智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究與應(yīng)用

王芝茗，張延鵬，趙志剛

（1.遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000;

2.東北電力科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000;3.沈陽(yáng)工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

0 引言

隨著IEC61850變電站網(wǎng)絡(luò)與通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，智能變電站實(shí)現(xiàn)了全站信息的數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化以及信息共享標(biāo)準(zhǔn)化。IEC 61850將智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)從功能邏輯上分為變電站層、間隔層和過程層三層結(jié)構(gòu)，各層及邏輯接口的邏輯關(guān)系如圖1所示［1］。

過程層是智能變電站區(qū)別于傳統(tǒng)變電站的特點(diǎn)之一，智能變電站的過程層是一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合面，能夠更加有效地解決設(shè)備易受干擾、高低壓無(wú)法有效隔離、信息不能共享等缺點(diǎn)。但是由于智能變電站的信息數(shù)據(jù)量龐大，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、?shí)時(shí)性要求很高，過程層又大量應(yīng)用了新設(shè)備、新技術(shù)，而相關(guān)設(shè)備和技術(shù)的運(yùn)行業(yè)又不是很成熟，因此隨之產(chǎn)生的安全性和可靠性方面的問題不容忽視［2－3］。本文提出了幾種典型的過程層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案，并結(jié)合實(shí)際案例分析研究了其中的關(guān)鍵性技術(shù)。

圖1 智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)接口模型

1 智能變電站過程層的功能及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)之間用分層、分布、開放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連接，過程層位于最底層，包含的設(shè)備有變壓器、斷路器、隔離開關(guān)等一次設(shè)備及其所屬的智能組件?？梢酝瓿蛇\(yùn)行設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、基本狀態(tài)量和模擬量的數(shù)字化輸入/輸出、操作控制命令的執(zhí)行以及實(shí)時(shí)運(yùn)行電氣量的采集等功能［4］。

相應(yīng)的信息經(jīng)由過程層網(wǎng)絡(luò)傳輸，包括SV（采樣值）網(wǎng)和GOOSE（面向通用對(duì)象的變電站事件）網(wǎng)，采用基于光纖通信的傳輸方式，多個(gè)智能電子設(shè)備之間通過GOOSE、采樣值傳輸機(jī)制傳遞信息，采集到包括變電站電力系統(tǒng)運(yùn)行的暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)以及變電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和圖像等電力系統(tǒng)的斷面全景數(shù)據(jù)［5］。

圖2 采用方案一的線路保護(hù)示意圖

2 過程層組網(wǎng)設(shè)計(jì)方案

2.1 方案一

本方案又被稱為常規(guī)互感器方案，即是利用采集單元幫助常規(guī)互感器實(shí)現(xiàn)采樣值的數(shù)字化。下面以線路保護(hù)為例來(lái)進(jìn)行說明。該方案的實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)變電站的電纜連接方式相似，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采用光纜直連，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示［6－7］。整個(gè)過程層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，采集單元獨(dú)立配置是本方案的優(yōu)點(diǎn)，這方便后期工程進(jìn)行改造，同時(shí)系統(tǒng)中的繼電保護(hù)裝置不必經(jīng)過交換機(jī)直接進(jìn)行采樣，可通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)直接跳斷路器，啟動(dòng)斷路器失靈、重合閘。但是本方案有個(gè)缺點(diǎn)，就是增加了采集單元，這提高了過程層網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，同時(shí)常規(guī)電流互感器的飽和問題不易解決。

2.2 方案二

本方案建立在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，電壓、電流互感器采用電子式。優(yōu)點(diǎn)是傳輸延時(shí)固定，由繼電保護(hù)裝置利用插值法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，可以不依賴于外部時(shí)鐘。采樣值和信息傳輸采用網(wǎng)絡(luò)模式，按電壓等級(jí)進(jìn)行組網(wǎng)分類。本過程層組網(wǎng)方案采用IEEE1588或IRIG－B碼方式對(duì)時(shí)，所有的保護(hù)都要求配置主后備功能。另外有幾點(diǎn)需要說明的是，變壓器中性點(diǎn)的電流和間隙電流要并入相應(yīng)側(cè)MU;跳母聯(lián)、分段斷路器及閉鎖備自投和啟動(dòng)失靈等變壓器保護(hù)采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸。本方案不需要交換機(jī)環(huán)節(jié)，也不依賴于同步對(duì)時(shí)信號(hào)，真正實(shí)現(xiàn)了變電站信息傳輸?shù)臄?shù)字化和功能的集成化，不足是由于繼電保護(hù)和合并單元都需要較多的網(wǎng)口，使得系統(tǒng)發(fā)熱量很大，并且需要大量的光纜和交換機(jī)。

2.3 方案三

本方案采用 IEC61850－9－2標(biāo)準(zhǔn)的100Mbit/s光線以太網(wǎng)采樣信息、GOOSE信息、IEEE1588精確時(shí)鐘協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)信息的同網(wǎng)傳輸，是一種三網(wǎng)合一結(jié)構(gòu)。如圖5所示，間隔層與過程層合并單元之間采用IEC61850－9－2標(biāo)準(zhǔn)，與智能終端的通信要遵循GOOSE通信協(xié)議。過程層的每個(gè)間隔需要單獨(dú)配置獨(dú)立交換機(jī)，而各間隔之間信息交換要通過主干網(wǎng)的交換機(jī)實(shí)現(xiàn)，其各間隔系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。這種組網(wǎng)方案能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享最大化，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，維護(hù)方便。

圖3 配置方案三的示意圖

2.4 方案三的驗(yàn)證及效果分析

為了更進(jìn)一步的驗(yàn)證三網(wǎng)合一技術(shù)方案是否能滿足智能變電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行的需要，本項(xiàng)目組在遼寧大石橋智能變電站應(yīng)用該方案進(jìn)行了多次專項(xiàng)測(cè)試。該變電站的220 kV和110 kV的電子式互感器全部采用光纖數(shù)字量輸出的形式，其余全部采用電流、電壓一體化小信號(hào)模擬量輸出的形式。本站的過程網(wǎng)絡(luò)主要分為四個(gè)部分:（1）22 kV過程層網(wǎng)絡(luò):220 kV除主變高壓側(cè)外的所有間隔，采用雙星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);（2）110 kV過程層網(wǎng)絡(luò):110 kV除主變中壓側(cè)外的所有間隔，采用單星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);（3）#2、#3主變壓器過程層網(wǎng)絡(luò):包含主變?nèi)齻?cè)及本體，采用雙星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);（4）35 kV GOOSE網(wǎng)絡(luò)，采用單星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

測(cè)試采用RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀模擬一次系統(tǒng)，所有二次設(shè)備，包括智能終端、合并單元、繼電保護(hù)保護(hù)裝置都要與實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀相連。過程層網(wǎng)絡(luò)按三網(wǎng)合一方案搭建，各間隔層配置獨(dú)立的間隔交換機(jī)，每個(gè)交換機(jī)首尾依次相連，構(gòu)成了環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用千兆網(wǎng)口級(jí)聯(lián)的交換機(jī)實(shí)現(xiàn)了過程層網(wǎng)絡(luò)的信息共享。模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一次系統(tǒng)的母線發(fā)生故障時(shí)，信息報(bào)文經(jīng)由合并單元、多級(jí)交換機(jī)送達(dá)母線保護(hù)設(shè)備，母線保護(hù)設(shè)備根據(jù)對(duì)信息的處理，分析后判斷母線發(fā)生的情況，之后發(fā)送GOOSE報(bào)文給智能終端，由智能終端作出跳閘指令。多次類似的故障模擬實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)的保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間比較穩(wěn)定，IEEE 1588對(duì)時(shí)應(yīng)用以及GMRP組播協(xié)議的運(yùn)行性能很好。在智能變電站采用三網(wǎng)合一技術(shù)方案，在正常負(fù)荷下能保證過程層網(wǎng)絡(luò)延時(shí)性能穩(wěn)定，千兆級(jí)聯(lián)的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，跳閘延時(shí)每經(jīng)過一級(jí)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)將會(huì)延時(shí)增加5μs的時(shí)間。而全部動(dòng)作時(shí)間的長(zhǎng)短由繼電保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間和智能終端的動(dòng)作時(shí)間決定。另外在模擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)IEEE 1588報(bào)文駐留及鏈路延時(shí)的修正值出現(xiàn)與實(shí)際時(shí)間不一致的情況時(shí)，合并單元中的信息序號(hào)不連續(xù)，導(dǎo)致傳送到繼電保護(hù)裝置的報(bào)文丟失。為了解決這一問題，研究專家組探討應(yīng)對(duì)策略，試驗(yàn)驗(yàn)證切實(shí)可行，很好地解決了這一問題。總之，多次的模擬試驗(yàn)結(jié)果有利證明證明，在實(shí)際的智能變電站過程網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中采用三網(wǎng)合一技術(shù)是可行的，交換機(jī)、合并單元、繼電保護(hù)裝置等設(shè)備能夠滿足三網(wǎng)合一方案的運(yùn)行要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

過程層網(wǎng)絡(luò)是智能變電站區(qū)別于常規(guī)變電站的特點(diǎn)之一，也是智能變電站的中樞神經(jīng)。它以采樣數(shù)字化、信息網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)完成了變電站信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸，是控制技術(shù)的一次質(zhì)的飛躍。本文列舉并分析了較為較典型的過程層組網(wǎng)方案，其中，三網(wǎng)合一組網(wǎng)方案采用SMV采樣信息、GOOSE網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、IEEEl588對(duì)時(shí)信息共同組網(wǎng)的星形網(wǎng)絡(luò)模式，選用可靠性很高的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。采用基于IEC61439可顯著提高通信網(wǎng)絡(luò)可用度 的PRP并行冗余技術(shù)方案，通過實(shí)際測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)證明，該方案符合變電站的技術(shù)規(guī)范，滿足變電站的安全穩(wěn)定的運(yùn)行需求，可以簡(jiǎn)化變電站的過程層網(wǎng)絡(luò)，最大程度地實(shí)現(xiàn)信息共享，同時(shí)運(yùn)維管理方便，可在智能變電站中廣泛推廣應(yīng)用。

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