一種實(shí)用的IEC61850過(guò)程總線結(jié)構(gòu)分析

陽(yáng)林峰，荀吉輝，薛瑋，李大公

(1.湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410004;2.湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410007)

IEC61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)在世界各地已得到大量推廣，是智能變電站應(yīng)用的基礎(chǔ)〔1〕。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中采樣值傳輸采用過(guò)程總線的方式?，F(xiàn)有的過(guò)程總線結(jié)構(gòu)為IEC61850－9－2組網(wǎng)方式〔2〕，達(dá)到采樣數(shù)據(jù)的信息共享。然而實(shí)際應(yīng)用中由于數(shù)據(jù)流量、合適的結(jié)構(gòu)體系、可靠性、時(shí)間同步、數(shù)據(jù)共享、可維護(hù)性、可測(cè)試性、可升級(jí)性等一系列問(wèn)題，采用組網(wǎng)方式傳輸數(shù)據(jù)的模式還在進(jìn)一步的探討實(shí)踐之中，不宜大規(guī)模推廣應(yīng)用。

本文提出了一個(gè)實(shí)用的過(guò)程總線結(jié)構(gòu)體系，此結(jié)構(gòu)符合IEC61850－9－2標(biāo)準(zhǔn)并基于變電站拓?fù)湟?guī)律，適用于變電站的保護(hù)和控制，能較好地解決數(shù)據(jù)共享和交流輸入采樣同步這兩大關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

1 現(xiàn)有的過(guò)程總線結(jié)構(gòu)

目前常用的IEC61850－9－2組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示〔3〕，合并單元 (MU)采集TA，TV和開(kāi)關(guān)量狀態(tài)信息并進(jìn)行數(shù)字化處理，合并單元 (MU)的數(shù)據(jù)通過(guò)交換機(jī)組成以太網(wǎng)，光纖傳輸?shù)絀ED。MU要求每周波采樣80個(gè)點(diǎn)用于保護(hù)，每周波采樣256個(gè)點(diǎn)用于電力質(zhì)量或高分辨錄波〔4〕。

圖1 過(guò)程總線組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

這種采樣值數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)共享化的方式所面臨的第一大問(wèn)題是數(shù)據(jù)共享引起的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)流量問(wèn)題，IEC61850－9－2和GOOSE報(bào)文編碼格式非常復(fù)雜，解碼計(jì)算量大，實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)信息量龐大，尤其母差、變壓器保護(hù)等需接收多個(gè)合并單報(bào)文的IED，所要求的處理能力非常高。處理不當(dāng)，則會(huì)出現(xiàn)電流或電壓數(shù)據(jù)信息延時(shí)、堵塞或丟失的情況，這對(duì)于繼電保護(hù)來(lái)說(shuō)是不能接受的。一般變電站若少于20個(gè)IED，通過(guò)合理的優(yōu)化可以避免上述情況發(fā)生，但對(duì)于一些大型的變電站IED超過(guò)50個(gè)，上述問(wèn)題會(huì)變得較為突出。

第二大問(wèn)題是時(shí)間同步，包括同一站內(nèi)不同間隔MU的同步、線路兩側(cè)不同站的MU同步等問(wèn)題。如差動(dòng)保護(hù)需要接收多個(gè)MU的數(shù)據(jù)，同步誤差要求1μs以內(nèi)。目前常見(jiàn)的做法是通過(guò)時(shí)鐘源裝置的PPS給MU對(duì)時(shí)，雖然能滿足同步誤差1μs的要求，但保護(hù)的可靠性嚴(yán)重依賴于第三方設(shè)備時(shí)鐘源裝置，運(yùn)行存在一定的不安全因素。

2 實(shí)用的過(guò)程總線結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本文推薦的結(jié)構(gòu)體系如圖2所示，合并單元(MU)采集相關(guān)信息，通過(guò)獨(dú)立數(shù)字內(nèi)核的設(shè)計(jì)及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接用光纜將信號(hào)傳輸?shù)礁鞅Ｗo(hù)裝置IED〔5〕。

圖2 實(shí)用的過(guò)程總線結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)體系的元件包括安裝在一次設(shè)備附近的合并單元 (MU)、光纜、擔(dān)當(dāng)合并單元 (MU)與IED之間聯(lián)系的交叉連接板及IED，特點(diǎn)如下:

合并單元 (MU)的信號(hào)，包括來(lái)自TA/TV的交流電流電壓、斷路器狀態(tài)和控制信號(hào)、刀閘狀態(tài)和控制信號(hào)、溫度和壓力等等。合并單元 (MU)可以露天安裝，用于嚴(yán)酷的環(huán)境，包括極端氣溫、振動(dòng)、電磁場(chǎng)、陽(yáng)光輻射、高壓沖洗以及暴露在鹽堿及其他化學(xué)物質(zhì)環(huán)境中。每個(gè)合并單元 (MU)包含4個(gè)微處理器控制的數(shù)字內(nèi)核，對(duì)每個(gè)IED都有專門(mén)的光纖提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊。采樣值通訊遵循IEC61850－9－2規(guī)約，GOOSE通訊遵循IEC61850－8－1規(guī)約。這些數(shù)字內(nèi)核完全隔離、相互獨(dú)立，共享具有高度出錯(cuò)保護(hù)設(shè)計(jì)的輸出輸入硬件平臺(tái)。

所有的電/光纜都采用軍用或航用等級(jí)的電子產(chǎn)品元件，預(yù)先配置接口，便于布置與更換。在戶外光纜中包含了1根雙芯銅纜為合并單元 (MU)提供電源，同時(shí)也為開(kāi)關(guān)站內(nèi)相關(guān)設(shè)備節(jié)點(diǎn)輸入提供電源 (如斷路器輔助節(jié)點(diǎn)，瓦斯告警節(jié)點(diǎn)等)。

光纖交叉連接板用來(lái)安放和固定戶外光纜并作為中轉(zhuǎn)站，通過(guò)戶內(nèi)光纜與IED相連，同時(shí)給相應(yīng)的合并單元 (MU)提供電源。光纜之間的連接使用標(biāo)準(zhǔn)的光纖接頭，保證 IED與合并單元(MU)之間的IEC61850通訊按照變電站一次結(jié)構(gòu)一一對(duì)應(yīng)，不包含切換網(wǎng)絡(luò)。

每個(gè)IED具備8個(gè)光纖接口，可以連接8個(gè)合并單元 (MU)。IED接口數(shù)量的設(shè)計(jì)是在詳細(xì)分析變電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及所需的數(shù)據(jù)流后得出的。這樣的8/4連接方式覆蓋了幾乎所有可能的典型應(yīng)用。根據(jù)已有的保護(hù)原理，每個(gè)IED提供1個(gè)基本區(qū)域的保護(hù)，它由安全專一的網(wǎng)絡(luò)通過(guò)直接光纖聯(lián)接到IEC61850合并單元 (MU)。由于那些專用的光纖芯有完全確定的交換數(shù)據(jù)量，因此可以依靠每個(gè)IED所聯(lián)系合并單元 (MU)數(shù)字內(nèi)核的采樣時(shí)間來(lái)得到一個(gè)簡(jiǎn)單、完整的時(shí)鐘同步方案，而不需要依賴外部時(shí)鐘提供過(guò)程總線數(shù)據(jù)同步。

2.2 數(shù)據(jù)共享

數(shù)據(jù)共享可經(jīng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接解決。這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單實(shí)用的方案，它避免了許多與網(wǎng)絡(luò)切換和網(wǎng)絡(luò)安全有關(guān)的問(wèn)題。在本文提出的結(jié)構(gòu)體系中，每個(gè)IED允許接8個(gè)合并單元 (MU)，每個(gè)合并單元(MU)可以接4個(gè)IED。這樣可以建立一個(gè)公用的合并單元 (MU)與保護(hù)裝置之間的一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的雙向數(shù)據(jù)通道。一對(duì)需交換保護(hù)信號(hào)的IED也可以通過(guò)合并單元 (MU)作為信箱來(lái)傳送信號(hào)。通過(guò)對(duì)典型的變電站接線分析，一個(gè)合并單元(MU)提供信息給4個(gè)IED基本可以滿足除母線保護(hù)之外間隔的應(yīng)用。

如圖3的系統(tǒng)，每個(gè)合并單元 (MU)包含1個(gè)公共的I/O./模塊和4路數(shù)字內(nèi)核，公共的輸入輸出模塊由底層硬件控制，獨(dú)立于IED和內(nèi)核。公共輸入輸出模塊及相關(guān)連線設(shè)計(jì)成緊湊的就地裝置，通過(guò)合適的硬件緩沖考慮，輸入輸出模塊與數(shù)字內(nèi)核相互隔離、互不干擾。

這些數(shù)字內(nèi)核在硬件層上是完全隔離的，它們由獨(dú)立的微處理器控制并通過(guò)獨(dú)立的光纜點(diǎn)對(duì)點(diǎn)與IED通訊，每個(gè)數(shù)字內(nèi)核只與相關(guān)的IED聯(lián)系，每個(gè)內(nèi)核都獨(dú)立運(yùn)行在合并單元 (MU)中。舉例來(lái)說(shuō):內(nèi)核1作為線路差動(dòng)保護(hù)A運(yùn)行軟件版本5.61，同時(shí)內(nèi)核2作為過(guò)流保護(hù)B運(yùn)行軟件版本4.32，內(nèi)核3則可作為母線保護(hù)C運(yùn)行軟件版本2.22。

圖3 采樣數(shù)據(jù)共享

2.3 時(shí)間同步

通過(guò)IED發(fā)送IEC61850－8－1GOOSE到與之相關(guān)的合并單元 (MU)內(nèi)核來(lái)進(jìn)行同步，而不依賴外部時(shí)鐘源來(lái)同步。每個(gè)IED按自己的“時(shí)區(qū)”運(yùn)行，發(fā)送自身的采樣保持信號(hào) (S＆H)來(lái)滿足應(yīng)用算法的需要。這一 S＆H 信號(hào)經(jīng)IEC61850GOOSE瞬時(shí)送到相關(guān)的合并單元 (MU)，誤差在1μs之內(nèi)。每個(gè)IED可以以自己的頻率跟蹤采樣，不同的IED可以用不同的采樣率采樣。在合并單元 (MU)設(shè)置獨(dú)立的數(shù)字內(nèi)核不僅容易實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的時(shí)區(qū)，也容易實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的軟件區(qū)。當(dāng)IED啟動(dòng)時(shí)，每個(gè)IED對(duì)所連接的合并單元(MU)內(nèi)核的軟件版本進(jìn)行檢查。如果軟件不匹配，IED自動(dòng)裝載合適的軟件到所連的內(nèi)核，操作僅持續(xù)幾毫秒，而其它內(nèi)核繼續(xù)正常運(yùn)行感覺(jué)不到其相鄰內(nèi)核正在進(jìn)行的變化。GOOSE信號(hào)是1組數(shù)據(jù)集用來(lái)控制合并單元 (MU)的模擬量采樣和輸出 (如跳閘、合閘、連鎖等)。

合并單元 (MU)的公共I/O模塊通過(guò)自身高速率獨(dú)立運(yùn)行的采樣時(shí)鐘采集交流量，這些交流量經(jīng)合并單元 (MU)內(nèi)部獨(dú)立的數(shù)字鏈接拷貝到4個(gè)數(shù)字內(nèi)核中。當(dāng)接到GOOSE所發(fā)的S＆H信號(hào)后，這些內(nèi)核將對(duì)本區(qū)內(nèi)的物理采樣重新采樣并返回與所請(qǐng)求的IED保持精確同步。合并單元(MU)沒(méi)有軟件和定值，它們完全由與它們相連的IED控制。用戶不會(huì)受到在IED和合并單元(MU)之間軟件和定值反復(fù)更換的影響，不需要使用專門(mén)的軟件工具來(lái)調(diào)試合并單元 (MU)，一個(gè)傳統(tǒng)意義上的保護(hù)定值程序足夠設(shè)置整個(gè)系統(tǒng)。

3 結(jié)論

文中給出了一個(gè)堅(jiān)固耐用的IEC61850－9－2過(guò)程總線構(gòu)架，可用于分布式保護(hù)、測(cè)量和控制。當(dāng)系統(tǒng)中電子設(shè)備的數(shù)量和連接增加時(shí)，其可靠性不會(huì)降低。某個(gè)間隔保護(hù)推出進(jìn)行升級(jí)、定檢、故障維修不會(huì)影響其他二次系統(tǒng)。其具有良好的升級(jí)性、可測(cè)試性、網(wǎng)絡(luò)安全性和可維護(hù)性，既適用于智能變電站改造，也適用于智能變電站新建。

〔1〕高翔.數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)〔M〕.中國(guó)電力出版社，2008.

〔2〕殷志良，劉萬(wàn)順，楊奇遜，等.基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程總線通信研究與實(shí)現(xiàn)〔J〕.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(8)．

〔3〕B.Kasztenny.An architecture and systemfor IEC61850 Process Bus〔J〕.Protection ＆ Control Journal，2008，10.

〔4〕IECInternational Standard.Communication networks and systems in substations-Part9-2:Specific Communication Service Mapping(SCSM)-Sampled values over ISO/IEC8802-3〔S〕.2004.

〔5〕Drew Baigent.IEC 61850 Communication Networks and Systems In Substations:An Overview for Users〔J〕.Proceedings of theⅧSimposio.Iberoamericano Sobre Proteccion de Sistemas Electricos de Potenica.Monterey，Mexico:2005.