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馬林可
研祥智能科技股份有限公司
通訊管理機作為變電站自動化系統的局部數據集中轉發設備，有著非常重要的地位。本文介紹了變電站由綜合自動化向數字化轉換的過程中，IEC-61850變電站自動化通信網絡標準對通訊管理機的新要求，以及研祥的產品所提供的解決方案。
關鍵詞：IEC-61850，數字化變電站，通訊管理機，模塊化
1、數字化變電站簡述
傳統的變電站自動化系統存在著動態測量范圍局限大，邏輯層信息模型無法統一，二次設備互操作性不強等諸多問題，這些問題限制了變電站自動化的進一步發展。為此，我國于05~06年左右開始正式進行數字化變電站科研試運行；到08年底，全國數字化變電站運行個數已不下100個；按照電力系統的一般規律，經過4~5年的運行觀察，在2010年左右將自上而下全面開始取代目前綜合自動化變電站系統。
數字化變電站就是將信息采集、傳輸、處理、輸出過程完全數字化的變電站。全站采用統一的通訊規約IEC61850構建通信網絡，保護、測控、計量、監控、遠動、VQC等系統均用同一網絡接收電流、電壓和狀態信息，各個系統實現信息共享。
常規綜自站的一次設備采集模擬量，通過電纜將模擬信號傳輸到測控保護裝置，裝置進行模數轉換后處理數據，然后通過網線上將數字量傳到后臺監控系統。同時監控系統和測控保護裝置對一次設備的控制通過電纜傳輸模擬信號實現其功能。
數字化變電站一次設備采集信息后，就地轉換為數字量，通過光纜上傳測控保護裝置，然后傳到后臺監控系統，而監控系統和測控保護裝置對一次設備的控制也是通過光纜傳輸數字信號實現其功能。常規綜自站與數字化變電站對比如圖所示。
2、通訊管理機
IEC-61850提出了變電站過程層、間隔層、站控層的三層結構模型。
數字化變電站采用低功率、數字化的光電互感器代替常規互感器，將高電壓、大電流直接變換為數字信號。變電站內設備之間通過高速網絡進行信息交互，二次設備不再出現功能重復的I/O 接口，常規的功能裝置變成了邏輯的功能模塊，即通過采用標準以太網技術真正實現了數據及資源共享。組網技術、網絡冗余技術、數據流建模、網絡性能、可靠性分析、變電站過程層新型同步方法、變電站信息安全等成為構建整個系統信號通路的關鍵技術。
通訊管理機作為數據集中轉發節點，影響著整個系統的穩定性與實時性，作用非常重要。在常規綜自站中，各類測控、保護設備多為RS-2332/422/485接口，通訊管理機通過串口收集數據，進行規約轉換后通過以太網上傳至控制層，所以對通訊管理機的要求是多串口。
數字變電站的特征之一就是通過以太網實現數據共享，所以多網口成為通訊管理機新的要求。同時，多個節點的數據信號可以在同一條線纜中傳輸，大大節省了設備空間、布線成本。
3、設備要求
對于通訊管理機，IEC-61850有著嚴格的規定：
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性能方面：要求支持快速存儲轉發方式和QoS服務質量，以保證網絡中重要的GOOSE數據包得到實時傳輸；
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電磁兼容方面：必須通過靜電放電抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、浪涌抗擾度等電磁干擾實驗和電擊、雷擊等測試。
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環境溫度方面：必須滿足（-40℃～85℃）寬范圍的工作溫度，存儲溫度也要求滿足寬溫條件。
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機械結構方面：必須通過專門的強振動、大沖擊的承受度測試；滿足特定的防塵、防潮；具備良好的散熱條件。
4、研祥解決方案
SPC-0209是一款研祥推出的面向電力行業數字化變電站應用的多網口的低功耗無風扇原裝整機，符合了電力行業高EMC防護等級的需求，整體模塊化設計，滿足了電力行業系統通訊層通訊管理機硬件平臺的各方面的需求。
4．1 性能
SPC-0209采用Intel較新的PINEVIEW-D處理器--D510，雙核1.66G主頻，同時支持“超線程”可同時運行4個線程，為整機帶來強勁的數據處理能力。搭配ICH8M南橋芯片，整機功耗小于60W，滿足了產品高性能低功耗的要求。
4．2 結構
介于電力市場普遍存在的對金手指接插件穩定性存在疑慮的問題，SPC-0209借鑒了cPCI的設計理念，開發出3U外插式機箱，各擴展模塊采用歐式插針的模式與母板連接，不但穩定性更高，而且便于維護和更換功能模塊。
長期穩定運行的要求推動工業計算機朝著無風扇的方向發展，SPC-0209整機功耗小于60W，采用機殼散熱，不但具備更寬泛的工作溫度，而且密閉的機箱設計可以適應于多塵的的惡劣工作環境。
4．3 I/O接口
按照IEC-61850的規定，較好的信號傳輸模式是光纖傳輸，不但擁有高帶寬，而且不會受到傳輸過程中的干擾。但從目前來說，讓所有生產二次設備的公司的所有設備都同時具備光纖接口是不現實的。每個公司的研發生產能力不同，系統結構也有所區別，所以在短期內數字式變電站內必定是串口、網口、光口多種形式并存。
SPC-0209把所有的I/O口以接口模塊的方式實現，采用歐式插座的模式與母板相連，這樣工程公司可以根據不同的項目設備來選擇響應的接口模塊，增加了整個系統的靈活性。
SPC-0209串口模塊（帶隔離高壓）
4．4整機參數
絕緣性能
- 絕緣電阻：裝置所有電路與外殼之間的絕緣電阻在標準試驗條件下，不小于100 MΩ。
- 介質強度：裝置的導電部分對外殼或外露的非導電金屬之間，以及電氣上無聯系的各帶電的導電電路之間，能耐受交流50 Hz，電壓2 kV（有效值），歷時1 min試驗，而無絕緣擊穿或閃絡現象。
- 沖擊電壓：裝置的導電部分對外殼或外露的非導電金屬之間，以及電氣上無聯系的各帶電的導電電路之間，在規定的試驗條件下，能耐受幅值為5 kV的沖擊電壓波形為標準雷電波的短時沖擊檢驗。
- 耐濕熱性能：能承受GB/T 7261-2000第20章規定的濕熱試驗。試驗溫度為＋40℃±2℃，相對濕度為（93±3）％，試驗持續時間為48h（每一周期為24h）。在試驗結束前2h內，測量各導電回路對外露非帶電導電部位及外殼之間，電氣上無聯系的各回路之間的絕緣電阻，其絕緣電阻不應小于1.5MΩ；介質強度不低于2.3規定的介質強度試驗電壓值的75％。
抗電磁干擾能力
- 輻射電磁場干擾試驗：能承受GB/T 14598.9-2002中第4章規定嚴酷等級的輻射電磁場騷擾；
- 快速瞬變干擾試驗：符合GB/T 14598.10-2007規定的嚴酷等級為A級的快速瞬變干擾。
- 脈沖群干擾試驗：符合GB/T 14598.13-1998規定的頻率為1 MHz及100 kHz衰減振蕩波（第一個半波為電壓幅值共模為2.5 kV，差模為1 kV）脈沖群干擾。
- 抗靜電放電干擾試驗：符合GB/T 14598.14-1998規定的嚴酷等級為Ⅲ級的抗靜電放電干擾。
- 抗靜電放電干擾試驗：符合GB/T 14598.19-2007規定的嚴酷等級為A級的工頻干擾。
- 浪涌抗擾度試驗：符合GB/T 17626.5-1999中規定的嚴酷等級為Ⅳ級的浪涌騷擾。
- 射頻場感應的傳導騷擾抗擾度試驗：符合GB/T 17626.6-1998規定的嚴酷等級為Ⅲ級的射頻場感應傳導騷擾
- 工頻磁場抗擾度試驗：符合GB/T 17626.8-2006規定的嚴酷等級為Ⅴ級的工頻磁場干擾。
- 脈沖磁場抗擾度試驗：符合GB/T 17626.9-1998規定的嚴酷等級為Ⅴ級的脈沖磁場干擾。
- 阻尼振蕩磁場抗擾度試驗：符合GB/T 17626.10-1998規定的嚴酷等級為Ⅴ級的阻尼振蕩磁場干擾。
機械性能
- 振動：裝置能承受GB/T 7261-2000 16.3規定的嚴酷等級為Ⅰ級的振動耐久能力試驗。
- 沖擊：裝置能承受GB/T 7261-2000 17.5規定的嚴酷等級為Ⅰ級的沖擊耐久能力試驗。
- 碰撞：裝置能承受GB/T 7261-2000 18章規定的嚴酷等級為Ⅰ級的碰撞能力試驗。
5、結束語
新型數字化變電站的信息交互網絡化的主要優點表現在：能根據實際需要靈活選擇網絡拓撲結構，易于利用冗余技術提高系統可靠性，網絡拓撲結構的改變不會影響變電站功能的實現。利用網線代替導線可大大減少變電站內二次回路的連接線數量，從而提高系統的可靠性。
SPC-0209是一個面向未來數字式變電站的電力行業專用產品，相對于目前市面常見的通訊管理機，它涵蓋面更廣，支持更多的通信模式，處理性能更加強大，并嚴格遵循IEC61850標準和數字化變電站的特殊要求，能夠為變電站、電廠等嚴酷工業應用環境提供理想的通信解決