如何基于CPCI總線(xiàn)進(jìn)行設計智能電網(wǎng)對故障信息系統？

智能故障信息系統(以下簡(jiǎn)稱(chēng)系統)負責在電網(wǎng)故障時(shí)故障信息的采集和分析工作,為運行調度人員提供準確的故障診斷,以利于故障的快速處理,減少故障造成的損失。如圖1所示,系統可分為主站、分站和子站的三層結構。其中子站安裝在變電站內,負責數據采集和預處理任務(wù)。

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

1 子站硬件的現狀及要求

智能電網(wǎng)的提出對子站提出了更高的要求。智能電網(wǎng)的目標是依靠先進(jìn)的計算機控制技術(shù)，通過(guò)發(fā)輸配用各個(gè)環(huán)節將電力精確輸送給用戶(hù)，提高能源的利用效率和能源供應的安全水平。智能電網(wǎng)要求調度系統對故障具有快速響應能力，在短時(shí)間內得到故障的詳細情況，制定相應的控制決策，正因如此，傳統的人工處理方式無(wú)法滿(mǎn)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(guān)測能力，子站在故障發(fā)生時(shí)需要處理的數據量顯著(zhù)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裝置的接入，這就需要采用功能強大又可靈活組態(tài)的子站硬件以完成變電站層的故障信息采集和智能預處理任務(wù)。

數字化變電站是實(shí)現智能電網(wǎng)的基礎，其遵循的新一代通信標準IEC61850指出變電站內的裝置應滿(mǎn)足互操作性，并最終實(shí)現不同廠(chǎng)家裝置具備互換性。目前變電站內的硬件裝置分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是工控機(IPC)，另一類(lèi)是各廠(chǎng)家自行開(kāi)發(fā)的裝置。這兩類(lèi)裝置都無(wú)法完全滿(mǎn)足智能電網(wǎng)對子站硬件的要求，這體現在以下幾個(gè)方面：

1)工控機存在著(zhù)功耗大、擴展困難、旋轉配件易損耗等缺點(diǎn)。而各廠(chǎng)家自行開(kāi)發(fā)的裝置雖然多數采用了總線(xiàn)技術(shù)并以插件形式使裝置具備了一定的擴展性，但廠(chǎng)家自定義的背板總線(xiàn)和插件沒(méi)有遵循相同的國際標準，限制了各個(gè)廠(chǎng)家裝置之間的通用性，裝置無(wú)法做到插件級互換。

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

3)變電站內廠(chǎng)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(hù)只能從少數幾個(gè)行業(yè)廠(chǎng)家采購硬件，不僅采購成本高，而且無(wú)法選購非行業(yè)廠(chǎng)家生產(chǎn)的先進(jìn)技術(shù)設備，硬件升級緩慢，不能適應智能電網(wǎng)時(shí)代對大數據量、高可靠等不斷增長(cháng)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(cháng)期存在，對硬件的性能改進(jìn)和新功能開(kāi)發(fā)也將持續進(jìn)行。由于工控機和廠(chǎng)家自定義裝置硬件接口固定，擴展能力較差，因此在升級過(guò)程中經(jīng)常整體更換，這增加了用戶(hù)成本而且容易造成裝置工作不穩定。

2 CPCI技術(shù)介紹

Compact PCI(Compact Peripheral ComponentInterconnect，CPCI)，是PCI國際工業(yè)計算機制造者聯(lián)合會(huì )(PCI Industrial Computer Manufacturer’s Group，PICMG)于1994提出來(lái)的一種總線(xiàn)接口標準，是以PCI電氣規范為標準的高性能工業(yè)用總線(xiàn)。一個(gè)CPCI系統由一個(gè)或多個(gè)CPCI總線(xiàn)段組成。每個(gè)總線(xiàn)段又由8個(gè)CPCI插槽組成(33 MHz情況)，每個(gè)CPCI總線(xiàn)段包括一個(gè)系統槽和最多7個(gè)外圍設備槽。圖2給出了一個(gè)33 MHz的CPCI總線(xiàn)段結構圖。

圖2 一個(gè)CPCI總線(xiàn)段結構圖

與IPC相比，CPCI系統具有明顯的優(yōu)勢：

1)CPCI系統采用歐洲卡結構，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)靜電導出條可以滿(mǎn)足電磁兼容性要求。同時(shí)CPCI總線(xiàn)標準定義的冗余設計、故障切換和故障管理等內容，非常符合IEC61850標準中系統的可擴展性、高可靠性要求，和IEC61850的模塊化概念吻合。

2)CPCI系統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系統引腳長(cháng)短針交錯以支持熱插拔功能。

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