak）重命名為正式的名稱，更新內(nèi)存中的定值。若內(nèi)存更新失敗，返回固化失敗報(bào)文；若內(nèi)存更新成功，則計(jì)算修改定值區(qū)的CRC，再將定值通過環(huán)網(wǎng)報(bào)文發(fā)送給子機(jī)并等待子機(jī)回應(yīng)，待通過對(duì)比修改定值區(qū)CRC確定所有子機(jī)都修改成功后，CPU才返回成功報(bào)文給HMI。若主機(jī)和子機(jī)的修改定值區(qū)CRC一直不一致，則在超時(shí)后，返回定值修改失敗報(bào)文。

步驟七：保護(hù)主機(jī)收到所有保護(hù)子機(jī)的欲修改定值的CRC后，分別將其對(duì)比自身欲修改定值的CRC，如果全部一致，保護(hù)主機(jī)將新的保護(hù)裝置定值生效，并通過環(huán)網(wǎng)向子機(jī)發(fā)送秒脈沖同步信號(hào)。若不一致則新定值不生效，整個(gè)定值修改結(jié)束，保護(hù)主機(jī)給后臺(tái)返回修改定值失敗消息。

步驟八：子機(jī)收到主機(jī)發(fā)送的秒脈沖同步信號(hào)后，使新的保護(hù)定值生效，并通過環(huán)網(wǎng)發(fā)送更新后的所有定值的CRC。

步驟九：保護(hù)主機(jī)收到保護(hù)子機(jī)所有定值的CRC后，與自身所有定值的CRC進(jìn)行比較。如果一致，保護(hù)主機(jī)給后臺(tái)反饋定值修改成功。

具體流程見圖1。

3 切換定值區(qū)操作

切換定值區(qū)操作包括以下步驟。

步驟一：后臺(tái)通過站控層61850協(xié)議對(duì)保護(hù)主機(jī)發(fā)送選擇編輯定值區(qū)命令。

步驟二：保護(hù)主機(jī)收到后臺(tái)發(fā)送的選擇編輯定值區(qū)命令后進(jìn)行定值編輯區(qū)選擇，選擇成功后回復(fù)后臺(tái)選擇成功。

步驟三：后臺(tái)收到保護(hù)主機(jī)報(bào)發(fā)送的選擇成功回復(fù)后，向保護(hù)主機(jī)發(fā)送61850寫定值服務(wù)命令。

步驟四：主機(jī)HMI發(fā)送切換定值區(qū)切換命令的預(yù)發(fā)報(bào)文。

步驟五：主機(jī)CPU收到切區(qū)的預(yù)發(fā)報(bào)文，檢查目標(biāo)定值區(qū)的有效狀態(tài)，返回成功或失敗報(bào)文。

步驟六：主機(jī)HMI收到預(yù)發(fā)成功報(bào)文，發(fā)送切換定值區(qū)遙控命令的執(zhí)行報(bào)文。

步驟七：主機(jī)CPU收到切區(qū)的執(zhí)行報(bào)文，先檢查是否有壓板投入的子機(jī)環(huán)網(wǎng)A/B口都中斷，再檢查目標(biāo)定值區(qū)的有效性，然后將目標(biāo)定值區(qū)更新到功能狀態(tài)文件中，再打開目標(biāo)定值區(qū)，更新內(nèi)存中的定值。更新內(nèi)存失敗，則返回失敗報(bào)文；更新內(nèi)存成功，則計(jì)算功能狀態(tài)文件及當(dāng)前運(yùn)行定值區(qū)的CRC，并將定值區(qū)切換命令通過環(huán)網(wǎng)發(fā)送給子機(jī)、待通過對(duì)比主機(jī)和所有子機(jī)的運(yùn)行定值區(qū)CRC都一致確認(rèn)切區(qū)成功后，CPU才返回執(zhí)行成功報(bào)文給HMI；若CRC一直不一致，在超時(shí)后返回執(zhí)行失敗報(bào)文給HMI。

步驟八：主機(jī)CPU對(duì)比主機(jī)與所有子機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行定值區(qū)CRC是否一致判斷切區(qū)成功，給HMI返回執(zhí)行成功報(bào)文。HMI在收到主從CPU的執(zhí)行回復(fù)報(bào)文后，開始發(fā)送秒脈沖。主機(jī)CPU在設(shè)定時(shí)間內(nèi)HMI的秒脈沖到來時(shí)通過環(huán)網(wǎng)發(fā)送同步信號(hào)，并更新定值給應(yīng)用程序，使定值正式生效，此時(shí)計(jì)算總的定值CRC。然后，對(duì)比主機(jī)與所有子機(jī)的總CRC是否一致，若一致，則返回定值區(qū)切換成功報(bào)文給HMI；或在設(shè)定時(shí)間內(nèi)一直不一致，則返回定值區(qū)切換失敗報(bào)文給HMI；HMI根據(jù)收到的定值區(qū)切換回復(fù)報(bào)文上送給后臺(tái)。若HMI的秒脈沖沒在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到來，則返回定值區(qū)切換失敗報(bào)文給HMI。

圖1 定值修改流程

步驟九：子機(jī)CPU收到環(huán)網(wǎng)中的切換定值區(qū)報(bào)文后，在新建的任務(wù)中進(jìn)行處理，按現(xiàn)有的機(jī)制切換定值區(qū)更新內(nèi)存中的定值區(qū)及定值，計(jì)算功能狀態(tài)文件和當(dāng)前定值區(qū)的CRC發(fā)送到環(huán)網(wǎng)。子機(jī)CPU在收到環(huán)網(wǎng)報(bào)文中的同步信號(hào)時(shí)更新定值給應(yīng)用程序，使定值生效，計(jì)算總的定值CRC；若未收到同步信號(hào)，則在超時(shí)后更新定值給應(yīng)用程序，使定值生效，計(jì)算總的定值CRC。

具體流程見圖2。

4 軟壓板投退操作

軟壓板投退操作包括如下步驟。

步驟一：后臺(tái)通過站控層61850協(xié)議對(duì)保護(hù)主機(jī)HMI發(fā)送壓板選擇命令。

步驟二：保護(hù)主機(jī)HMI收到后臺(tái)發(fā)送的壓板選擇命令后進(jìn)行壓板選擇，選擇成功后回復(fù)后臺(tái)選擇成功；

步驟三：后臺(tái)收到保護(hù)主機(jī)報(bào)發(fā)送的選擇成功回復(fù)后，向保護(hù)主機(jī)發(fā)送61850壓板投退命令。

步驟四：主機(jī)HMI發(fā)送軟壓板投退遙控命令的報(bào)文。

步驟五：主機(jī)CPU收到壓板投退的執(zhí)行報(bào)文，先檢查是否有壓板投入的子機(jī)環(huán)網(wǎng)A/B口都中斷，再檢查壓板序號(hào)和操作代碼的正確性，然后更新壓板文件，更新內(nèi)存中的壓板值。更新內(nèi)存失敗，則返回失敗報(bào)文；更新內(nèi)存成功，則壓板文件的CRC，并將壓板投退命令通過環(huán)網(wǎng)發(fā)送給子機(jī)。

步驟六：主機(jī)CPU對(duì)比主機(jī)與所有子機(jī)的壓板文件CRC是否一致。

（1）若一致，則給HMI返回執(zhí)行成功報(bào)文。HMI在收到主從CPU的執(zhí)行回復(fù)報(bào)文后，開始發(fā)送秒脈沖。主機(jī)CPU在設(shè)定時(shí)間內(nèi)HMI的秒脈沖到來時(shí)通過環(huán)網(wǎng)發(fā)送同步信號(hào)，并更新壓板值給應(yīng)用程序，使壓板值正式生效，此時(shí)計(jì)算總的定值CRC。對(duì)比主機(jī)與所有子機(jī)的總CRC是否一致，若一致，則返回壓板投退成功報(bào)文給HMI；或在設(shè)定時(shí)間內(nèi)一直不一致，則返回壓板投退失敗報(bào)文給HMI；HMI根據(jù)收到的壓板投退回復(fù)報(bào)文上送給后臺(tái)。若HMI的秒脈沖沒在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到來，則返回壓板投退報(bào)文給HMI。

（2）若不一致，在超時(shí)后返回執(zhí)行失敗報(bào)文給HMI。

具體的流程見圖3。

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于IEC61850的就地化分布式母差保護(hù)裝置，按照間隔配置一臺(tái)獨(dú)立的保護(hù)子機(jī)，所有子機(jī)配置完全相同，選取其中的一臺(tái)子機(jī)為主機(jī)，負(fù)責(zé)和后臺(tái)通信。每臺(tái)子機(jī)與其左右相鄰的兩臺(tái)子機(jī)采用兩對(duì)千兆光纖連接，后臺(tái)通過和主機(jī)61850通信完成所有子機(jī)的操作，主機(jī)和子機(jī)通過介紹的方法完成定值整定等操作。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行驗(yàn)證，有主分布式母線保護(hù)在可靠性和速動(dòng)性方面比傳統(tǒng)母線保護(hù)具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)提高了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維效率。

圖2 切換定值流程

圖3 軟壓板操作流程