特高壓換流站二次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方案研究

郝 克 項(xiàng)茂陽 鄭艷彬

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.山東送變電工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

國內(nèi)換流站建設(shè)已具備較高智能化水平，體現(xiàn)了設(shè)備智能化、連接網(wǎng)絡(luò)化、信息共享化等特征。換流站對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的性能要求主要體現(xiàn)在實(shí)時(shí)性、可靠性、冗余性。本文結(jié)合國內(nèi)已投產(chǎn)換流站的組網(wǎng)方式、國內(nèi)主要控制保護(hù)系統(tǒng)廠家的產(chǎn)品方案，對(duì)某工程的網(wǎng)絡(luò)分層及方案進(jìn)行了詳細(xì)研究和論證。

1 換流站全站二次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

1.1 二次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

換流站控制系統(tǒng)為模塊化、分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備功能及控制位置可分為站控層、控制層和就地層三個(gè)層次，三個(gè)層次互相通過標(biāo)準(zhǔn)接口和網(wǎng)絡(luò)總線互通互聯(lián)[1]。

站控層也稱運(yùn)行人員控制層，其設(shè)備主要由系統(tǒng)服務(wù)器、各類工作站、遠(yuǎn)動(dòng)通信設(shè)備、遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等組成。站控層設(shè)備之間通過站級(jí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，站控層設(shè)備與控制層設(shè)備可通過網(wǎng)絡(luò)通信，也可通過SCADA服務(wù)器實(shí)現(xiàn)指令傳輸。站控層設(shè)備是換流站運(yùn)行人員的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)全站所有系統(tǒng)和設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和處理、監(jiān)視和控制、記錄和存儲(chǔ)等功能。

控制層設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)直流輸電系統(tǒng)的功率/電流穩(wěn)定控制[2]。目前國內(nèi)常用的控制層設(shè)備主要包括換流器控制、極控、交流站控、直流站控等，控制層設(shè)備之間以及控制層設(shè)備與就地層設(shè)備通過控制層網(wǎng)絡(luò)或總線進(jìn)行通信。

1.2 運(yùn)行人員控制層網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)數(shù)字換流站的相關(guān)要求，交直流系統(tǒng)在換流站內(nèi)必須實(shí)現(xiàn)相互統(tǒng)一，運(yùn)行人員控制系統(tǒng)為運(yùn)行人員提供控制操作界面，其應(yīng)滿足直流輸電系統(tǒng)對(duì)大容量過程數(shù)據(jù)的管理、存儲(chǔ)和高速處理要求，以便針對(duì)直流輸電工程的需要實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的操作控制和運(yùn)行監(jiān)視功能。

站控層設(shè)備間通過網(wǎng)絡(luò)連接，站控層設(shè)備與控制層設(shè)備可通過網(wǎng)絡(luò)通信，也可通過SCADA服務(wù)器實(shí)現(xiàn)通信，系統(tǒng)服務(wù)器通過控制層網(wǎng)絡(luò)接收相關(guān)數(shù)據(jù)信息和事件/報(bào)警預(yù)告，同時(shí)將信息上送給站控層，各類工作站通過網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)器下發(fā)控制指令到相應(yīng)的控制保護(hù)主機(jī)[2]。

站控層網(wǎng)絡(luò)是基于通用以太網(wǎng)技術(shù)的局域網(wǎng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以星型結(jié)構(gòu)為主，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率大于等于100 Mb/s。為了提高關(guān)鍵電路的可靠性，站控層網(wǎng)絡(luò)目前雙重甚至三重化冗余設(shè)計(jì)，以便滿足網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性要求，單網(wǎng)線或單硬件故障都不應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)故障。站控層設(shè)備如交換機(jī)等可單獨(dú)組屏，也可與其他公用設(shè)備共同組屏。

站控層網(wǎng)絡(luò)根據(jù)電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)相關(guān)規(guī)定分為生產(chǎn)控制和管理信息兩個(gè)分區(qū)，前者又根據(jù)系統(tǒng)要求分為控制區(qū)（安全Ⅰ區(qū)）和非控制區(qū)（安全Ⅱ區(qū)）。

特高壓換流站各區(qū)主要設(shè)備配置如下：

（1）控制區(qū)（安全Ⅰ區(qū)）設(shè)備主要包括系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、操作員工作站、工程師工作站、控保設(shè)備、一體化電源系統(tǒng)、遠(yuǎn)程診斷工作站等。

（2）非控制區(qū)（安全Ⅱ區(qū)）設(shè)備主要包括電能量采集終端、保護(hù)及故障錄波管理子站、一次設(shè)備在線監(jiān)測、消防系統(tǒng)、Ⅱ區(qū)綜合應(yīng)用服務(wù)器等。

（3）管理信息大區(qū)（安全Ⅳ區(qū)）設(shè)備主要包括智能巡視系統(tǒng)、安全防衛(wèi)系統(tǒng)、動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)、閥廳空調(diào)系統(tǒng)、電子防范系統(tǒng)、Ⅳ區(qū)綜合應(yīng)用服務(wù)器等。

1.3 控制層網(wǎng)絡(luò)

1.3.1 控制層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在控制層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，直流控制系統(tǒng)從高到低可劃分為四個(gè)主要層次，分別為系統(tǒng)控制層、雙極控制層、極控制層和換流器控制層[3]。

系統(tǒng)控制層作為直流控制系統(tǒng)中最高級(jí)別的控制層，相當(dāng)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息的運(yùn)行大腦，其主要功能是能與調(diào)度中心通信，接收其控制指令，同時(shí)可以將系統(tǒng)運(yùn)行的有關(guān)狀態(tài)信息和監(jiān)測情況進(jìn)行有效傳輸。根據(jù)總控中心發(fā)出的輸電功率參數(shù)，科學(xué)分配各個(gè)直流回路中的輸電功率，一旦發(fā)生系統(tǒng)故障，能夠快速將故障功率轉(zhuǎn)移到正常線路中，盡可能實(shí)現(xiàn)輸電有效功率不變。

換流器控制作為一個(gè)直流輸電換流單元的控制層次，其主要功能是實(shí)施換流器觸發(fā)控制操作、換流變壓器分接開關(guān)控制、換流器解鎖/閉鎖順序控制等。

控制層網(wǎng)絡(luò)采用雙重化設(shè)計(jì)，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？刂茖泳W(wǎng)絡(luò)包括兩部分：控制層冗余控制系統(tǒng)主機(jī)之間的接口和通信網(wǎng)絡(luò)，控制層控制保護(hù)設(shè)備之間的接口和通信網(wǎng)絡(luò)。

1.3.2 控制層各層設(shè)備之間的接口

接口是在不同設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)傳輸、指令交換的重要單元，根據(jù)實(shí)時(shí)性傳輸要求，目前在不同控制主機(jī)之間、控制主機(jī)與保護(hù)設(shè)備之間的接口必須同時(shí)配置快速和慢速兩種通信方式[4]。

（1）快速通信：關(guān)聯(lián)緊密的雙極層、極層和換流器層控制保護(hù)主機(jī)之間可采用實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信（如南瑞繼保方案）（圖1）或高速控制總線（如許繼方案）（圖2），以滿足控制保護(hù)的實(shí)時(shí)性要求。

圖1 控制保護(hù)主機(jī)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信示意圖（南瑞繼保方案）

圖2 控制保護(hù)主機(jī)總線通信示意圖（許繼方案）

（2）慢速通信：換流站內(nèi)除實(shí)時(shí)性要求較高的信息以外，通常采用站層控制LAN方式進(jìn)行通信，站層控制LAN網(wǎng)用于主控單元之間以及主控單元與保護(hù)單元之間的通信，獨(dú)立于各主控單元/保護(hù)單元與各自I/O之間。

雙重化的光纖LAN網(wǎng)絡(luò)連接所有的保護(hù)控制設(shè)備，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)主要用于無功控制、主機(jī)間的輔助監(jiān)視和慢速的狀態(tài)信息交換，比如交流線路斷路器的狀態(tài)等。

1.4 就地層網(wǎng)絡(luò)

就地層網(wǎng)絡(luò)采用雙重化設(shè)計(jì)，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。就地層網(wǎng)絡(luò)主要指控制層設(shè)備與就地層設(shè)備互相通信，在邏輯單元中包括控制層設(shè)備與測量接口設(shè)備之間的通信、控制層設(shè)備與開關(guān)接口設(shè)備之間的通信兩部分。

1.4.1 控制層設(shè)備與測量接口設(shè)備之間的通信

目前國內(nèi)常見的控制層設(shè)備與測量設(shè)備互相通信大多以標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線通信方式為主。受直流控制保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)路線的差異等要素影響，目前常用的主要有IEC 60044-8總線（如南瑞繼保方案）（圖3）和時(shí)分多路TDM總線（如許繼方案）（圖4）[5]。

圖3 IEC 60044-8總線通信示意圖（南瑞繼保方案）

圖4 TDM總線通信示意圖（許繼方案）

1.4.2 控制層設(shè)備與開關(guān)接口設(shè)備之間的通信

控制層設(shè)備與開關(guān)接口設(shè)備之間通常采用標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡(luò)通信，目前常用的有現(xiàn)場LAN方式（如南瑞繼保方案）（圖5）、Profibus總線（如許繼方案）（圖6）、CAN總線方式（柜內(nèi)層間通信）。

圖5 現(xiàn)場控制LAN通信示意圖（南瑞繼保方案）

圖6 Profibus總線通信示意圖（許繼方案）

Profibus總線是歐洲規(guī)范EN 50170要求的標(biāo)準(zhǔn)總線，采用主從方式，通信速率可達(dá)12 Mb/s，接口采用雙絞線或光纖的型式。

許繼的HCM3000系統(tǒng)直流控制保護(hù)系統(tǒng)與現(xiàn)場開關(guān)設(shè)備的傳輸網(wǎng)絡(luò)通常采用的是Profibus總線方式[5]。

2 直流控制保護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置方案

目前主流控制保護(hù)系統(tǒng)采用IEC 61850規(guī)約與SCADA系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、就地控制系統(tǒng)通信。整個(gè)換流站的控制保護(hù)系統(tǒng)、工程師實(shí)驗(yàn)站、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、遠(yuǎn)動(dòng)工作站等都應(yīng)用冗余網(wǎng)口連接到SCADA LAN，再通過服務(wù)器與站LAN通信。SCADA LAN與站LAN采用星型結(jié)構(gòu)連接，采用完全冗余的A、B雙重化系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，LAN網(wǎng)絡(luò)與交換機(jī)均為冗余配置。

SCADA服務(wù)器通過站LAN網(wǎng)接收控制保護(hù)裝置發(fā)送的換流站監(jiān)視數(shù)據(jù)及事件/報(bào)警信息，同時(shí)接收SCADA LAN網(wǎng)運(yùn)行人員工作站發(fā)出的控制指令到相應(yīng)的控制保護(hù)主機(jī)。SCADA功能模塊將對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并同步到SCADA服務(wù)器和各OWS上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。各區(qū)域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置如表1～5所示。

表1 SCADA LAN與站LAN中心交換機(jī)配置表

表2 極1低端閥廳控制保護(hù)設(shè)備室站LAN網(wǎng)交換機(jī)配置表

表3 極2低端閥廳控制保護(hù)設(shè)備室站LAN網(wǎng)交換機(jī)配置表

表4 極1高端閥廳控制保護(hù)設(shè)備室站LAN網(wǎng)交換機(jī)配置表

表5 極2高端閥廳控制保護(hù)設(shè)備室站LAN網(wǎng)交換機(jī)配置表

交流繼電器室考慮遠(yuǎn)期規(guī)模及以往工程配置經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)繼電器室按各配置8臺(tái)交換機(jī)考慮，站用電配電裝置室開關(guān)柜就地布置2臺(tái)交換機(jī)。

3 結(jié)論

本文結(jié)合智能電網(wǎng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，研究論證某工程二次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分析換流站網(wǎng)絡(luò)配置原則，主要結(jié)論如下：

（1）換流站控制系統(tǒng)采用模塊化、分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備功能以及控制位置分為站控層、控制層和就地層三個(gè)層次，各分層之間以及同一分層內(nèi)的不同設(shè)備之間通過標(biāo)準(zhǔn)接口及網(wǎng)絡(luò)總線相連。

（2）目前特高壓換流站控保系統(tǒng)主要采用南瑞繼保的PCS9550系統(tǒng)和許繼的HCM3000系統(tǒng)，站LAN網(wǎng)采用DL/T 860標(biāo)準(zhǔn)，傳輸MMS報(bào)文，采用雙星型結(jié)構(gòu)，不同直流控保設(shè)備采用的主要通信方式如表6所示。

表6 不同直流控保設(shè)備采用的主要通信方式

通過分析各保護(hù)室設(shè)備布置，給出了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置方案，直流控保系統(tǒng)共布置20臺(tái)交換機(jī)，交流部分每個(gè)繼電器室布置8臺(tái)交換機(jī)，站用電開關(guān)柜布置2臺(tái)交換機(jī)。