數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)接入與規(guī)劃研究

摘要：數(shù)字化變電站逐漸成為變電站的發(fā)展新方向，是常規(guī)到數(shù)字信息化的轉(zhuǎn)變，依托信息技術(shù)的數(shù)字化發(fā)展，其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架作為核心，并隨著信息化技術(shù)的發(fā)展而不斷深入。數(shù)字化變電的基本網(wǎng)絡(luò)主要通過功能結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)，分析其中關(guān)于EIC61850以及GOOSE網(wǎng)絡(luò)關(guān)健技術(shù)與設(shè)備的應(yīng)用，通過網(wǎng)絡(luò)冗余方案參考現(xiàn)代數(shù)字化變電站的特征功能與要求，設(shè)計(jì)規(guī)劃數(shù)字化變電站虛擬局域網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化變電站；網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)；設(shè)計(jì)規(guī)劃；信息技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM63 文章編號(hào)：1009-2374（2015）01-0029-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0015

1 數(shù)字化變電站概況

隨著常規(guī)模式下自動(dòng)化變電站的不斷完善，變電站的自動(dòng)化系統(tǒng)得以推廣普及，在提高電網(wǎng)質(zhì)量、改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)方面起到很好的促進(jìn)作用。在自動(dòng)化變電站的二次設(shè)備的問題中，設(shè)備的互換性與網(wǎng)絡(luò)通信的歸屬約定等方面的統(tǒng)一凸顯出來，具體表現(xiàn)為設(shè)備兼容性差：網(wǎng)絡(luò)安全模式差異性，無法在變電站以外的地點(diǎn)使用，一定程度上阻礙同一區(qū)域內(nèi)不同變電站的相互聯(lián)系與變電站自動(dòng)化組網(wǎng)的鋪設(shè)。數(shù)字化變電站的三大特征：一次設(shè)備數(shù)字化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化，伴隨著電子互感以及光學(xué)互感等一次設(shè)備技術(shù)的不斷成熟，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的應(yīng)用逐漸加深，二次設(shè)備的溝通性與維護(hù)工作得到改善，進(jìn)一步加快了數(shù)字化變電站的發(fā)展步伐。

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，數(shù)字化變電站所帶來的優(yōu)勢(shì)愈來愈明顯，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通信體系不斷完善，給予相同通信系統(tǒng)的制作與研究，二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程已經(jīng)初見雛形，但是并沒有滿足數(shù)字化變電站市場(chǎng)不斷提升的需求，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及組網(wǎng)的建設(shè)都在基于過程層、站控層、對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)。

2 數(shù)字化變電站關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用

IEC61850作為數(shù)字化變電站的理論基礎(chǔ)，加上一次設(shè)備其中包括電子互感器與智能斷路器等必備設(shè)備以及計(jì)算網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用以保證信息安全可靠地傳遞與交流，

這些關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備構(gòu)成了數(shù)字化變電站系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

2.1 電子式互感設(shè)備的應(yīng)用

ECT電子式互感器是采用法拉第電磁效應(yīng)的羅柯夫斯基線圈光電式無源電流互感器。這種電子式互感設(shè)備的特點(diǎn)：無磁飽和、抗電磁干擾能力強(qiáng)、調(diào)節(jié)范圍廣、測(cè)量精度高、安全性能好。

電子互感器通過合并單元與擴(kuò)展專用傳感器單元為接口。其中合并單元用來同步采集多路電子互感器的輸出數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換信息數(shù)據(jù)格式并發(fā)送至二次設(shè)備上，通過EIC61850-g-1的串行單向多路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接，合并單元大于12則通過EIC61850-9-2的方式重新合并數(shù)據(jù)并組織發(fā)送新的合并數(shù)據(jù)模型。國(guó)際電工委員會(huì)定義的射頻拉遠(yuǎn)單元功能上能進(jìn)行輸出模擬量并將輸出模擬量數(shù)字化，由此可見設(shè)備功能靈活多變，接口多元化配合度較高。

2.2 智能斷路器

智能斷路器是通過綜合微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及傳感器技術(shù)的二次系統(tǒng)設(shè)備。智能斷路器在操作機(jī)構(gòu)上使用電子操動(dòng)與機(jī)械操動(dòng)的綜合操作。機(jī)械儲(chǔ)能為電容儲(chǔ)能，變頻器通過電機(jī)直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由于機(jī)械系統(tǒng)的可靠性較高，通過自動(dòng)化系統(tǒng)地調(diào)整斷路器的運(yùn)動(dòng)特性，重合閘的智能操作分合閘相角控制、相合閘的同步分?jǐn)嗟靡詫?shí)現(xiàn)，并通過自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)在線實(shí)時(shí)

監(jiān)測(cè)。

2.3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用

目前國(guó)外研究，網(wǎng)絡(luò)信息量在小于25%負(fù)荷的情況下，以太網(wǎng)足以滿足變電站對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通訊的需求，并解決工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性問題。在實(shí)時(shí)以太網(wǎng)中分有實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)與非實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)兩種，按優(yōu)先級(jí)排序的實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)決定了競(jìng)爭(zhēng)信號(hào)的堅(jiān)持發(fā)送，或是信道讓與優(yōu)先級(jí)更高的節(jié)點(diǎn)。非實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)中在處理優(yōu)先級(jí)沖突時(shí)，會(huì)在發(fā)送完競(jìng)爭(zhēng)信號(hào)之前停止后續(xù)信號(hào)的發(fā)送。具有仲裁功能的總線競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，使得實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)的信息通訊能得到有效傳輸，換個(gè)角度看來，加大以太網(wǎng)流量使用千兆的局域網(wǎng)路能進(jìn)一步簡(jiǎn)化數(shù)字化變電站內(nèi)外的數(shù)據(jù)傳輸。

3 數(shù)字化變電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建立接入

數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)通過過程總線以及站級(jí)總線進(jìn)行通信連接。一次設(shè)備如斷路器、互感器、變壓器的隔層裝置的智能化，站級(jí)總線的數(shù)據(jù)處理在與電站層和間隔層之間的雙向信息交換處理。

3.1.1 過程網(wǎng)絡(luò)。在智能變電站早期的工作中，一般采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直采直跳的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用電纜連接，常規(guī)的電子式互感設(shè)備通過電磁互感器進(jìn)行合并單元直連。另外保護(hù)裝置中的交換機(jī)不通電流與電壓，連接到合并單元，智能終端直接控制繼電保護(hù)，測(cè)控裝置的遙測(cè)量和遙控命令在組網(wǎng)下采用雙套配置，能夠有效地保護(hù)環(huán)節(jié)之間的可靠性，但是雙套配置的有線鋪設(shè)導(dǎo)致了接口處電纜較多，集中處容易產(chǎn)生發(fā)熱，影響線路安全，對(duì)維護(hù)工作造成一定影響。

3.1.2 GOOSE組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電流與電壓的遙測(cè)量采集，在GOOSE組網(wǎng)環(huán)境主要工作在過程層中，在規(guī)劃過程中，保護(hù)裝置與測(cè)控裝置直接和合并單元連接，電壓、電流數(shù)據(jù)不經(jīng)過交換機(jī)，繼電保護(hù)裝置及重合指令測(cè)控等均是通過過程層GOOSE網(wǎng)交換機(jī)智能操作箱來完成轉(zhuǎn)發(fā)，同雙套配置的結(jié)構(gòu)相比，GOOSE組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)上大大簡(jiǎn)化了直跳模式帶來的光纜量過多的問題，在二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的目標(biāo)上進(jìn)一步完善。

3.1.3 雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)。在220kV的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，由于母線保護(hù)錄波器以及智能開關(guān)技術(shù)的局限，通常設(shè)計(jì)規(guī)劃中采用智能控制單元輔助傳統(tǒng)開關(guān)實(shí)現(xiàn)智能開關(guān)的部分功能。保護(hù)1連接到A網(wǎng)，保護(hù)2連接到B網(wǎng)，A網(wǎng)與B網(wǎng)在物理層面上獨(dú)立開來。ICU在配置是保持與保護(hù)相呼應(yīng)，ICU上鏈接兩套保護(hù)裝置。雙網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)以及ICU上的保護(hù)裝置同樣相互獨(dú)立開來，雙重配置的網(wǎng)路結(jié)構(gòu)獨(dú)立工作。當(dāng)其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，例如與GOOSE-A網(wǎng)相連的設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)，相獨(dú)立的GOOSE-B網(wǎng)能夠避免影響繼續(xù)工作。由于母線保護(hù)收集的采樣數(shù)據(jù)多間隔，使得各間隔的MU之間輸出數(shù)據(jù)要另外通過數(shù)據(jù)集中器傳輸給母線保護(hù)。測(cè)控設(shè)備和錄入設(shè)備由于要對(duì)GOOSE雙網(wǎng)的數(shù)據(jù)均要采集，因此采用設(shè)備雙網(wǎng)口同時(shí)接入GOOSE雙網(wǎng)。

3.2 變電站設(shè)備配置與選擇要求

數(shù)字化變電站的重要基礎(chǔ)在上文的敘述中就提到了電子式互感器以及智能斷路器等一次設(shè)備。有源互感器設(shè)備在電子式互感器中的工作穩(wěn)定性較好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在國(guó)外自動(dòng)化系統(tǒng)中得到了廣泛的普及與推廣，而光學(xué)互感器主要應(yīng)用在高壓領(lǐng)域中，其優(yōu)勢(shì)明顯，因此隨著技術(shù)日新月異的發(fā)展，220kV變電站的電壓等級(jí)前提下，一般使用有源互感器設(shè)備，相對(duì)于電子互感器設(shè)備，智能斷路器的智能開關(guān)設(shè)備技術(shù)不夠成熟，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中主要使用國(guó)外的產(chǎn)品設(shè)備，導(dǎo)致兼容性與維護(hù)性較差，針對(duì)這種情況國(guó)內(nèi)變電站規(guī)劃中一般使用常規(guī)開關(guān)設(shè)備改造，通過加裝智能化開關(guān)，實(shí)現(xiàn)智能化控制。GIS設(shè)備集成度在智能化技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)相對(duì)成熟，國(guó)內(nèi)針對(duì)GIS設(shè)備的使用設(shè)計(jì)專門的智能化控制設(shè)備。相對(duì)主變端口來說，具體的設(shè)計(jì)方案是在主變端口的箱內(nèi)加裝智能控制單位，用來完善主變信號(hào)中開關(guān)控制以及非電量有載的數(shù)字化傳送。

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作者簡(jiǎn)介：任子財(cái)（1979—），男，廣東鶴山人，廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局工程師，研究方向：變電運(yùn)行。

（責(zé)任編輯：周 瓊）