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

智能故障信息系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)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(duì)故障信息系統(tǒng)子站(以下簡(jiǎn)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(tái)，該硬件平臺(tái)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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(wú)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(cè)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(kāi)發(fā)的裝置。這兩類裝置都無(wú)法完全滿足智能電網(wǎng)對(duì)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(kāi)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(méi)有遵循相同的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，限制了各個(gè)廠家裝置之間的通用性，裝置無(wú)法做到插件級(jí)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(guò)程中用戶必須熟悉不同廠家不同型號(hào)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(kāi)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(gòu)硬件，不僅采購(gòu)成本高，而且無(wú)法選購(gòu)非行業(yè)廠家生產(chǎn)的先進(jìn)技術(shù)設(shè)備，硬件升級(jí)緩慢，不能適應(yīng)智能電網(wǎng)時(shí)代對(duì)大數(shù)據(jù)量、高可靠等不斷增長(zhǎng)的需要。

4)在電力技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中，新老裝置并存的局面將長(zhǎng)期存在，對(duì)硬件的性能改進(jìn)和新功能開(kāi)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(jí)過(guò)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(guó)際工業(yè)計(jì)算機(jī)制造者聯(lián)合會(huì)(PCI Industrial Computer Manufacturer’s Group，PICMG)于1994提出來(lái)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(shì)：

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(dòng)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(guò)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(dòng)場(chǎng)合，也能保證持久連接而不會(huì)接觸不良。安裝、更換CPCI板卡非常簡(jiǎn)單。此外，CPCI系統(tǒng)引腳長(zhǎng)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。