恩施州車(chē)壩水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)平臺(tái)數(shù)字化改造設(shè)計(jì)

孫 智

(恩施州車(chē)壩水力發(fā)電公司，湖北 恩施 445000)

隨著IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，光電式互感器和光纖通信技術(shù)在水電站中的逐步推廣應(yīng)用，數(shù)字化水電站已成為當(dāng)前水電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展方向.數(shù)字化水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的基本功能是解決電站內(nèi)部以及與其他系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)信息交換，因此通訊網(wǎng)絡(luò)是不可或缺的功能載體.構(gòu)建一個(gè)可靠、實(shí)時(shí)、高效的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)平臺(tái)是通信系統(tǒng)的關(guān)鍵之一.通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)平臺(tái)是連接水電站內(nèi)各種智能電子設(shè)備(IED)的紐帶，所以它必須能支持各種通信接口，滿足通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化[1-4].

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將水電站劃分為站控層、間隔層和過(guò)程層.與傳統(tǒng)水電站相比，最突出的變化是在過(guò)程層引入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[5].數(shù)字化水電站在過(guò)程層引入了網(wǎng)絡(luò)和光纖通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水電站信息數(shù)字化傳輸和共享，簡(jiǎn)化二次采樣回路，應(yīng)用了面向事件對(duì)象的GOOSE服務(wù)，簡(jiǎn)化了水電站聯(lián)閉鎖、設(shè)備操作、保護(hù)跳閘等回路[6-7].

數(shù)字化水電站中數(shù)字采樣和傳輸對(duì)水電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)有很高的要求，過(guò)程層的組網(wǎng)方式、通信的協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控措施、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的技術(shù)性能、光纖的性能影響到整個(gè)水電站的安全運(yùn)行.光纖以太網(wǎng)技術(shù)是目前主流的通信技術(shù)，具有極佳的經(jīng)濟(jì)性.本文以光纖以太網(wǎng)作為恩施州車(chē)壩水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)改造方案，文中重點(diǎn)對(duì)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與探討.

1 恩施州車(chē)壩水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

恩施州車(chē)壩水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)(梯調(diào)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng))采用全開(kāi)放全分布式控制系統(tǒng)，以保證工作的可靠性和可擴(kuò)性.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用快速交換式以太網(wǎng)，連接介質(zhì)采用光纖電纜，通訊協(xié)議采用TCP/IP.目前車(chē)壩水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)(梯調(diào)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng))在各站節(jié)點(diǎn)上完成了LCU的采集與控制、閘門(mén)監(jiān)測(cè)與控制、水位測(cè)量等功能，同時(shí)各站節(jié)點(diǎn)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到梯調(diào)網(wǎng)絡(luò)上，在梯調(diào)中心實(shí)現(xiàn)了信息的綜合集成與遠(yuǎn)程控制、采用101規(guī)約上送數(shù)據(jù)、WEB發(fā)布等功能.車(chē)壩水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 車(chē)壩水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 恩施州車(chē)壩水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

對(duì)于恩施州車(chē)壩水電站來(lái)說(shuō)，綜合自動(dòng)化系統(tǒng)采用低速串口通信方式，雖然引入了以太網(wǎng)技術(shù)，但由于通訊規(guī)約的不統(tǒng)一，設(shè)備之間互操作性差，需要專(zhuān)門(mén)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行接入，造成數(shù)據(jù)的傳輸延遲.對(duì)車(chē)壩水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字化改造有利于提高設(shè)備運(yùn)行可靠性、保障安全生產(chǎn)、提高經(jīng)濟(jì)效益；有利于提高水電站自動(dòng)化運(yùn)行水平、降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率.

在數(shù)字化水電站中不同的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)水電站綜自系統(tǒng)的安全性和可靠性有著不同的影響，已有很多文章對(duì)此做了詳細(xì)的調(diào)查研究，其結(jié)果表明，在基于以太網(wǎng)交換機(jī)的單環(huán)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，基于以太網(wǎng)交換機(jī)的單環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)配置時(shí)間通常很短，不超過(guò)100 ms，對(duì)于間隔層的自動(dòng)化功能而言可以接受，因而基于以太網(wǎng)交換機(jī)的單環(huán)網(wǎng)方案是一個(gè)經(jīng)濟(jì)且具有一定可靠性的通信冗余方案.

3 恩施州車(chē)壩水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

恩施州車(chē)壩水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字化改造采用星型結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì).目前常用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型網(wǎng)絡(luò)和環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)可以看出星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在運(yùn)行維護(hù)、傳輸時(shí)間及可靠性等多方面優(yōu)于環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，更可以免去網(wǎng)絡(luò)管理這部分軟硬件乃至人員維護(hù)方面的成本，故宜采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建水電站的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò).

3．1 星型結(jié)構(gòu)

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也稱“集中式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”，是因交換機(jī)連接的各連接節(jié)點(diǎn)呈星狀分布而得名.因?yàn)樵谶@種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中有中央節(jié)點(diǎn)(公共交換機(jī))，其他節(jié)點(diǎn)(接二次設(shè)備的交換機(jī))都與中央節(jié)點(diǎn)直接相連，這種結(jié)構(gòu)以中央節(jié)點(diǎn)為中心，因此它又稱之為集中式網(wǎng)絡(luò).交換機(jī)星型網(wǎng)絡(luò)如圖2所示.

圖2 交換機(jī)星型網(wǎng)絡(luò)

星型結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在：①優(yōu)點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單，易于布線；擴(kuò)展容易；便于維護(hù)，任何一臺(tái)間隔交換機(jī)故障，都可以方便隔離，不影響其他間隔；公用交換機(jī)故障，僅影響公用智能電子設(shè)備，不影響間隔智能電子設(shè)備；傳輸速度快，從任一設(shè)備到另一設(shè)備至多經(jīng)過(guò)三臺(tái)交換機(jī)；報(bào)文延時(shí)固定；從結(jié)構(gòu)上沒(méi)有廣播風(fēng)暴的風(fēng)險(xiǎn).②缺點(diǎn)：公共交換機(jī)負(fù)擔(dān)較大，檢修時(shí)將影響公用智能電子設(shè)備；交換機(jī)數(shù)量較多，成本一般相對(duì)較高，但間隔交換機(jī)所需要端口最少，而端口數(shù)量影響交換機(jī)價(jià)格，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)成本應(yīng)結(jié)合工程具體分析.

3．2 具體配置方案

恩施州車(chē)壩水力發(fā)電公司管轄車(chē)壩河流域一、二、三級(jí)和馬鞍槽四個(gè)梯級(jí)發(fā)電站.共10臺(tái)(套)發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量19.6 MW.110 kV壩車(chē)線出線一回，35 kV車(chē)月線出線一回，10 kV庫(kù)區(qū)線出線一回，10 kV大壩線出線一回.所有電量在車(chē)壩三級(jí)水電站匯集，升壓成110 kV電壓等級(jí)之后，通過(guò)110 kV壩車(chē)線在220 kV的龍鳳壩變電站接入電力系統(tǒng).在四個(gè)站分別配置羅杰康(RSG2100)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，組成獨(dú)立子網(wǎng)，各獨(dú)立子網(wǎng)通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖通訊線路連接到位于三級(jí)電站的梯凋中心的公共交換機(jī)上，此公共交換機(jī)采用羅杰康(RSG2100)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī).各電站的站控層之間、站控層與間隔層之間的信息交換選用100 M的光纖交換以太網(wǎng)作為通訊網(wǎng)絡(luò).間隔層設(shè)備之間、間隔層設(shè)備和過(guò)程層設(shè)備之間的通訊采用100 M的光纖交換以太網(wǎng)作為通訊網(wǎng)絡(luò).

對(duì)于220 kV及以上電壓等級(jí)的數(shù)字化水電站自動(dòng)化系統(tǒng)可采用雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，110 kV及以上電壓等級(jí)的數(shù)字化水電站自動(dòng)化系統(tǒng)宜采用雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，但也可以采用單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，站控層與過(guò)程層宜分別獨(dú)立組網(wǎng)，間隔層與站控層共用同一網(wǎng)絡(luò)，且通訊網(wǎng)絡(luò)為100M或1 000 M的以太網(wǎng).由于車(chē)壩水電站的電壓等級(jí)為110 kV及以下，所以在設(shè)計(jì)綜自系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊平臺(tái)的時(shí)候，采用單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，而不再考慮其通信網(wǎng)絡(luò)的雙重化.

4 結(jié)束語(yǔ)

在恩施州車(chē)壩水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，采用以光纖太網(wǎng)作為數(shù)字化水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)，并采用單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，不做冗余配置要求.采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)以太網(wǎng)通信平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)過(guò)程層總線解決方案的有效途徑，過(guò)程層通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性對(duì)數(shù)字化水電站繼電保護(hù)功能具有直接的影響，但I(xiàn)EC61850對(duì)通信冗余的描述并不完善.通過(guò)對(duì)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析研究，不難發(fā)現(xiàn)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在運(yùn)行維護(hù)、傳輸時(shí)間及可靠性等多方面優(yōu)于環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，更可以免去網(wǎng)絡(luò)管理這部分軟硬件乃至人員維護(hù)方面的成本.對(duì)IEC61850在水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用研究有一定的參考價(jià)值.

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