就地模块的设计及工程应用
随着智能变电站的发展，人们对设备的环境适应能力和运维便捷性要求越来越高，装置的小型化免维护逐渐成为趋势。南京南瑞继保电气有限公司的研究人员刘鹏、刘东超、熊慕文，在2020年第9期《电气技术》杂志上撰文，提出一种小型化免配置的自动化就地模块，实现变电站一次主设备信息（模拟量、开关量）数字量转换和传输，将其安装在一次设备机构箱或就地设备舱。作者详细介绍了就地模块的硬件和软件设计方案，阐明了就地模块具有高防护、小型化、免配置、高可靠、低功耗的显著特点。测试结果和工程实施说明，就地模块具有良好的应用和推广价值。
自采用常规互感器+合并单元采样模式的智能变电站被大规模推广以来，在其长期运行中暴露了不少问题和不足：①使用合并单元增加了采样环节，使保护逻辑变复杂，出口动作时间变长；②电缆由光纤代替，信号变成在光纤中传输的、虚拟的数字量，新站调试和扩建间隔需要专门的工具集成变电站配置描述（substation configuration discription, SCD）文件，操作不方便，对运维人员的要求较高；③智能变电站设备缺陷率高等，不利于智能变电站安全稳定运行。针对现存智能变电站普遍存在的不足，对保护装置已进行了小型化、就地化的探索和实践：①就地安装，以减少中间环节；②即插即用，以提高检修效率。本文介绍了一种适用于自动化系统、借鉴了就地化保护部分经验的小型化过程层设备——就地模块。就地模块实现变电站一次主设备信息（模拟量、开关量）数字量转换和传输，被安装在一次设备机构箱或就地设备舱。它分为模拟量就地模块、开关量就地模块，其主要功能见表1。其处理器采用高性能、高度集成的SoC（system on chip）芯片，装置面板数码管关联就地模块采样值（sampled value, SV）/面向通用对象的变电站事件（generic object oriented substation event, GOOSE），发送报文的多路存取计算机（multi-access computer, MAC）地址及应用程序标识。就地模块结构紧凑，插拔式散热结构，散热能力强，具有高防护、小型化、免配置、高可靠、低功耗的显著特点。
为了实现小型化，就地模块选用小尺寸机箱，插拔式散热结构，散热能力强，能满足户外70℃运行环境，且结构紧凑，通用性强。采用正面无螺钉设计方案和一体化贴膜开关，提高了产品防护能力，满足IP54级防护要求。就地模块机箱示意图如图1所示。
就地模块选用高度集成的SoC芯片为核心，该芯片内含现场可编程逻辑门阵列（field-programmable gate array, FPGA），还需要外挂其他外设：扩展内存和F1ash来存储程序、数据；电以太网口用于装置调试使用；AD芯片用于模拟量采集；光纤以太网口用于GOOSE/SV/IEEE1588对时、通信，三网共口；I2C总线接口用于运行/告警指示灯和面板数码管的驱动等，如图2所示。
采样数据和CPU之间不必经过背板总线，避免了背板总线受干扰造成数据畸变或者丢失，大大提高了装置可靠性。光纤收发口采用IO直驱模式，无PHY芯片的设计思路，减少芯片，节省硬件资源。通信协商采用自协商机制，光模块Los信号接到FPGA检测有无光，配合自协商用。光纤通信设计方案如图3所示。
电源和模拟量输入（AI）或者开出集成在一块板卡，以节省空间。开入/开出采用IO直驱的方式由CPU直接采集，减少中间环节，这有别于以往采用IO智能插件采集，通过背板总线发送到CPU处理。模拟量就地模块采集电压互感器/电流互感器二次输出值，采样同步后按照IEC 61850-9-2协议发送，主要由抗混叠模拟滤波器、数字滤波器、数据插值、码值转换和同步组成。
根据那奎斯特采样定理，采样频率应大于2倍采样信号的最大频率，否则会产生频谱混叠。为了增加适用性，将AD采样频率设置为16kHz，前端模拟滤波器的截止频率应小于8kHz，16kHz采样数据经过不同的数字滤波器及插值后，可输出不同采样频率的数据。同样，根据采样定理，数字滤波器的设计应遵循以下原则：1）如果要输出4kHz采样数据，那么对应的数字滤波器加上前置模拟滤波器的截止频率应不大于2kHz；2）如果要输出12.8kHz采样数据，那么对应的数字滤波器加上前置模拟滤波器的截止频率应不大于6.4kHz。开关量就地模块采集开入量，接收GOOSE输入转换为硬接点开出，其数据流程如图5所示。
就地模块面板有数码显示管和按键，可以通过“+”、“”、“确认”和“取消”按键组合设置模块的地址码。SV和GOOSE发送报文的MAC地址后三位关联就地模块数码管三位地址。对于GOOSE报文，发送的应用程序标识与地址码一致；对于SV报文，发送的应用程序标识为0x4000+地址码。模拟量就地模块主要测试模拟量和同步精度，其测试系统如图6所示。
交流精度测试结果见表2。由表2可知，该结果优于Q/GDW 11015—2013《模拟量输入式合并单元检测规范》中测量电压、测量电流0.2级的精度要求。
开关量就地模块主要测试开入/开出响应时间，其测试系统如图7所示。
IO测试结果见表3。由于减少了中间传输时间，所以IO响应时间比智能终端快一些。
智能变电站引入合并单元、智能终端使过程层和间隔层之间传输的信号数字化，但同时增加了中间通信环节和信号处理时间，导致整体动作延时增加，影响了保护速动性和可靠性。就地模块专用于自动化设备，保护使用就地化保护装置或者传统的常规采样/常规跳闸保护装置。应用就地模块双母线智能变电站过程层的典型配置如图8所示。
在对就地模块免配置具体应用时，有一些工程化措施；当现场装置出现故障可整体更换装置时，仅通过设置装置面板数码管即可完成配置，显著减少了现场维护工作。每个就地模块仅能提供有限的开入和开出接点，一个间隔的IO需求往往大于一个开关量就地模块所能提供的资源。测控装置对下的GOOSE数据集只有一个，对应多个不同地址的开关量就地模块。为了实现就地模块GOOSE接收免配置，需要间隔层测控装置按照固定的格式（数据集虚端子个数固定，虚端子顺序依照现场要求）发布GOOSE报文，就地模块的GOOSE输入虚端子通过规则与开关量就地模块关联：开关量接收GOOSE报文的MAC和应用程序标识后两位关联数码管地址的十位和百位，数码管个位数用于选择订阅GOOSE数据输入的段。在实施工程时，同一间隔的开关量就地模块数码管十位和百位设置应一致，通过个位数来区分不同的GOOSE输入虚端子段，其接收对应关系如图9所示。就地模块发送的SV报文遵循IEC 61850-9-2协议，协议规定，发送的电流数值以1mA为单位，发送的电压数值以10mV为单位的有名值。通常情况下需要根据现场一次设备TA/TV实际变比进行设置，如果要达到免配置的效果，TA/TV可采用默认变比，将TA变比固定设置为1000A 1A或者1000A 5A，将TV变比固定设置为110kV 100V，由后端设备按照实际情况进行转换。
就地模块采用全新的硬件设计，装置功能和性能指标均满足变电站间隔层自动化设备对过程层设备的要求，具有高防护、小型化、免配置、高可靠、低功耗的显著特点，弥补了现有智能变电站存在的一些不足。就地模块在第三方测试机构检测合格，并在湖南某110kV智慧变电站投入运行，无不良反馈，可见，其具备良好的应用和推广价值。就地模块是全新的硬件平台，可以在其上开发其他功能的装置，故对其他装置的开发也有借鉴意义。
