如何基于CPCI總線進(jìn)行設(shè)計(jì)智能電網(wǎng)對故障信息系統(tǒng)？

智能故障信息系統(tǒng)(以下簡稱系統(tǒng))負(fù)責(zé)在電網(wǎng)故障時(shí)故障信息的采集和分析工作,為運(yùn)行調(diào)度人員提供準(zhǔn)確的故障診斷,以利于故障的快速處理,減少故障造成的損失。如圖1所示,系統(tǒng)可分為主站、分站和子站的三層結(jié)構(gòu)。其中子站安裝在變電站內(nèi),負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理任務(wù)。

在分析了智能電網(wǎng)對故障信息系統(tǒng)子站(以下簡稱子站)裝置新需求的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于CPCI總線的嵌入式裝置作為子站的硬件平臺，該硬件平臺具有易擴(kuò)展、功能強(qiáng)、兼容性好等特點(diǎn)，能滿足新一代子站對硬件的要求。

1 子站硬件的現(xiàn)狀及要求

智能電網(wǎng)的提出對子站提出了更高的要求。智能電網(wǎng)的目標(biāo)是依靠先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，通過發(fā)輸配用各個(gè)環(huán)節(jié)將電力精確輸送給用戶，提高能源的利用效率和能源供應(yīng)的安全水平。智能電網(wǎng)要求調(diào)度系統(tǒng)對故障具有快速響應(yīng)能力，在短時(shí)間內(nèi)得到故障的詳細(xì)情況，制定相應(yīng)的控制決策，正因如此，傳統(tǒng)的人工處理方式無法滿足智能電網(wǎng)的需求。

智能電網(wǎng)技術(shù)提高了變電站的觀測能力，子站在故障發(fā)生時(shí)需要處理的數(shù)據(jù)量顯著提升，同時(shí)智能電網(wǎng)的漸進(jìn)實(shí)施使得子站硬件必須能夠兼容傳統(tǒng)裝置的接入，這就需要采用功能強(qiáng)大又可靈活組態(tài)的子站硬件以完成變電站層的故障信息采集和智能預(yù)處理任務(wù)。

數(shù)字化變電站是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，其遵循的新一代通信標(biāo)準(zhǔn)IEC61850指出變電站內(nèi)的裝置應(yīng)滿足互操作性，并最終實(shí)現(xiàn)不同廠家裝置具備互換性。目前變電站內(nèi)的硬件裝置分為兩大類：一類是工控機(jī)(IPC)，另一類是各廠家自行開發(fā)的裝置。這兩類裝置都無法完全滿足智能電網(wǎng)對子站硬件的要求，這體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)工控機(jī)存在著功耗大、擴(kuò)展困難、旋轉(zhuǎn)配件易損耗等缺點(diǎn)。而各廠家自行開發(fā)的裝置雖然多數(shù)采用了總線技術(shù)并以插件形式使裝置具備了一定的擴(kuò)展性，但廠家自定義的背板總線和插件沒有遵循相同的國際標(biāo)準(zhǔn)，限制了各個(gè)廠家裝置之間的通用性，裝置無法做到插件級互換。

2)變電站內(nèi)不同的硬件造成了變電站工程實(shí)施的復(fù)雜性。由于硬件原理和操作方法差別大，在變電站施工以及維護(hù)過程中用戶必須熟悉不同廠家不同型號裝置的硬件配置方法和性能指標(biāo)，這增加了施工難度，提高了出錯(cuò)概率，降低了可靠性。

3)變電站內(nèi)廠家自開發(fā)裝置軟件和硬件關(guān)聯(lián)

程度高，造成軟件硬件分離困難。用戶只能從少數(shù)幾個(gè)行業(yè)廠家采購硬件，不僅采購成本高，而且無法選購非行業(yè)廠家生產(chǎn)的先進(jìn)技術(shù)設(shè)備，硬件升級緩慢，不能適應(yīng)智能電網(wǎng)時(shí)代對大數(shù)據(jù)量、高可靠等不斷增長的需要。

4)在電力技術(shù)發(fā)展的過程中，新老裝置并存的局面將長期存在，對硬件的性能改進(jìn)和新功能開發(fā)也將持續(xù)進(jìn)行。由于工控機(jī)和廠家自定義裝置硬件接口固定，擴(kuò)展能力較差，因此在升級過程中經(jīng)常整體更換，這增加了用戶成本而且容易造成裝置工作不穩(wěn)定。

2 CPCI技術(shù)介紹

Compact PCI(Compact Peripheral ComponentInterconnect，CPCI)，是PCI國際工業(yè)計(jì)算機(jī)制造者聯(lián)合會(PCI Industrial Computer Manufacturer’s Group，PICMG)于1994提出來的一種總線接口標(biāo)準(zhǔn)，是以PCI電氣規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)的高性能工業(yè)用總線。一個(gè)CPCI系統(tǒng)由一個(gè)或多個(gè)CPCI總線段組成。每個(gè)總線段又由8個(gè)CPCI插槽組成(33 MHz情況)，每個(gè)CPCI總線段包括一個(gè)系統(tǒng)槽和最多7個(gè)外圍設(shè)備槽。圖2給出了一個(gè)33 MHz的CPCI總線段結(jié)構(gòu)圖。

圖2 一個(gè)CPCI總線段結(jié)構(gòu)圖

與IPC相比，CPCI系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢：

1)CPCI系統(tǒng)采用歐洲卡結(jié)構(gòu)，具有較好的散熱性能和抗振動沖擊能力。CPCI板卡上的ESD(Electro.Static Discharge)靜電導(dǎo)出條可以滿足電磁兼容性要求。同時(shí)CPCI總線標(biāo)準(zhǔn)定義的冗余設(shè)計(jì)、故障切換和故障管理等內(nèi)容，非常符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、高可靠性要求，和IEC61850的模塊化概念吻合。

2)CPCI系統(tǒng)以針孔連接器代替金手指，CPCI卡通過連接器固定在背板上，頂端和底部均有導(dǎo)軌支持，即使在劇烈的沖擊和震動場合，也能保證持久連接而不會接觸不良。安裝、更換CPCI板卡非常簡單。此外，CPCI系統(tǒng)引腳長短針交錯(cuò)以支持熱插拔功能。

3)CPCI系統(tǒng)具有足夠的帶寬，如PICMG 2.x版本在64位/66 M總線接口下能提供每秒高達(dá)512 MB的帶寬，而PICMG 3.0版本總線速度可達(dá)每秒2 Tb以上。