自采用常規互感器+合并單元采樣模式的智能變電站被大規模推廣以來，在其長期運行中暴露了不少問題和不足：

①使用合并單元增加了采樣環節，使保護邏輯變復雜，出口動作時間變長；②電纜由光纖代替，信號變成在光纖中傳輸的、虛擬的數字量，新站調試和擴建間隔需要專門的工具集成變電站配置描述（substation configuration discription, SCD）文件，操作不方便，對運維人員的要求較高；③智能變電站設備缺陷率高等，不利于智能變電站安全穩定運行。

針對現存智能變電站普遍存在的不足，對保護裝置已進行了小型化、就地化的探索和實踐：①就地安裝，以減少中間環節；②即插即用，以提高檢修效率。本文介紹了一種適用于自動化系統、借鑒了就地化保護部分經驗的小型化過程層設備——就地模塊。

就地模塊實現變電站一次主設備信息（模擬量、開關量）數字量轉換和傳輸，被安裝在一次設備機構箱或就地設備艙。它分為模擬量就地模塊、開關量就地模塊，其主要功能見表1。

其處理器采用高性能、高度集成的SoC（system on chip）芯片，裝置面板數碼管關聯就地模塊采樣值（sampled value, SV）/面向通用對象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE），發送報文的多路存取計算機（multi-access computer, MAC）地址及應用程序標識。

就地模塊結構緊湊，插拔式散熱結構，散熱能力強，具有高防護、小型化、免配置、高可靠、低功耗的顯著特點。

表1 主設備就地模塊主要功能表

1 硬件設計

為了實現小型化，就地模塊選用小尺寸機箱，插拔式散熱結構，散熱能力強，能滿足戶外70℃運行環境，且結構緊湊，通用性強。采用正面無螺釘設計方案和一體化貼膜開關，提高了產品防護能力，滿足IP54級防護要求。就地模塊機箱示意圖如圖1所示。

圖1 就地模塊機箱示意圖

就地模塊選用高度集成的SoC芯片為核心，該芯片內含現場可編程邏輯門陣列（field-programmable gate array, FPGA），還需要外掛其他外設：擴展內存和F1ash來存儲程序、數據；電以太網口用于裝置調試使用；AD芯片用于模擬量采集；光纖以太網口用于GOOSE/SV/IEEE1588對時、通信，三網共口；I2C總線接口用于運行/告警指示燈和面板數碼管的驅動等，如圖2所示。

圖2 系統硬件架構圖

采樣數據和CPU之間不必經過背板總線，避免了背板總線受干擾造成數據畸變或者丟失，大大提高了裝置可靠性。光纖收發口采用IO直驅模式，無PHY芯片的設計思路，減少芯片，節省硬件資源。通信協商采用自協商機制，光模塊Los信號接到FPGA檢測有無光，配合自協商用。光纖通信設計方案如圖3所示。

圖3 光纖通信設計方案圖

電源和模擬量輸入（AI）或者開出集成在一塊板卡，以節省空間。開入/開出采用IO直驅的方式由CPU直接采集，減少中間環節，這有別于以往采用IO智能插件采集，通過背板總線發送到CPU處理。

2 軟件設計

2.1 模擬量就地模塊軟件設計

模擬量就地模塊采集電壓互感器/電流互感器二次輸出值，采樣同步后按照IEC 61850-9-2協議發送，主要由抗混疊模擬濾波器、數字濾波器、數據插值、碼值轉換和同步組成。

圖4 模擬量就地模塊數據流圖

根據那奎斯特采樣定理，采樣頻率應大于2倍采樣信號的最大頻率，否則會產生頻譜混疊。為了增加適用性，將AD采樣頻率設置為16kHz，前端模擬濾波器的截止頻率應小于8kHz，16kHz采樣數據經過不同的數字濾波器及插值后，可輸出不同采樣頻率的數據。

同樣，根據采樣定理，數字濾波器的設計應遵循以下原則：1）如果要輸出4kHz采樣數據，那么對應的數字濾波器加上前置模擬濾波器的截止頻率應不大于2kHz；2）如果要輸出12.8kHz采樣數據，那么對應的數字濾波器加上前置模擬濾波器的截止頻率應不大于6.4kHz。

2.2 開關量就地模塊軟件設計

開關量就地模塊采集開入量，接收GOOSE輸入轉換為硬接點開出，其數據流程如圖5所示。

圖5 開關量就地模塊數據流程圖

2.3 免配置的設計

就地模塊面板有數碼顯示管和按鍵，可以通過“+”、“◆”、“確認”和“取消”按鍵組合設置模塊的地址碼。SV和GOOSE發送報文的MAC地址后三位關聯就地模塊數碼管三位地址。對于GOOSE報文，發送的應用程序標識與地址碼一致；對于SV報文，發送的應用程序標識為0x4000+地址碼。

3 測試驗證

3.1 模擬量就地模塊主要性能測試結果

模擬量就地模塊主要測試模擬量和同步精度，其測試系統如圖6所示。

圖6 模擬量就地模塊測試系統圖

交流精度測試結果見表2。由表2可知，該結果優于Q/GDW 11015—2013《模擬量輸入式合并單元檢測規范》中測量電壓、測量電流0.2級的精度要求。

表2 交流精度測試結果

3.2 開關量就地模塊主要性能測試結果

開關量就地模塊主要測試開入/開出響應時間，其測試系統如圖7所示。

圖7 開關量就地模塊測試系統圖

IO測試結果見表3。由于減少了中間傳輸時間，所以IO響應時間比智能終端快一些。

表3 IO測試結果

4 工程應用

智能變電站引入合并單元、智能終端使過程層和間隔層之間傳輸的信號數字化，但同時增加了中間通信環節和信號處理時間，導致整體動作延時增加，影響了保護速動性和可靠性。就地模塊專用于自動化設備，保護使用就地化保護裝置或者傳統的常規采樣/常規跳閘保護裝置。應用就地模塊雙母線智能變電站過程層的典型配置如圖8所示。

圖8 變電站過程層的典型配置圖

在對就地模塊免配置具體應用時，有一些工程化措施；當現場裝置出現故障可整體更換裝置時，僅通過設置裝置面板數碼管即可完成配置，顯著減少了現場維護工作。

4.1 GOOSE虛端子的工程實施

每個就地模塊僅能提供有限的開入和開出接點，一個間隔的IO需求往往大于一個開關量就地模塊所能提供的資源。測控裝置對下的GOOSE數據集只有一個，對應多個不同地址的開關量就地模塊。

為了實現就地模塊GOOSE接收免配置，需要間隔層測控裝置按照固定的格式（數據集虛端子個數固定，虛端子順序依照現場要求）發布GOOSE報文，就地模塊的GOOSE輸入虛端子通過規則與開關量就地模塊關聯：開關量接收GOOSE報文的MAC和應用程序標識后兩位關聯數碼管地址的十位和百位，數碼管個位數用于選擇訂閱GOOSE數據輸入的段。

在實施工程時，同一間隔的開關量就地模塊數碼管十位和百位設置應一致，通過個位數來區分不同的GOOSE輸入虛端子段，其接收對應關系如圖9所示。

4.2 SV采樣值的工程實施

就地模塊發送的SV報文遵循IEC 61850-9-2協議，協議規定，發送的電流數值以1mA為單位，發送的電壓數值以10mV為單位的有名值。通常情況下需要根據現場一次設備TA/TV實際變比進行設置，如果要達到免配置的效果，TA/TV可采用默認變比，將TA變比固定設置為1000A 1A或者1000A 5A，將TV變比固定設置為110kV 100V，由后端設備按照實際情況進行轉換。

圖9 開關量就地模塊GOOSE輸入和開出對應關系

5 結論

就地模塊采用全新的硬件設計，裝置功能和性能指標均滿足變電站間隔層自動化設備對過程層設備的要求，具有高防護、小型化、免配置、高可靠、低功耗的顯著特點，彌補了現有智能變電站存在的一些不足。就地模塊在第三方測試機構檢測合格，并在湖南某110kV智慧變電站投入運行，無不良反饋，可見，其具備良好的應用和推廣價值。

就地模塊是全新的硬件平臺，可以在其上開發其他功能的裝置，故對其他裝置的開發也有借鑒意義。