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摘 要：智能一次设备作为智能变电站的典型部件与结构基础，其智能化的部件是智能组件。智能组件将成为各种智能单元的接入平台，而智能单元则成为具体智能技术的应用终端。本文设计一种通用智能组件平台，给出智能组件的模块结构和配置方案。同时，采用实时操作系统对智能单元协同工作进行管理，使之满足一次设备智能化的各种要求。最后，对智能组件平台进行GOOSE报文的实时性验证。结果证明该智能组件平台满足IEC61850标准要求，为智能组件的后续研究和发展提供参考。
关键词：智能变电站；智能组件；操作系统；实时性测试
中图分类号：TP311.52
智能变电站以一次设备智能化、二次设备网络化和顺序控制、状态估计、远端维护、智能告警及分析决策等高级智能应用为主要特征[1-2]。智能组件作为智能变电站一次设备智能化的关键环节，可实现一次设备的测量数字化、控制网络化、状态可视化、信息标准化、协同互动化和功能一体化，从而减少站内设备数量和简化场站设计[2]。
智能组件的发展趋势是功能集成、结构一体，即采用能提供稳态、动态和暂态数据的“三态”信息采集装置，在满足相关标准要求时还可融入保护、测控和计量等功能，充分体现了集约化管理思路[3]。对于智能变电站而言，各层智能组件要求数据实时性和时间一致性，即各个设备的时钟统一且在同一时刻采集的所有数据都必须打上相同的时间戳。因而设备之间高精度的时间同步是智能变电站建设的重要一环，是变电站内自动化系统实现保护和测控等功能的基础[4]-[6]。
虽然智能变电站已经开始建设，但其内涵与覆盖范围不明确，导致了智能变电站设计的基本概念缺失，各专业设计想法差异性大，试点站方案不能统一等现象。因此，智能变电站目前仍处于探索和规划阶段，在很多方面尚无实际的技术实现和完善的规范标准。
本文基于对智能变电站及智能一次设备开放性平台的理解，设计和设计了一种通用的智能组件平台，并就方案进行GOOSE报文的实时性验证，证明方案的可行性。
1 智能一次设备框架
智能一次设备具有自动测量、自动控制、自动调节、自身状态监测、预警及通信功能的变电站高压电器设备。为便于智能一次设备的开发，设计一种通用的集成框架平台，如图1所示。
智能一次设备主要由电气部分和信息部分组成，电气部分包括一次设备本体及其操作机构、互感器及传感器，信息部分为智能组件及其内部所配置的智能单元。
其中，智能组件的网络接口连接了智能组件与站控层网络，用于智能一次设备相互间的通讯和与站控层主机的通讯；专项接口直接连接智能单元，用于特殊智能单元的快速信息通信。控制接口连接智能组件和一次设备本体操作机构，用于操作命令的发布；智能组件的互感器接口和状态接口连接了互感器和传感器，用于测量数据的采集获取。
2 智能组件的硬件设计
在设备集成框架中，智能组件是实现一次设备的就地智能化的关键环节，主要实现包括智能终端（IU）、合并单元（MU）、状态监测/保护测控（PU）等功能[7]-[9]。
MU功能的实现：主要实现模拟量的采集、同步和存储，并按设定的格式以IEC61850-9-2的格式通过SV网络接口发出。
IU功能的实现：主要用于开关量的采集和存储，根据配置通过GOOSE发送到GOOSE网；同时根据接收的GOOSE对一次设备进行控制。
PU功能的实现：主要实现对以一次设备的就地保护状态监测和保护测控功能。
在本设计中智能组件最大支持4个100M过程层以太网接口、2个100M间隔层以太网接口，过程层网络接口主要支持SV报文、GOOSE报文和IEC61588报文，支持各种网络数据独立组网也可以实现三网合一应用，采用多模光纤通信方式；间隔层网络主要支持MMS报文、GOOSE报文、SNTP报文等，采用超五类屏蔽电缆或多模光纤通信方式。
当装置仅具有过程层接口时，其ICD文件通过工具软件生成，设备本身不支持在线读取ICD文件的能力，对装置配置CID的过程也通过工具实现；当装置同时具有间隔层网络接口时，支持在线读取ICD文件及在线读取数据结构，同时支持直接修改CID文件实现对设备接口的修改。
装置的间隔层接口支持DL/T860.81的MMS映射及GOOSE通讯模型。
智能组件构成平面图如图3所示。其中MPU采用Freescale公司推出的基于PowerPC构架的新一代高性能通信处理器MPC8377。
3 智能组件的软件平台设计
软件开发基于复旦大学嵌入式实验室研发的FDCX08实时多任务操作系统。FDCX08操作系统支持多至8个任务同时运行，采用优先级任务调度方法，支持抢先调度。支持任务间通信，具有邮局通信和信号量控制功能。支持Local bus总线和PCI总线通信，具有定时时钟功能，可为各个任务提供定时和超时计数服务。支持MPC8377的各种中断，为各个任务提供中断处理服务。操作系统的要求比较简单，该操作系统最大程度的减少系统的开销，将任务调度和系统调用的时间缩至最小。
FDCX08的体系结构如图4所示[10]。
系统任务为最低优先级，主要完成系统检验任务；输入任务包括数据采集以及远方GOOSE命令任务，每个控制任务代表一个控制通道，输出任务是对不同输入任务的响应。图5给出智能组件的软件结构。4 智能组件的实时性测试
图6给出智能组件的实时性测试系统。继电保护测试仪采用ONLLY-F66D，它能够实现保护的完整闭环测试；网络流量软件模拟GOOSE报文传输时过程总线的其它流量信息。
为了验证GOOSE报文的实时性，使用网络流量软件向交换机加载不同网络流量：0%、10%、50%和80%。以距离保护（PDIS）为例进行实验验证。表1给出相应的实验结果。由表1可以看出，GOOSE跳闸延时小于1ms，满足IEC61850标准对GOOSE报文的实时性要求。可见，本文设计的通用智能组件平台是能够满足IEC61850通信实时性的要求。
5 结论
本文以智能一次设备作为对象，设计了实现智能化和网络化智能一次设备的通用智能组件平台。为平台设计了硬件电路框架和软件操作系统平台。
最后对该平台样品电路进行了GOOSE保护跳闸延时验证，结果证明满足IEC61850实时性的要求。為智能组件的开发和设计提供借鉴。
参考文献：
[1]黄灿，肖驰夫，方毅，等.智能变电站中采样值传输延时的处理[J].电网技术，2011，35（1）：5-10.
[2]Q/GDW 383—2009，智能变电站技术导则[S].
[3]刘有为，邓彦国，吴立远.高压设备智能化方案及技术特征[J].电网技术，2010，34（7）：1-4.
[4]IEEE 1588 2008 IEEE Standard for a precision clock synchronization protocol f or networked measurement and control system，2008.
[5]刘慧源，郝后堂，李延新，等.数字化变电站同步方案分析[J].电力系统自动化，2009，33（3）：55-58.
作者单位：寿建平 / 浙江省电力公司培训中心，杭州 310015
贾武轩 / 东北电力大学 电气工程学院，吉林吉林 132012
柯定芳 / 浙江省电力公司培训中心，杭州 310015
黄鑫 / 大连供电公司金州供电分公司，辽宁大连 116101
王义军 / 东北电力大学 电气工程学院，吉林吉林 132012
关键词：智能变电站；智能组件；操作系统；实时性测试
中图分类号：TP311.52
智能变电站以一次设备智能化、二次设备网络化和顺序控制、状态估计、远端维护、智能告警及分析决策等高级智能应用为主要特征[1-2]。智能组件作为智能变电站一次设备智能化的关键环节，可实现一次设备的测量数字化、控制网络化、状态可视化、信息标准化、协同互动化和功能一体化，从而减少站内设备数量和简化场站设计[2]。
智能组件的发展趋势是功能集成、结构一体，即采用能提供稳态、动态和暂态数据的“三态”信息采集装置，在满足相关标准要求时还可融入保护、测控和计量等功能，充分体现了集约化管理思路[3]。对于智能变电站而言，各层智能组件要求数据实时性和时间一致性，即各个设备的时钟统一且在同一时刻采集的所有数据都必须打上相同的时间戳。因而设备之间高精度的时间同步是智能变电站建设的重要一环，是变电站内自动化系统实现保护和测控等功能的基础[4]-[6]。
虽然智能变电站已经开始建设，但其内涵与覆盖范围不明确，导致了智能变电站设计的基本概念缺失，各专业设计想法差异性大，试点站方案不能统一等现象。因此，智能变电站目前仍处于探索和规划阶段，在很多方面尚无实际的技术实现和完善的规范标准。
本文基于对智能变电站及智能一次设备开放性平台的理解，设计和设计了一种通用的智能组件平台，并就方案进行GOOSE报文的实时性验证，证明方案的可行性。
1 智能一次设备框架
智能一次设备具有自动测量、自动控制、自动调节、自身状态监测、预警及通信功能的变电站高压电器设备。为便于智能一次设备的开发，设计一种通用的集成框架平台，如图1所示。
智能一次设备主要由电气部分和信息部分组成，电气部分包括一次设备本体及其操作机构、互感器及传感器，信息部分为智能组件及其内部所配置的智能单元。
其中，智能组件的网络接口连接了智能组件与站控层网络，用于智能一次设备相互间的通讯和与站控层主机的通讯；专项接口直接连接智能单元，用于特殊智能单元的快速信息通信。控制接口连接智能组件和一次设备本体操作机构，用于操作命令的发布；智能组件的互感器接口和状态接口连接了互感器和传感器，用于测量数据的采集获取。
2 智能组件的硬件设计
在设备集成框架中，智能组件是实现一次设备的就地智能化的关键环节，主要实现包括智能终端（IU）、合并单元（MU）、状态监测/保护测控（PU）等功能[7]-[9]。
MU功能的实现：主要实现模拟量的采集、同步和存储，并按设定的格式以IEC61850-9-2的格式通过SV网络接口发出。
IU功能的实现：主要用于开关量的采集和存储，根据配置通过GOOSE发送到GOOSE网；同时根据接收的GOOSE对一次设备进行控制。
PU功能的实现：主要实现对以一次设备的就地保护状态监测和保护测控功能。
在本设计中智能组件最大支持4个100M过程层以太网接口、2个100M间隔层以太网接口，过程层网络接口主要支持SV报文、GOOSE报文和IEC61588报文，支持各种网络数据独立组网也可以实现三网合一应用，采用多模光纤通信方式；间隔层网络主要支持MMS报文、GOOSE报文、SNTP报文等，采用超五类屏蔽电缆或多模光纤通信方式。
当装置仅具有过程层接口时，其ICD文件通过工具软件生成，设备本身不支持在线读取ICD文件的能力，对装置配置CID的过程也通过工具实现；当装置同时具有间隔层网络接口时，支持在线读取ICD文件及在线读取数据结构，同时支持直接修改CID文件实现对设备接口的修改。
装置的间隔层接口支持DL/T860.81的MMS映射及GOOSE通讯模型。
智能组件构成平面图如图3所示。其中MPU采用Freescale公司推出的基于PowerPC构架的新一代高性能通信处理器MPC8377。
3 智能组件的软件平台设计
软件开发基于复旦大学嵌入式实验室研发的FDCX08实时多任务操作系统。FDCX08操作系统支持多至8个任务同时运行，采用优先级任务调度方法，支持抢先调度。支持任务间通信，具有邮局通信和信号量控制功能。支持Local bus总线和PCI总线通信，具有定时时钟功能，可为各个任务提供定时和超时计数服务。支持MPC8377的各种中断，为各个任务提供中断处理服务。操作系统的要求比较简单，该操作系统最大程度的减少系统的开销，将任务调度和系统调用的时间缩至最小。
FDCX08的体系结构如图4所示[10]。
系统任务为最低优先级，主要完成系统检验任务；输入任务包括数据采集以及远方GOOSE命令任务，每个控制任务代表一个控制通道，输出任务是对不同输入任务的响应。图5给出智能组件的软件结构。4 智能组件的实时性测试
图6给出智能组件的实时性测试系统。继电保护测试仪采用ONLLY-F66D，它能够实现保护的完整闭环测试；网络流量软件模拟GOOSE报文传输时过程总线的其它流量信息。
为了验证GOOSE报文的实时性，使用网络流量软件向交换机加载不同网络流量：0%、10%、50%和80%。以距离保护（PDIS）为例进行实验验证。表1给出相应的实验结果。由表1可以看出，GOOSE跳闸延时小于1ms，满足IEC61850标准对GOOSE报文的实时性要求。可见，本文设计的通用智能组件平台是能够满足IEC61850通信实时性的要求。
5 结论
本文以智能一次设备作为对象，设计了实现智能化和网络化智能一次设备的通用智能组件平台。为平台设计了硬件电路框架和软件操作系统平台。
最后对该平台样品电路进行了GOOSE保护跳闸延时验证，结果证明满足IEC61850实时性的要求。為智能组件的开发和设计提供借鉴。
参考文献：
[1]黄灿，肖驰夫，方毅，等.智能变电站中采样值传输延时的处理[J].电网技术，2011，35（1）：5-10.
[2]Q/GDW 383—2009，智能变电站技术导则[S].
[3]刘有为，邓彦国，吴立远.高压设备智能化方案及技术特征[J].电网技术，2010，34（7）：1-4.
[4]IEEE 1588 2008 IEEE Standard for a precision clock synchronization protocol f or networked measurement and control system，2008.
[5]刘慧源，郝后堂，李延新，等.数字化变电站同步方案分析[J].电力系统自动化，2009，33（3）：55-58.
作者单位：寿建平 / 浙江省电力公司培训中心，杭州 310015
贾武轩 / 东北电力大学 电气工程学院，吉林吉林 132012
柯定芳 / 浙江省电力公司培训中心，杭州 310015
黄鑫 / 大连供电公司金州供电分公司，辽宁大连 116101
王义军 / 东北电力大学 电气工程学院，吉林吉林 132012