一种支持三网合一网络的数字式继电保护装置

摘要

本发明公开了一种支持三网合一网络的数字式继电保护装置，包括支持与三网合一网络接口的多路以太网接口模块；支持SV采样值、GOOSE、站控层及PTP报文帧收发的以太网帧预处理IP核模块；自适应多路采样值数据同步模块；以及完成继电保护装置保护、测控、计量、联闭锁功能的数据接收和处理模块，实现智能变电站继电保护及自动化功能。本发明可用于智能变电站内，实现基于采样值组网或者三网合一共网传输的站内数据的收发处理和电网故障的快速保护，为目前智能变电站基于统一网络构架下继电保护设备的功能实现提供了一种解决方案，可简化继电保护设备的接口并降低其数据处理能力要求，提高继电保护设备运行的稳定性和可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种支持三网合一网络的数字式继电保护装置，属于电力系统智能变电站技术领域。

背景技术

根据IEC 61850变电站通信网络和系统标准的描述和要求，智能变电站综合自动化系统的设备根据其功能按过程层、间隔层、站控层三层分层布置。从长远看，变电站网络结构将分三个阶段逐步改进，即点对点模式、过程层总线模式、站级总线即“三网合一”方式。

在智能变电站网络中，保护测控装置等继电保护设备需要对接入装置的跨间隔设备的电压电流实现同步采集和处理，如主变保护、母线保护、故障录播装置均需要各个输入的采样数据同步，其对于一次设备故障的识别和处理以及信息的准确记录也显得尤为重要。由于受到采样值组网同步技术成熟度和稳定度的限制，目前的工程应用中，多采用站控层MMS网络、SV采样值网络、GOOSE网络分层独立配置的方案，采样值传输多采用点对点直采的方式，GOOSE多采用点对点直跳和网络跳闸控制并存的方案；其中，基于全局同步采样值组网传输的过程层总线方案以及“三网合一”方案有少量试点应用，尚未大量工程化应用。

当采样值组网传输时，继电保护设备会将各自的报文都发送到网络交换机上；由于单路采样值数据报文流量一般大于3Mb/s，在电压电流采样间隔较多即采样值输出设备间隔较多时，在网络交换机单个端口上的瞬时数据流量巨大，单个交换机端口上的流量可能大于50Mb/s。现有的保护测控装置以及故障录播装置等继电保护设备，需要同时接收处理大流量的以太网报文数据，以典型三卷变间隔为例，当设备接入的采样值间隔为8个时，单个以太网接口上的流量就将达到25Mb/s。如采样值报文不经处理，直接送由主CPU处理，那么不仅主CPU传输带宽不够，主CPU的数据处理能力也无法满足如此大流量报文处理的要求，这将大大影响继电保护装置的性能和工作的稳定性。

同时，现有的以站控层网络、采样值网络、GOOSE网络分别组网的智能变电站工程应用方式，需要继电保护设备的数量和外部接口数量众多，接口多样且无法标准化，系统的网络结构及光纤链路配置复杂，资源共享不易，设备研制和工程实施成本也较高。这些不足之处，都制约了智能变电站技术的发展，未充分发挥出IEC 61850标准的技术优势，无法满足未来变电站技术发展的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种支持三网合一网络的数字式继电保护装置，以满足智能变电站基于采样值组网和“三网合一”网络条件下二次设备继电保护和自动化功能实现的需要。

为实现上述发明目的，本发明是采取以下的技术方案实现:

一种支持三网合一网络的数字式继电保护装置，包括：

多路以太网接口模块：包含多个以太网硬件接口，接入由智能终端设备、合并单元设备、继电保护设备组成的三网合一交换机网络中，获取网络上传输的各类报文数据；

以太网帧预处理IP核模块：在FPGA内编程实现，支持SV采样值报文、GOOSE报文、站控层MMS报文及PTP报文的按帧类型的分类接收预处理和缓存，同时支持GOOSE报文、站控层MMS报文及PTP报文的缓存和发送；

自适应多路采样值数据同步模块:实现多路跨间隔采样值数据经过网络传输后的数据同步和数据窗插值计算；

数据接收和处理模块：接收GOOSE数据缓冲区、站控层MMS数据缓冲区、PTP数据缓冲区以及SV采样值缓冲区来的GOOSE报文、MMS报文、PTP报文、SV采样值报文缓存数据，实现继电保护装置的保护、测控、计量、联闭锁功能，标准通讯响应的处理和响应，实现智能变电站的继电保护及信息自动化；同时，由主DSP负责编码，将相关GOOSE报文、站控层MMS报文及PTP报文按照各自报文帧数据的优先级和顺序要求发送出去。

前述的三网合一交换机网络中包含SV采样值报文，GOOSE报文，站控层MMS报文，PTP报文以及以太网普通报文；各合并单元设备按自有节拍发送SV采样值报文,智能终端设备按照标准要求发送和接收相应的GOOSE报文，同时继电保护设备不仅接收SV采样值报文，与智能终端设备进行快速GOOSE通讯，也与站内通讯管理机和后台间以MMS报文进行通讯，实现站内自动化。

前述的多个以太网硬件接口功能等同，每个以太网硬件接口均具备按配置接收三网合一网络中各类报文帧数据的能力。

前述的多个以太网硬件接口能同时接入同一三网合一网络中，实现单装置的分类数据分别接入；或者接入不同的三网合一网络中，组成冗余网络，以适应现场三网合一、分立组网、直采直跳各类组网工程应用的需要。

前述的以太网帧预处理IP核模块，能根据采样值帧对应的主时钟设备配置自动扩展多个PTP从钟接口，各从钟一一对应，固定跟踪某个采样值输出设备内的主钟，无需参与标准的最佳时钟选择逻辑，从钟间无时序配合的对应要求，相互独立。

前述的自适应多路采样值数据同步模块通过设置的独立采样脉冲，获得设备内每个PTP从钟在独立采样脉冲到来时刻的相对时间，利用各从钟之间的时间差以及额定采样延迟，获取各采样值发送设备间采样数据间的相对关系,采用自适应回溯插值算法计算出同一时刻的采样数据，实现多路经网络传输的跨间隔采样值数据在一个采样值接收设备内的同步和插值计算。

前述的三网合一交换机网络进行报文处理的步骤如下：

（1）：将多路以太网接口模块接收到的以太网报文，由以太网物理接口输出到FPGA数据接口内；

（2）：由FPGA模拟的以太网介质访问控制MAC接口将接收的报文数据转换成为8位并行数据输出，按照SV采样值报文、GOOSE报文、站控层MMS报文及PTP报文类型进行以太网帧类型判别；

（3）：对于GOOSE报文、站控层MMS报文以及PTP报文三种数据帧，设置3个数据缓冲区，分别为GOOSE数据缓冲区、站控层MMS数据缓冲区以及PTP数据缓冲区，当接收到此三类报文时，报文数据直接存放在各自的数据缓冲区中；

（4）：对于SV采样值报文，采用硬件采样值解码的方法，在FPGA内编程实现，根据采样值接收配置经过多播地址判别、ASN.1解码、svID采样值标识判别、采样通道序号匹配和帧数据完整性判别流程，直接从SV采样值报文中抽取出需要的数据，然后存放在SV采样值缓冲区中供主DSP读取；

（5）：如果满足SV采样值帧多播地址无匹配项、svID采样值标识数据不匹配、SV采样值帧数据的完整性不符合IEC 61850-9-2规约标准的数据结构和内容，三个条件中的任一条件，表明设备不需要该帧数据信息或者帧数据错误，则立即丢弃该SV采样值报文，转到步骤（1），进行新到数据帧的预处理；

（6）：当有数据需要发送到以太网上时，由主DSP负责编码数据帧，并将支持的GOOSE报文、站控层MMS报文及PTP报文按帧类型写入发送缓冲区，然后按照各自报文帧数据的优先级和顺序要求发送。

前述的步骤（2）中，对于帧类型判别产生的时间延迟，采用延迟流水线，进行补偿。

本发明的有益效果是：本发明可用于智能变电站内，实现基于采样值组网和“三网合一”网络条件下二次设备IEC61850标准以及变电站综自系统的功能实现，为目前智能变电站基于共网网络构架下继电保护设备的实现提供了一种便捷有效的解决方案。

附图说明

图1为支持三网合一网络的数字式继电保护装置实现框图；

图2是基于以太网网络的以太网报文处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的支持三网合一网络的数字式继电保护装置，包括：

多路以太网接口模块：包含多个以太网硬件接口，接入由智能终端设备、合并单元设备、继电保护设备组成的三网合一交换机网络中，获取网络上传输的各类报文数据。该网络上包含SV采样值报文，GOOSE报文，站控层MMS报文，PTP报文以及其他普通以太网报文。三网合一交换机网络中，各合并单元设备按自有节拍发送SV采样值报文,智能终端设备按照标准要求发送和接收相应的GOOSE报文，同时继电保护设备不仅接收SV采样值报文，与智能终端设备进行快速GOOSE通讯，也与站内通讯管理机和后台间以MMS报文进行通讯，实现站内自动化功能。

装置中的多个以太网硬件接口功能等同，每个以太网硬件接口具备按配置接收三网合一网络中各类报文帧数据的能力。接口能同时接入同一“三网合一”网络中，实现单装置的分类数据分别接入；或者接入不同的“三网合一”网络中，组成冗余网络，以适应现场三网合一、分立组网、直采直跳各类组网工程应用的需要。

以太网帧预处理IP核模块，在FPGA内编程实现，支持SV采样值、GOOSE报文、站控层MMS报文及PTP报文帧的按帧类型的分类接收预处理和缓存，同时支持GOOSE报文、站控层报文及PTP报文帧的缓存和发送。以太网网络的以太网报文处理流程如图2所示，

步骤一：将多路以太网接口模块接收到的以太网报文，由以太网物理接口输出到FPGA数据接口内。

步骤二：由FPGA模拟的以太网介质访问控制MAC接口将接收的报文数据转换成为8位并行数据输出，按照SV采样值、GOOSE报文、站控层报文及PTP报文类型进行以太网帧类型判别。对于帧类型判别产生的时间延迟，采用延迟流水线，进行补偿。

步骤三：对于GOOSE数据帧、普通的站控层帧、以及PTP帧三种数据帧，数据流量小（一般小于100k字节/s）且数据响应实时性要求较低，则设置3个数据包缓冲区，分别为GOOSE数据缓冲区、站控层数据缓冲区、以及PTP数据缓冲区，当接收到此三类数据包时，报文数据直接存放在各自的数据包缓冲区中。

步骤四：对于SV采样值帧，数据流量较大（（一般2~3M字节/s））且数据响应实时性要求高（250微秒/帧），则采用硬件采样值解码的方法，在FPGA内编程实现，根据采样值接收配置经过多播地址判别、ASN.1解码、svID采样值标识判别、采样通道序号匹配和帧数据完整性判别流程，直接从SV采样值帧中抽取出需要的数据。SV采样值帧的数据不直接缓存，而是经解码后，直接抽取需要的采样通道数据，然后存放在SV采样值缓冲区中供主DSP读取。

步骤五：如果满足SV采样值帧多播地址无匹配项、svID采样值标识数据不匹配、SV采样值帧数据的完整性不符合IEC 61850-9-2规约标准的数据结构和内容，三个条件中的任一条件，表明设备不需要该帧数据信息或者帧数据错误，则立即丢弃该SV采样值帧，转到步骤一，进行新到数据帧的预处理。

步骤六：当有数据需要发送到以太网上时，由主DSP负责编码数据帧，并将支持的GOOSE报文、站控层MMS报文及PTP报文按帧类型写入发送缓冲区，然后按照各自报文帧数据的优先级和顺序要求发送。

上述以太网网络可以为采样值组网传输网络或者站控层、GOOSE、SV采样值共网的“三网合一”网络。

另外，以太网帧预处理IP核模块，能根据采样值帧对应的主时钟设备配置自动扩展多个PTP从钟接口，各从钟一一对应，固定跟踪某个采样值输出设备内的主钟，无需参与标准的最佳时钟选择逻辑，从钟间无时序配合的对应要求，相互独立。

自适应多路采样值数据同步模块:实现多路跨间隔采样值数据，经过网络传输后的跨间隔采样值数据同步和数据窗插值计算。实现方法如下：

自适应多路采样值数据同步模块，通过设置的独立采样脉冲，获得设备内每个PTP从钟在独立采样脉冲到来时刻的相对时间，利用各从钟之间的时间差以及额定采样延迟，获取各采样值发送设备间采样数据间的相对关系,采用自适应回溯插值算法计算出同一时刻的采样数据，实现多路经网络传输的跨间隔采样值数据在一个采样值接收设备内的同步和插值计算。

数据接收和处理模块，接收GOOSE数据缓冲区、站控层数据缓冲区、PTP数据缓冲区、以及SV采样值缓冲区来的GOOSE报文、MMS报文、PTP报文、SV采样值报文等报文缓存数据，综合其他设备运行数据，实现继电保护装置的保护、测控、计量、联闭锁功能，标准通讯响应的处理和响应，实现智能变电站的继电保护及信息自动化功能。同时，由主DSP负责编码，将相关GOOSE报文、站控层MMS报文及PTP报文按照各自报文帧数据的优先级和顺序要求发送出去。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。