中低压网络站间通信技术论文

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1变电站站站间通信方案

常规保护装置的通信方式通常只能与一个或两个装置实现信息交互，在中低压辐射网络多端线路的需求面前就显得捉襟见肘。通过FPGA（Field－ProgrammableGateArray）来实现多接口SV（SampledValue）和GOOSE（GenericObjectOrientedSubstationEvents）前置模块，实现收发处理SV和GOOSE任务，可以同时提供多路通信接口。最重要的是将通信接口独立于保护配置以外，增加了工程实施的灵活性和可扩展性。因此通过在专门的前置模块当中用FPGA去实现SV和GOOSE收发更能适应今后工程化的发展需求。嵌入FPGA的SV和GOOSE前置模块相对于采样值，采用FPGA实现GOOSE收发的主要难点在于GOOSE报文结构、收发机制、传递信息相对复杂，其采用ASN.（1AbstractSyntaxNotationOne）编码格式，报文头中有包括TAL、AppID、TimeStamp、DataSetRef、GocbRef、ConfRev、TestMode、sqNum和stNum等在内的多种参数信息；数据区包括多种类型数据格式，且存在结构体数据嵌套。GOOSE报文收发机制复杂，其采用T0/T1/T2/T3的定时重传加突发变位的重传机制；每包报文都要通过参数sqNum和stNum进行序列计数；每组接收GOOSE需要进行组播地址、GooseID、AppID、DataSetRef、GocbRef等多种参数校验；需要建立CPU和前置模块间的内部通信报文收发机制。GOOSE传递信息复杂，包括链路信息，如链路是否中断、装置是否处于测试状态、ConfRev版本信息是否一致；收发数据类型多样化，布尔、浮点、整型、位、时间等。在订阅和数据基础上，需要和订阅虚端子进行映射关联。前置模块处理报文的流程如下所述。

（1）由配置工具生成收发配置文件SMV.xml和GOOSE.xml，该文件规定了装置订阅和的格式、信息与虚端子映射关系、各收发与前置模块各以端口中的配置关系等信息。

（2）将SMV.xml和GOOSE.xml下载到保护CPU中，由保护CPU解析SMV.xml和GOOSE.xml，并按前置模块要求转化成对应数据结构传到前置模块中，同时也作为保护CPU收发内部报文的校验依据。

（3）前置模块根据配置信息，对各端口收到的报文进行处理，判断是否为预期报文，如果非预期报文，则舍弃该报文，否则解析报文中的数据信息，经解析处理为保护应用所需的接收信息。

（4）保护CPU将信息通过内部总线发到SV和GOOSE前置模块，前置模块在判断到有信号变位，即将信号映射到对应的数据集，进行报文组织，并发送。由于GOOSE前置模块所要实现的工作较为复杂，完全用FPGA实现工作量较大，且缺乏灵活性，因此在前置模块中的ARMCPU和FPGA协同完成报文处理。ARM与FPGA的分工如图1所示进行。其中FPGA主要负责报文的编解码及收发工作，并依据配置文件，将收发信息与保护CPU硬件配置进行映射关联，ARMCPU负责接收从保护CPU传输的配置文件并提供给FPGA，作为收发行为的依据；实现与保护CPU的内部报文通信。ARM与FPGA间交互SV.xml和GOOSE.xml中所有订阅和数据，通信数据流量根据配置以及ARM与FPGA间的报文交互频率而定。通常保护一般只和订阅布尔型开关量数据，因此数据量较小，如果收发100个左右开关量GOOSE数据，每个开关量占1个字节，按每0.833ms传递一次报文计算，要求通信速率约为：100×1×8×（1000/0.833）/1024=937.88kbps=0.92Mbps，因此ARM与FPGA间的通信速率不能低于1Mbps。

2通信网络的构架

2.1HSR的实现

HSR由几个双链接的交换节点构成，每个节点具有2个环网接入端口，以全双工链路连接工作。HSR遵循在不同的路由传输重复报文的原则，继承了PRP（ParallelRedundancyProtocol，RPR）零恢复时间的特点。基于查表算法，可以有效处理环网中的循环报文，同一节点不同端口在不同时间接收到的重复报文，后到的报文将社区，从而保证不会发生环网风暴。作为系统（源）的DANH（DoubleattachednodeimplementingHSR）发送来自协议层的数据，在数据中加入HSR标签标识重复报文，随后往两个通信端口同时发送数据，终端DANH在不同的端口和时间会接收到重复的数据，收到两个重复数据中的第一组数据后，删除HSR标签后，自动丢弃接收到重复的第二组数据，保护装置环网构架如图3所示。装置不依赖于外部同步源，采样同步精度高。HSR环网支持不同类型的报文（采样，同步，定值压板更新，软件升级等），支持优先级。任一间隔支持定值压板的设置，通过环网自动可靠的更新所有间隔单元；任一间隔支持程序在线升级，通过环网自动可靠的更新所有间隔单元；任一间隔支持信号复归，通过环网实现整个保护的信号复归。HSR数据帧格式包括目标地址、源地址、标签标识（0x88FB）等。

2.2同步的实现

HSR无需特殊的同步方式，同步包括采样、定值等同步，由于采样分布式采集，每个间隔子机需要收集所有其他间隔的采样数据，无法实现精确同步，各相电流则可能产生相位差，对应差动继电器，若差流过大时则可能引起误动。在整定定值时，从任一子机处整定，由本间隔子机将新定值信息同步到其他间隔，同步性保证了动作行为的一致性。

2.3网络拓扑结构分析

采用星型网络拓扑结构，若一个中央主机出现故障时，则终端子机的通信中断，且主机端检修时，影响其它终端变电站运行。而采用环网拓扑结构时，网络中出现任一通道路由中断时，保护性能不受影响；且任一设备退出运行时，不影响网络中其它设备的运行，便于变电站运行和维护。

3总结

基于IEC62439-3-2012的HSR技术，经济性好、网络结构简单可靠，当网络出现故障时，网络恢复无延时。其完全可以满足了纵联保护的要求，而各端保护可靠通信又能支持任一纵联保护检修退出而不影响其它设备运行的需求。采用IEC61850标准设计，保证了各端变电站装置互联互通，有着很好的可扩展性与互操作性，具备良好的工程推广应用前景。

作者：黄浩生汪萍胡再超姚亮单位：江苏省电力公司电力科学研究院江苏省电力公司调度控制中心国电南京自动化股份有限公司