基于保護獨立和信息共享的變電站通信結(jié)構(gòu)

徐 科，陳玉濤，張勝祥，黃 毅，楊曉靜

（1.天津市電力公司，天津300010；2.天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津300072；3.國家電力調(diào)度控制中心，北京100031）

目前，電網(wǎng)已經(jīng)往智能化方向發(fā)展，要求電網(wǎng)具備信息化、自動化、互動化，相應(yīng)的變電站也應(yīng)發(fā)展為智能變電站。

智能變電站是在傳統(tǒng)綜自變電站和數(shù)字化變電站基礎(chǔ)上的進一步提升。從綜自變電站到數(shù)字化變電站，再到智能變電站，通信在變電站中的作用日以增強。IEC61850標準將通信引入了一次設(shè)備和二次設(shè)備的過程之間，引起了變電站自動化系統(tǒng)的巨大變化［1～3］。

IEC61850標準規(guī)定全站設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)進行通信，最終推薦全站設(shè)備組成一個網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)通信代替?zhèn)鹘y(tǒng)裝置間的電纜連線，最大優(yōu)點在于信息共享，可以大大簡化全站設(shè)備和系統(tǒng)，實現(xiàn)全站信息標準化和實時監(jiān)視；但網(wǎng)絡(luò)的主要問題在于將全站設(shè)備綁定在一起，降低了變電站間隔設(shè)備（尤其是繼電保護設(shè)備）運行的獨立性，使變電站的運行維護較為困難。

我國繼電保護設(shè)備和回路系統(tǒng)一直按照間隔獨立設(shè)計。電網(wǎng)長期運行實踐表明，繼電保護獨立運行最大程度地保證繼電保護的可靠性和安全性、是從根本上解決因單一設(shè)備或回路故障影響大電網(wǎng)安全運行的有效措施。

文獻［4］提出了繼電保護設(shè)備通過點對點通信直接采樣直接跳閘和不依賴于外部對時系統(tǒng)的規(guī)范，避免了網(wǎng)絡(luò)帶來的保護設(shè)備不獨立問題，大大提高了繼電保護設(shè)備的安全性和可靠性；但保護功能未完全獨立于網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)較為復(fù)雜。

現(xiàn)有的變電站通信結(jié)構(gòu)未能將保護功能和網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)有效解耦，信息共享和保護獨立運行是變電站通信應(yīng)用中的一對矛盾。本文將提出基于保護獨立和信息共享的變電站通信結(jié)構(gòu)，對全站通信結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，使繼電保護功能間隔自治、完全獨立于網(wǎng)絡(luò)；并同時實現(xiàn)保護信息的完全共享，實現(xiàn)全站信息的共享和監(jiān)視。

1 變電站通信整體結(jié)構(gòu)和原則

1.1 變電站通信物理結(jié)構(gòu)

本文提出的通信結(jié)構(gòu)仍然遵循IEC61850標準的三層設(shè)備結(jié)構(gòu)，將變電站分為站控層、間隔層和過程層設(shè)備，站控層和間隔層設(shè)備之間的通信為站控層通信，間隔層和過程層設(shè)備之間的通信為過程層通信［5］。

本文的物理通信結(jié)構(gòu)采用效果良好的點對點和星型結(jié)構(gòu)［6］。站控層通信與現(xiàn)有的站控層通信相同，本文的研究主要針對過程層通信。

1.2 設(shè)備集成方案

目前智能變電站的直采直跳點對點通信結(jié)構(gòu)中，合并單元和智能終端分別配置，采樣光纖和跳合閘光纖分開布置，站內(nèi)通信光纖數(shù)量較多，系統(tǒng)較為復(fù)雜。

本文提出將合并單元和智能終端集成，作為間隔一次設(shè)備的統(tǒng)一過程接口，仍稱作智能終端，同時采樣光纖和跳合閘光纖合并為一根光纖。具有如下優(yōu)點：

（1）變電站結(jié)構(gòu)更加清晰。將合并單元和智能終端集成作為間隔一次設(shè)備的統(tǒng)一過程接口。

（2）簡化了站內(nèi)通信系統(tǒng)。比現(xiàn)有的直采直跳點對點通信系統(tǒng)節(jié)省了約一半光纖。

（3）提高了保護系統(tǒng)的可靠性。將繼電保護系統(tǒng)簡化為智能終端、1根點對點光纖和繼電保護裝置，減少了故障點。

（4）簡化了設(shè)備功能實現(xiàn)。集成后的智能終端可以直接采集母線電壓信號和刀閘位置，實現(xiàn)電壓切換功能，簡化了電壓切換方案。

1.3 設(shè)備配置方案

220kV及以上電壓每個間隔配置雙重化繼電保護設(shè)備和智能終端，110kV及以下電壓每個間隔配置一個繼電保護設(shè)備和智能終端，主變保護雙重化配置、各側(cè)間隔配置兩個智能終端［7～9］。

2 相關(guān)設(shè)備的通信接口設(shè)計

為了實現(xiàn)保護設(shè)備的獨立和全站信息的共享，本文提出將設(shè)備的通信接口分為站域信息接口、保護功能接口和過程信息接口，三種通信接口采用不同的通信控制器，在物理上完全隔離。下文將針對不同的設(shè)備分別進行闡述。

2.1 繼電保護設(shè)備的通信接口設(shè)計

繼電保護設(shè)備的通信接口定義如圖1所示。

（1）保護功能接口

用于實現(xiàn)保護功能的通信接口。應(yīng)采用點對點方式與對應(yīng)的智能終端連接，傳輸實現(xiàn)保護功能需要的各類信息（采樣值、跳閘、斷路器位置、隔離開關(guān)位置、啟動和閉鎖等）。

（2）過程信息接口

用于實現(xiàn)過程信息傳輸?shù)耐ㄐ沤涌?，?yīng)采用網(wǎng)絡(luò)方式與過程層網(wǎng)絡(luò)連接，宜具有IEC61588網(wǎng)絡(luò)對時功能。該接口除接收IEC61588的對時信息外，不接收其他信息僅發(fā)送信息。通過信息映射技術(shù)將所有保護功能接口的信息映射過來發(fā)送到過程層網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)保護功能接口信息的共享和監(jiān)視。當(dāng)保護功能網(wǎng)口失效時，再開啟該接口的接收功能，實現(xiàn)保護功能備用。

（3）站域信息接口

用于實現(xiàn)站域信息傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)接口。應(yīng)采用網(wǎng)絡(luò)連接與站控層網(wǎng)絡(luò)連接，傳輸與后臺通信的各類信息。

圖1 繼電保護設(shè)備的通信接口Fig.1 Communication interface of relay protection device

2.2 測控、錄波等設(shè)備的通信接口設(shè)計

測控、錄波等設(shè)備的重要程度相對低于繼電保護設(shè)備，因此無需保證其獨立性，將測控、錄波等設(shè)備通信接口如圖2所示，分為過程信息接口和站域功能接口。

（1）過程信息接口

通過網(wǎng)絡(luò)方式與過程層網(wǎng)絡(luò)連接，與智能終端和其他間隔層設(shè)備交換信息（采樣值信息、保護動作信息、四遙信息等），宜具有IEC61588網(wǎng)絡(luò)對時功能。

（2）站域信息接口

與保護設(shè)備的站域信息接口功能類似，應(yīng)采用網(wǎng)絡(luò)方式與站控層網(wǎng)絡(luò)連接。

圖2 測控錄波裝置的通信接口Fig.2 Communication interface of measurement and control device

2.3 智能終端的通信接口設(shè)計

智能終端不直接連接站控層設(shè)備，通信接口分為保護功能接口和過程信息接口，如圖3所示。

（1）保護功能接口

僅實現(xiàn)保護功能，應(yīng)采用點對點方式與對應(yīng)間隔的保護設(shè)備連接。傳輸實現(xiàn)保護功能需要的各類信息（采樣值、跳閘、斷路器位置、隔離開關(guān)位置、啟動和閉鎖等）。

（2）過程信息接口

應(yīng)采用網(wǎng)絡(luò)方式與過程層網(wǎng)絡(luò)連接，宜具有IEC61588網(wǎng)絡(luò)對時功能。正常工作時傳輸與保護功能無關(guān)的信息，將相關(guān)采樣值和四遙信息傳輸給測控、錄波器、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視儀等裝置。該接口應(yīng)能將所有保護功能接口的信息映射過來，以實現(xiàn)保護功能接口信息的監(jiān)視。當(dāng)保護功能網(wǎng)口失效時，再開啟該接口的接收功能，實現(xiàn)保護功能備用。

圖3 智能終端的通信接口Fig.3 Communication interface of smart termination

3 保護設(shè)備信息交互技術(shù)

物理結(jié)構(gòu)是通信的外在表現(xiàn)，而信息處理則是通信的內(nèi)涵所在，對于通信實現(xiàn)有著重要的作用。

點對點通信僅保證了保護設(shè)備在物理連接上的獨立性，目前跨間隔保護設(shè)備間的信息交互仍通過過程層網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，還無法保證保護設(shè)備在邏輯連接上的獨立性。為了解決這一問題，本文提出過程信息服務(wù)器技術(shù)。

過程信息服務(wù)器技術(shù)是指利用某一設(shè)備作為過程層的信息服務(wù)器，保護設(shè)備之間的信息交互通過該服務(wù)器實現(xiàn)。過程信息服務(wù)器應(yīng)選取現(xiàn)有設(shè)備，盡量不增加光纖連線。

由于智能終端與保護設(shè)備是點對點連接，且同一個智能終端會連接多個保護設(shè)備，因此將智能終端作為過程信息服務(wù)器是較為合適的。以220kV線路保護動作啟動母差失靈保護為例，說明過程信息服務(wù)器的實現(xiàn)方式如圖4所示。

圖4 過程信息服務(wù)器實現(xiàn)方式Fig.4 Realizing method of process information server

智能終端通過保護功能接口1連接線路保護實現(xiàn)線路保護的功能，通過保護功能接口2連接母差保護實現(xiàn)母差保護的功能。當(dāng)智能終端從保護功能接口1接收到線路保護跳閘命令后，對該命令進行分析處理后，從保護功能接口2給母差保護發(fā)送啟失靈命令，從而實現(xiàn)了線路保護啟動母差失靈這一功能。

該技術(shù)工程應(yīng)用時具體可以采用以下三種實現(xiàn)方式：

（1）透明轉(zhuǎn)發(fā)

智能終端對接收到的報文不做解析，直接轉(zhuǎn)發(fā)。該方式實現(xiàn)簡單、轉(zhuǎn)發(fā)時間快，但需要報文中增加相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)信息和增加不必要的通信流量。

（2）解析轉(zhuǎn)發(fā)

智能終端對接收到的報文進行解析，解析出相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)信息進行轉(zhuǎn)發(fā)。該方式不增加通信流量、不需在報文中增加轉(zhuǎn)發(fā)信息，但實現(xiàn)較為復(fù)雜、不能靈活配置。

（3）開入接點轉(zhuǎn)發(fā)

智能終端對接收到的報文動作出口繼電器，將出口繼電器的動作接點作為智能終端的開入信息進行采集轉(zhuǎn)發(fā)。該方式配置靈活、不增加網(wǎng)絡(luò)流量，但轉(zhuǎn)發(fā)時間較長。

該方法充分利用現(xiàn)有設(shè)備和光纖，不增加復(fù)雜性，同時保證了保護設(shè)備的邏輯獨立性。

4 變電站典型通信結(jié)構(gòu)

根據(jù)上文的描述，本文提出的通信結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 220kV線路保護間隔通信結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Communication structure of 220kV bay

圖5描述了典型的220kV線路間隔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。線路保護雙重化配置，對應(yīng)的智能終端也雙重化配置。線路保護A通過保護功能接口點對點連接到智能終端A，通過過程信息接口連接到過程層A網(wǎng)，線路保護B的連接與線路保護A相同，兩套保護及外部連接物理上均獨立。過程層網(wǎng)絡(luò)為SV／GOOSE／1588三網(wǎng)合一設(shè)計。

線路保護的保護功能接口接收智能終端上送的電流、電壓交流信息和開關(guān)跳位、閉鎖重合閘等開入開出信息，發(fā)送跳合閘命令給智能終端。線路保護的過程信息接口將保護功能接口對外發(fā)送的數(shù)據(jù)映射過來并發(fā)送到過程層網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)保護設(shè)備對外發(fā)送數(shù)據(jù)的監(jiān)視。正常情況下保護設(shè)備的過程信息接口不接收過程層網(wǎng)絡(luò)上的交流量和開入信息。

智能終端的保護功能接口接收保護下發(fā)的跳合閘命令，并將電流、電壓交流量和開關(guān)跳位、閉鎖重合閘等開入開出量發(fā)送給保護設(shè)備。智能終端的過程信息接口將其保護功能接口對外發(fā)送的數(shù)據(jù)映射過來并發(fā)送到過程網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)智能終端對外發(fā)送數(shù)據(jù)的監(jiān)視。正常情況下過程信息接口不接收過程層網(wǎng)絡(luò)上的開入信息。智能終端通過過程信息服務(wù)器技術(shù)實現(xiàn)線路保護啟動母差失靈功能。當(dāng)保護設(shè)備和智能終端的保護功能接口故障時，再開啟過程信息接口的接收功能，以實現(xiàn)保護功能接口的備用。

(2)實踐體驗階段.教師主要做的工作是引導(dǎo)學(xué)生進行分組.學(xué)生以小組為單位合作搜集相關(guān)數(shù)據(jù)和資料，獲得資料的途徑有很多，可以通過實驗獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，通過觀察或者從書本、網(wǎng)絡(luò)等途徑獲得所需資料；然后根據(jù)問題需要來分析和處理這些數(shù)據(jù)和資料；通過歸納分析或者相互質(zhì)疑、討論和交流來形成問 題的初步論證或結(jié)論.在這一階段Moodle平臺不僅給學(xué)習(xí)者提供一個豐富的探究問題的資源環(huán)境，還給學(xué)習(xí)者之間提供了互相交流、討論以及教師實時給予學(xué)生提示和指導(dǎo)的交互式環(huán)境.

圖6描述了典型的110kV線路間隔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。與220kV間隔不同，110kV單重化配置，保護和測控一體化設(shè)計。線路保護通過保護功能接口點對點連接到智能終端，通過過程信息接口連接到過程層網(wǎng)。過程層網(wǎng)絡(luò)為SV／GOOSE／1588三網(wǎng)合一設(shè)計。

保護功能接口和過程信息接口的工作方式與圖5完全相同，不再贅述。

圖6 110kV線路保護間隔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Communication structure of 110kV bay

主變保護以及其他保護和安全自動裝置的網(wǎng)絡(luò)連接與圖5和圖6類似，也不再贅述。

5 工程應(yīng)用難點分析

結(jié)合國內(nèi)已實施的數(shù)字化和智能變電站方案，下面對本文提出的變電站通信結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中的幾個難點進行分析。

5.1 過程層網(wǎng)絡(luò)流量和通信帶寬分析

SV目前采樣速率一般采樣每周波80點，按照每幀報文250字節(jié)計算，單間隔的流量為

（1）式中8為字節(jié)位數(shù)，50為電網(wǎng)頻率。

正常工作的GOOSE報文流量很小，主要考慮突發(fā)事件的情況。按照每幀GOOSE報文300字節(jié)和最小重發(fā)時間2ms計算，單間隔最大流量為

（2）式中500為GOOSE報文發(fā)送頻率?；谝陨戏治?，當(dāng)變電站接入過程層網(wǎng)絡(luò)的間隔小于10個時，可采用100Mb／s帶寬。當(dāng)變電站接入過程層網(wǎng)絡(luò)的間隔大于10個時，應(yīng)采用1000Mb／s帶寬；如采用100Mb／s帶寬，應(yīng)增加相應(yīng)設(shè)備（如錄波器）的過程信息接口和合理劃分物理子網(wǎng)或虛擬子網(wǎng)（利用VLAN和GMRP技術(shù)）［10］。

5.2 1588應(yīng)用分析

1588網(wǎng)絡(luò)對時協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)通信回路實現(xiàn)硬件級的高精度對時功能，省去了另外敷設(shè)對時線纜的需要。但目前1588網(wǎng)絡(luò)對時功能應(yīng)用尚不成熟，增加了設(shè)備的復(fù)雜度，成本較高。從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，可先采用B碼對時方式，待條件成熟時再采用1588網(wǎng)絡(luò)對時功能。

5.3 過程信息服務(wù)器技術(shù)應(yīng)用分析

6 結(jié)語

本文提出的變電站通信結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點：

（1）簡化了變電站通信系統(tǒng)

將合并單元和智能終端進行集成，直采直跳通過一根光纖實現(xiàn)，相比現(xiàn)有直采直跳通過兩根光纖實現(xiàn)，通信系統(tǒng)可簡化一半。

（2）實現(xiàn)了保護設(shè)備物理連接上的獨立性

將裝置的接口分為站域信息接口、保護功能接口和過程信息接口，分別通過點對點連接保護功能接口、網(wǎng)絡(luò)連接過程信息接口和站域信息接口，實現(xiàn)了保護設(shè)備物理連接上的獨立性。

（3）實現(xiàn)了保護設(shè)備保護功能的完全獨立性

提出在智能終端內(nèi)采用過程信息服務(wù)器技術(shù)，使保護功能完全獨立于過程層網(wǎng)絡(luò)。

（4）實現(xiàn)了保護功能數(shù)據(jù)的共享和監(jiān)視

過程信息接口通過映射技術(shù)將所有保護功能接口對外發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到過程層網(wǎng)絡(luò)上，從而實現(xiàn)了保護功能數(shù)據(jù)的共享和監(jiān)視，為繼電保護的故障診斷提供了堅實的基礎(chǔ)。

本文提出的變電站通信結(jié)構(gòu)兼顧了保護獨立和網(wǎng)絡(luò)信息共享兩方面的優(yōu)勢，是一種較好的變電站通信結(jié)構(gòu)，需要在工程實踐進一步完善和細化。

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