廣域差動(dòng)保護(hù)建模與通信研究

李俊剛 王宏偉 魏 勇 狄軍峰 韓如月

（1.許繼電氣股份有限責(zé)任公司，河南 許昌 461000；2.河南電力設(shè)計(jì)院，鄭州 450007；3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，呼和浩特 010080）

電流差動(dòng)保護(hù)以其優(yōu)越的性能，被廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)、變壓器、線路、母線等諸多重要電氣設(shè)備的保護(hù)之中。對(duì)于電力系統(tǒng)的高壓、超高壓線路保護(hù)來說，電流差動(dòng)保護(hù)，原理簡(jiǎn)單可靠，具有天然的選相能力，保護(hù)靈敏度高且動(dòng)作速度快，能適應(yīng)電力系統(tǒng)振蕩、非全相運(yùn)行、雙回線跨線等各種復(fù)雜的故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)。

廣域差動(dòng)保護(hù)是在廣域通信的基礎(chǔ)上依據(jù)差動(dòng)保護(hù)原理[1-2]，運(yùn)用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建模，依賴電力系統(tǒng)多點(diǎn)信息，實(shí)現(xiàn)信息交換。對(duì)故障進(jìn)行快速、可靠、精確的切除，同時(shí)分析故障切除對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響，并采取相應(yīng)的控制措施，提高輸電線可用容量或系統(tǒng)可靠性。

將廣域差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)作為雙重化或多重化保護(hù)系統(tǒng)中的一重，二者并行、協(xié)同地工作，以進(jìn)一步提高繼電保護(hù)系統(tǒng)的性能，解決某些常規(guī)方法難以解決的問題，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)建堅(jiān)固的防線。

1 廣域差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)

廣域差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮到兩方面的要求：一方面要具有先進(jìn)的保護(hù)算法和功能強(qiáng)大的差動(dòng)保護(hù) IED；另一方面要具有高速、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，信息傳輸要滿足實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。只有同時(shí)具有上述兩個(gè)條件，廣域差動(dòng)保護(hù)才能確保保護(hù)任務(wù)的完成。

在目前，廣域通信系統(tǒng)主要有分布式與集中式兩種結(jié)構(gòu)。分布式結(jié)構(gòu)將保護(hù)和控制功能完全分散到各個(gè)IED中完成，它對(duì)終端IED的要求比較高，需要獨(dú)立完成信息的采集、通信、算法的執(zhí)行、策略的生成以及跳、合閘命令的執(zhí)行功能。分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受故障的影響較小，單個(gè)故障一般不會(huì)影響到整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的工作，在分布式結(jié)構(gòu)中，只要確定好信息交換的范圍，不會(huì)出現(xiàn)信息在之間多次往返的情況，因此通信延時(shí)不會(huì)較長(zhǎng)。分布式結(jié)構(gòu)適用于功能不復(fù)雜但對(duì)動(dòng)作延時(shí)有較高要求的場(chǎng)合。

集中式結(jié)構(gòu)中，保護(hù)中心具有強(qiáng)大的決策功能，這種結(jié)構(gòu)對(duì)保護(hù)中心的依賴程度非常的高，因此也需要對(duì)保護(hù)中心進(jìn)行雙機(jī)或多機(jī)備用配置，在這種結(jié)構(gòu)下，保護(hù)中心要通過通信系統(tǒng)獲取各終端設(shè)備的信息，做出決策后再由通信系統(tǒng)將控制命令下達(dá)到終端IED，由終端IED執(zhí)行決策命令。這樣如何控制好信息交換的延時(shí)就成為影響到廣域保護(hù)系統(tǒng)性能的重要因素[3]。

圖1 廣域差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)

依據(jù)廣域差動(dòng)保護(hù)的業(yè)務(wù)需求[4]，可以看出，分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常適合廣域差動(dòng)保護(hù)的需求，如圖1所示，能在實(shí)時(shí)性和安全性上給予保證。

2 廣域差動(dòng)保護(hù)功能與建模

2.1 廣域差動(dòng)保護(hù)功能

目前，已有一些學(xué)者對(duì)廣域電流差動(dòng)保護(hù)的算法進(jìn)行了研究[4]，得到了一些比較可行的成果。

然后，提出的廣域差動(dòng)保護(hù)原理基本都是基于以下步驟進(jìn)行：①同時(shí)對(duì)每個(gè)事先劃定好各自的保護(hù)區(qū)域，以便故障發(fā)生后與其它IED進(jìn)行有目的的信息交換；②對(duì)每個(gè)IED都列出其最大保護(hù)區(qū)域內(nèi)所包含的被保護(hù)設(shè)備線路與它的對(duì)應(yīng)關(guān)系表；③在所研究的IED內(nèi)部，將其他IED傳來的故障方向信息按對(duì)應(yīng)表中的關(guān)系進(jìn)行比較計(jì)算，確定出故障發(fā)生的區(qū)段。

基于這種設(shè)計(jì)思想,在電力系統(tǒng)故障時(shí),故障點(diǎn)鄰近的所有都能夠確切地判斷出故障點(diǎn)所在的位置，然后根據(jù)預(yù)定的邏輯執(zhí)行相應(yīng)的操作。為增加故障方向元件輸出的可靠性，在每個(gè)IED中可采用多種原理的故障方向判斷算法。而本文目的并不在此，而把著重點(diǎn)放在基于此種差動(dòng)保護(hù)原理的建模與基于廣域的IEC61850通信服務(wù)模式研究。

2.2 廣域差動(dòng)保護(hù)建模

基于上述廣域差動(dòng)保護(hù)原理，信息交換機(jī)制主要依賴于準(zhǔn)確定義的信息模型[5-6]。這些信息模型和建模方法是IEC61850的核心。能否對(duì)IED模型進(jìn)行確切、有效的定義是能否對(duì)外提供標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)的關(guān)鍵。

廣域差動(dòng)保護(hù)主要對(duì)電力參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、通信、計(jì)算，其主要包括以下指標(biāo)：電壓、電流實(shí)時(shí)量測(cè)量與計(jì)算、斷路器狀態(tài)獲取、采樣值傳送，廣域差動(dòng)保護(hù)運(yùn)算。因此對(duì)應(yīng)不同的功能需求選擇相應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)。

每個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)由具有特定數(shù)據(jù)屬性的數(shù)據(jù)組成，數(shù)據(jù)具有結(jié)構(gòu)和定義好的語義，包含在具有專門數(shù)據(jù)屬性的數(shù)據(jù)表中。數(shù)據(jù)對(duì)象模型由邏輯設(shè)備名、邏輯節(jié)點(diǎn)名、數(shù)據(jù)名、數(shù)據(jù)屬性名描述。其中，以下節(jié)點(diǎn)可以用于描述廣域差動(dòng)保護(hù)裝置的相應(yīng)信息。

1）通信邏輯節(jié)點(diǎn)（ITPC），ITPC包含了全部的溝通渠道信息設(shè)置和監(jiān)督。ITPC不直接處理信息。因此,它不含接收和輸出的數(shù)據(jù)，而且它沒有可操作的數(shù)據(jù)對(duì)象。

2）相量測(cè)量邏輯節(jié)點(diǎn)（RMXU），RMXU這個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)用于提供本地相量值，用于差動(dòng)保護(hù)功能。RMXU和邏輯節(jié)點(diǎn)PDIF一起構(gòu)成了差動(dòng)保護(hù)的核心功能模型。

3）差動(dòng)保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)（PDIF），PDIF邏輯節(jié)點(diǎn)適用于各種各樣的電流差動(dòng)保護(hù)。對(duì)于簡(jiǎn)單的廣域線路差動(dòng)保護(hù)來說，此節(jié)點(diǎn)是比較合適的選擇。

4）保護(hù)跳閘合成邏輯節(jié)點(diǎn)（PTRC），PTRC節(jié)點(diǎn)用于連接多個(gè)保護(hù)功能的跳閘，對(duì)保護(hù)功能結(jié)合起來，進(jìn)而判斷后對(duì)XCBR進(jìn)行操作。

5）廣域電流差動(dòng)保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)是一種新型的保護(hù)形式，在最新版IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中，還未對(duì)此邏輯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定義，當(dāng)已有部分文獻(xiàn)依據(jù)IEC61850邏輯節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)充原則，對(duì)此進(jìn)行嘗試。本文就采用文獻(xiàn)[5]所提出的方式，擴(kuò)充廣域差動(dòng)保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)PWADIF。與差動(dòng)保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)(PDIF)相比，PWADIF還包含失靈保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)RBRF的所有數(shù)據(jù)。

在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中，并沒有規(guī)定邏輯設(shè)備的類型，因此，在考慮廣域差動(dòng)保護(hù)裝置的邏輯設(shè)備建模時(shí)有很強(qiáng)的靈活性。

圖2 系統(tǒng)模型圖

統(tǒng)一的數(shù)據(jù)對(duì)象模型可保證不同設(shè)備之間的互相理解、交換信息和協(xié)同操作。在完成LN的建模后，就可以將廣域差動(dòng)保護(hù)裝置的測(cè)量、參數(shù)定值一一對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)下的數(shù)據(jù)對(duì)象中。廣域差動(dòng)保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯功能如圖2所示，多個(gè)廣域差動(dòng)保護(hù)裝置相配合，

3 IEC61850通信服務(wù)模塊

按 OSI（Open Source Initiative）標(biāo)準(zhǔn)建立的廣域保護(hù)系統(tǒng)通信模型和采用的相關(guān)協(xié)議如圖 3所示。報(bào)文傳輸?shù)目煽啃钥扛鲗油ㄐ艆f(xié)議來保證。

圖3 廣域保護(hù)系統(tǒng)通信模型

如圖3所示，物理層采用以SDH光纖環(huán)網(wǎng)，數(shù)據(jù)鏈路層采用ATM技術(shù)。工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)常用的總線型網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）的傳輸通道都是共享的，通道共享就難免產(chǎn)生沖突，因此，在鏈路層上采用CSMA/CD（帶沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問）協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)上的某個(gè)節(jié)點(diǎn)只有確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)空閑之后才能發(fā)送信息，如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)幾乎同時(shí)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)空閑并發(fā)送信息，則產(chǎn)生沖突。檢測(cè)到?jīng)_突的發(fā)送信息的節(jié)點(diǎn)必須采用某種算法來確定延時(shí)長(zhǎng)短，延時(shí)結(jié)束后重復(fù)上述過程再試圖發(fā)送。要在鏈路層上保證報(bào)文傳輸?shù)目煽啃?，必須減小各發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的沖突，控制好每段網(wǎng)絡(luò)所帶節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。TCP/IP 協(xié)議是目前應(yīng)用最廣泛的協(xié)議之一。TCP 是傳輸控制層協(xié)議，IP 是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議.

廣域電力通信系統(tǒng)對(duì)廣域差動(dòng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用，但限于通信系統(tǒng)現(xiàn)狀，廣域通信和局域通信有著顯著的區(qū)別[7]，應(yīng)該考慮相應(yīng)的通信模式。

4 廣域通信模式

在目前的廣域通信基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)廣域通信能實(shí)現(xiàn)地址過濾等通信要求，可以對(duì)基于隧道技術(shù)的直接連接方式和與基于網(wǎng)關(guān)代理的間接連接方式進(jìn)行分析，從而得出比較可行廣域 IEC61850的通信模式。

4.1 隧道技術(shù)模式

隧道技術(shù)[8]是一種通過使用公共互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)據(jù)的方式。隧道技術(shù)將其它協(xié)議的數(shù)據(jù)幀重新封裝然后通過隧道發(fā)送。新的幀頭提供路由信息，以便通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞被封裝的負(fù)載數(shù)據(jù)。隧道技術(shù)能夠使來自多個(gè)信息源的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)在同一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施中通過不同的隧道進(jìn)行傳輸。隧道技術(shù)使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議代替了交換連接，如圖4通過路由網(wǎng)絡(luò)來連接數(shù)據(jù)地址。

圖4 隧道協(xié)議

廣域差動(dòng)系統(tǒng)中，在帶寬允許的情況下，多個(gè)變電站局域網(wǎng)信息可以在隧道技術(shù)的基礎(chǔ)上達(dá)到直接連接的效果，通信網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)地址過濾等局域網(wǎng)操作，從而實(shí)現(xiàn)信息的相互交換，保證IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通信在廣域網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)現(xiàn)。

圖5 系統(tǒng)示意圖

如圖5所示，廣域差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)中，變電站A與變電站B需要進(jìn)行信息交換，不管是GOOSE信息還是 SV信息，經(jīng)過隧道技術(shù)封裝，均可入本局域網(wǎng)信息一樣呈現(xiàn)在對(duì)側(cè)變電站內(nèi)，同時(shí)借助VLAN技術(shù)，在多個(gè)變電站內(nèi)廣域差動(dòng)保護(hù)裝置劃分虛擬網(wǎng)絡(luò)，保障信息的有效傳送，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)廣域范圍內(nèi)的保護(hù)信息通信。兩個(gè)孤立的變電站可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)通信的效果。

4.2 網(wǎng)關(guān)代理模式

基于代理網(wǎng)關(guān)方式的變電站間通信的配置與隧道技術(shù)的直連方式變電站間通信有所不同，代理網(wǎng)關(guān)隱藏了對(duì)側(cè)變電站及變電站間的通信，代理網(wǎng)關(guān)是對(duì)側(cè)變電站需要數(shù)據(jù)的映射，映射了對(duì)側(cè)變電站需要交換數(shù)據(jù)的所有邏輯設(shè)備和邏輯節(jié)點(diǎn)。從變電站內(nèi)看，代理網(wǎng)關(guān)就是站內(nèi)的一個(gè)完整 IED，包括邏輯節(jié)點(diǎn)LPHD，還應(yīng)該包括邏輯節(jié)點(diǎn)ITPC監(jiān)視網(wǎng)關(guān)與對(duì)側(cè)變電站網(wǎng)關(guān)的通信。通過和代理網(wǎng)關(guān)交換數(shù)據(jù)就可以完成所有的變電站之間的保護(hù)功能，而不需要關(guān)心通信問題。所以，網(wǎng)關(guān)的模型及數(shù)據(jù)文件是關(guān)鍵，實(shí)際的工程中需要實(shí)現(xiàn)的功能不同，網(wǎng)關(guān)配置文件應(yīng)該根據(jù)實(shí)際工程的需要配置。

圖6 網(wǎng)關(guān)代理模式

在廣域差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)中，變電站節(jié)點(diǎn)之間的通信，網(wǎng)關(guān)代理是一種可行的方式[9]。依據(jù)廣域差動(dòng)保護(hù)的業(yè)務(wù)需求，廣域節(jié)點(diǎn)之間通信需要傳遞采樣值、狀態(tài)信息以及控制信息，不同的信息，在網(wǎng)關(guān)代理配置中要做相應(yīng)的處理。例如，針對(duì) GOOSE報(bào)文的重發(fā)機(jī)制，應(yīng)避免廣域網(wǎng)絡(luò)中充斥大量的GOOSE報(bào)文。如圖6所示，變電站A的廣域差動(dòng)保護(hù)IED向變電站B發(fā)送GOOSE信息時(shí)，網(wǎng)關(guān)代理 A，通過對(duì) GOOSE報(bào)文進(jìn)行解析，可以以私有方式將狀態(tài)信息發(fā)送至網(wǎng)關(guān)代理 B，而網(wǎng)關(guān)代理 B將會(huì)依據(jù)配置信息，對(duì)接收的信息進(jìn)行重新組織，這樣，對(duì)于保護(hù)裝置B而言，廣域差動(dòng)保護(hù)裝置A的信息將會(huì)在網(wǎng)關(guān)代理B上重現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置A與保護(hù)裝置B之間的通信，降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的同時(shí)，滿足廣域差動(dòng)保護(hù)的需求。

4.3 通信模式的比較

廣域變電站之間通信的模型如圖7所示，隧道技術(shù)模式和網(wǎng)關(guān)代理通信模式的主要區(qū)別在基于網(wǎng)關(guān)代理的“間接連接”模式存在代理邏輯節(jié)點(diǎn)（圖中虛線框中的邏輯節(jié)點(diǎn)）。并且，通信模型的原理是通信信道的監(jiān)視和自身的邏輯功能分開，使用通信接口邏輯節(jié)點(diǎn) ITPC監(jiān)視通信狀態(tài)，該邏輯節(jié)點(diǎn)屬性包含了通信通道定值、狀態(tài)等信息，不包含變電站間通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。這樣能多廣域通信進(jìn)行有效地監(jiān)控。

圖7 廣域通信模型

其次，兩種通信模式在應(yīng)用上的差異如下：

（1）帶寬的要求。在帶寬富裕的情況下，才能采用基于隧道技術(shù)的通信模式，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)變電站通信的直接連接，

（2）配置的要求?；谒淼兰夹g(shù)的通信模式，配置過后即使通信內(nèi)容改變，通信仍可繼續(xù)進(jìn)行；但是網(wǎng)關(guān)代理模式通信內(nèi)容改變，必須重新配置。

（3）報(bào)文的處理?；谒淼兰夹g(shù)的通信模式，不會(huì)對(duì)報(bào)文進(jìn)行解析，通信時(shí)，只需依據(jù)隧道技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理，在報(bào)文添加相應(yīng)的隧道協(xié)議信息，但是網(wǎng)關(guān)代理模式，必須對(duì)報(bào)文進(jìn)行解析，依據(jù)制定通信規(guī)范，在廣域通信時(shí)對(duì)信息內(nèi)容進(jìn)行私有模式的傳輸。

而當(dāng)前，電力系統(tǒng)大多以SDH光纖環(huán)網(wǎng)作為主干網(wǎng)，同時(shí)要滿足電力系統(tǒng)多項(xiàng)業(yè)務(wù)通信需求。因此，能提供給廣域差動(dòng)保護(hù)的通信帶寬往往有限。對(duì)于基于隧道模式的通信模式會(huì)是一個(gè)較為困難的問題。所以在比較隧道技術(shù)和網(wǎng)關(guān)代理的基礎(chǔ)上，可以得出網(wǎng)關(guān)代理是一種比較合適的廣域通信模式，它能在一定程度上緩解網(wǎng)絡(luò)帶寬帶來的限制，并且從技術(shù)手段上更容易實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)論

在上述分析的基礎(chǔ)上，基于現(xiàn)有的SDH廣域電力通信網(wǎng)絡(luò)，如何能滿足廣域差動(dòng)保護(hù)對(duì)通信系統(tǒng)苛刻的實(shí)時(shí)性和安全性的要求，如何在廣域通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)基于 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的信息傳送是一項(xiàng)十分有意義的工作。本文所述的基于 IEC61850的廣域差動(dòng)保護(hù)就是在這一前提下，依據(jù)保護(hù)功能進(jìn)行建模，同時(shí)考慮廣域系統(tǒng)中的信息通信模式，提出在目前廣域通信技術(shù)手段下，如何采用網(wǎng)關(guān)代理通信模式，對(duì)在今后廣域保護(hù)裝置的研發(fā)以及通信具有良好的啟示作用。

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