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|就地模块的设计及工程应用


随着智能变电站的发展 ， 人们对设备的环境适应能力和运维便捷性要求越来越高 ， 装置的小型化免维护逐渐成为趋势 。 南京南瑞继保电气有限公司的研究人员刘鹏、刘东超、熊慕文 ， 在2020年第9期《电气技术》杂志上撰文 ， 提出一种小型化免配置的自动化就地模块 ， 实现变电站一次主设备信息（模拟量、开关量）数字量转换和传输 ， 将其安装在一次设备机构箱或就地设备舱 。
作者详细介绍了就地模块的硬件和软件设计方案 ， 阐明了就地模块具有高防护、小型化、免配置、高可靠、低功耗的显著特点 。 测试结果和工程实施说明 ， 就地模块具有良好的应用和推广价值 。

|就地模块的设计及工程应用
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自采用常规互感器+合并单元采样模式的智能变电站被大规模推广以来 ， 在其长期运行中暴露了不少问题和不足：
①使用合并单元增加了采样环节 ， 使保护逻辑变复杂 ， 出口动作时间变长；②电缆由光纤代替 ， 信号变成在光纤中传输的、虚拟的数字量 ， 新站调试和扩建间隔需要专门的工具集成变电站配置描述（substation configuration discription, SCD）文件 ， 操作不方便 ， 对运维人员的要求较高；③智能变电站设备缺陷率高等 ， 不利于智能变电站安全稳定运行 。
针对现存智能变电站普遍存在的不足 ， 对保护装置已进行了小型化、就地化的探索和实践：①就地安装 ， 以减少中间环节；②即插即用 ， 以提高检修效率 。 本文介绍了一种适用于自动化系统、借鉴了就地化保护部分经验的小型化过程层设备——就地模块 。
就地模块实现变电站一次主设备信息（模拟量、开关量）数字量转换和传输 ， 被安装在一次设备机构箱或就地设备舱 。 它分为模拟量就地模块、开关量就地模块 ， 其主要功能见表1 。
其处理器采用高性能、高度集成的SoC（system on chip）芯片 ， 装置面板数码管关联就地模块采样值（sampled value, SV）/面向通用对象的变电站事件（generic object oriented substation event, GOOSE） ， 发送报文的多路存取计算机（multi-access computer, MAC）地址及应用程序标识 。
就地模块结构紧凑 ， 插拔式散热结构 ， 散热能力强 ， 具有高防护、小型化、免配置、高可靠、低功耗的显著特点 。
|就地模块的设计及工程应用
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表1 主设备就地模块主要功能表
1 硬件设计
为了实现小型化 ， 就地模块选用小尺寸机箱 ， 插拔式散热结构 ， 散热能力强 ， 能满足户外70℃运行环境 ， 且结构紧凑 ， 通用性强 。 采用正面无螺钉设计方案和一体化贴膜开关 ， 提高了产品防护能力 ， 满足IP54级防护要求 。 就地模块机箱示意图如图1所示 。
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【|就地模块的设计及工程应用】

图1 就地模块机箱示意图
就地模块选用高度集成的SoC芯片为核心 ， 该芯片内含现场可编程逻辑门阵列（field-programmable gate array, FPGA） ， 还需要外挂其他外设：扩展内存和F1ash来存储程序、数据；电以太网口用于装置调试使用；AD芯片用于模拟量采集；光纤以太网口用于GOOSE/SV/IEEE1588对时、通信 ， 三网共口；I2C总线接口用于运行/告警指示灯和面板数码管的驱动等 ， 如图2所示 。
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图2 系统硬件架构图
采样数据和CPU之间不必经过背板总线 ， 避免了背板总线受干扰造成数据畸变或者丢失 ， 大大提高了装置可靠性 。 光纤收发口采用IO直驱模式 ， 无PHY芯片的设计思路 ， 减少芯片 ， 节省硬件资源 。 通信协商采用自协商机制 ， 光模块Los信号接到FPGA检测有无光 ， 配合自协商用 。 光纤通信设计方案如图3所示 。


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