数字化变电站对传统微机保护装置的硬件结构的影响

随着基于IEC 61850的数字化变电站的推广，多功能智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）逐渐取代传统的微机保护、测控等装置。与传统的微机保护装置相比，除了保护功能外，多功能IED还可能集成以下非保护功能，如测量、控制、监视、录波、事件记录等，实现了多功能的集成。传统微机保护装置的硬件结构都包含数据采集系统和开关量输入/输出系统。数据采集系统把从TA/TV二次侧获得的模拟量转化为数字量采样值，并通过保护装置内的数据总线传递给数据处理单元。数据处理单元运行各种保护算法，根据所输入的各种采样值或计算值产生保护动作、开关动作、闭锁信号等开出信号。

基于IEC 61850的数字化变电站逻辑上把变电站分为三层设备和两层网络（站控层网络和过程层网络），如图29所示。在数字化变电站的发展过程中，还会有一种中间过渡状态，即仅实现站控层网络，而没有过程层网络。对于这种过渡状态，多功能IED与传统微机保护装置在硬件结构上没有太大区别，模拟量采样值和开入/开出量仍然采用二次电缆传输，IED内仍然有模拟量输入模块和开入/开出模块，只是在站控层用以太网代替各种工业现场总线，并采用IEC 6185081（映射为MMS报文）作为站控层通信协议。

图29　数字化变电站结构

在数字化变电站发展到成熟阶段后，即过程层也实现网络化后，会对传统微机保护装置的硬件结构产生重大影响。过程层网络用以太网代替二次电缆实现模拟量采样值和开入/开出量的传输，采用IEC 6185092通信协议。这时，传统微机保护装置中的模拟量输入模块和开入/开出模块下放到过程层设备实现，分别用TA/TV合并单元（Merging Unit，MU）和智能开关单元（Input/Output Unit，IOU）实现，如图210所示。TA/TV合并单元直接以SMV报文形式向间隔层保护IED输出模拟量采样值的数字量，智能开关单元以GOOSE报文形式与间隔层保护IED交换开入/开出量。间隔层的保护IED设备仅需配置传统微机保护装置中的数据处理单元硬件模块，如图210所示。但要注意，在实现过程层网络中，数字信号的时钟精确同步是个关键的问题。(www.xing528.com)

图210　微机保护装置硬件结构

合并单元与间隔层IED设备之间的互操作由IEC 61850标准的相关文档保证，并由专门的第三方机构进行互操作测试。合并单元与间隔层IED设备之间的采样值传输有两种模式。对于保护应用来说，合并单元每周波发送80个报文，每个以太网报文包含一组电压、电流采样，即每周波发送80个采样值。对于电能质量监视和录波的应用来说，这种采样率难以满足应用需求，这时一般采用每周波256个采样值的传输模式。这种传输模式每周波发送32个报文，每个报文包含8组采样值。

采样值的信息交换基于订阅/发布机制。发布者在发送侧把采样值写入本地缓存，而订阅者在接受侧从本地缓存中读取采样值。采样值都附带了时间戳，这样订阅者可以检查采样值的时序，把它们按照时间顺序整理后用于进一步的分析。装置内的通信模块负责更新订阅者的本地缓存。