工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字化變電站的探究

【摘要】通信是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵，通信網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、確定性和可靠性決定了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的可用性。本篇論文分析了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)成、通信過(guò)程、工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于數(shù)字化變電站系統(tǒng)目前存在的問(wèn)題及相關(guān)解決辦法。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)以太網(wǎng);變電站自動(dòng)化系統(tǒng);通信網(wǎng)絡(luò)

1.引言

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大以及電站自動(dòng)化系統(tǒng)的日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)通信速率低，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電保護(hù)裝置各方面特性的全面測(cè)試，已不能滿足需求，需要使用新的高性能的通信技術(shù)。為了避免重復(fù)投資，實(shí)現(xiàn)信息資源的共享，應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)范和綜合考慮。工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用廣泛，通信速率高，價(jià)格低廉，標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放，已成為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)過(guò)程總線的首選。

2.變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)成

變電站自動(dòng)化采用自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變電站二次系統(tǒng)的部分或全部功能，并利用多臺(tái)微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路組成的自動(dòng)化系統(tǒng)。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)體系由“數(shù)據(jù)采集和控制”、“繼電保護(hù)”、“直流電源系統(tǒng)”三大塊構(gòu)成其基礎(chǔ)。“通信控制管理”是橋梁，聯(lián)系變電站內(nèi)部各部分之間、變電站與調(diào)度控制中心之間使其相互交換數(shù)據(jù)。

變電站主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)、管理和控制。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)改變常規(guī)的繼電保護(hù)裝置不能與外界通信的缺陷。通過(guò)對(duì)自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)在變電站的綜合應(yīng)用，采集到比較齊全的數(shù)據(jù)和信息，利用計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算能力和邏輯判斷能力，從而方便地監(jiān)控變電站內(nèi)各種設(shè)備的運(yùn)行和操作。

3.變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的通信

變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)包括微機(jī)監(jiān)控、微機(jī)保護(hù)、電能質(zhì)量控制等多個(gè)子系統(tǒng)。其通信任務(wù)一方面是實(shí)現(xiàn)站內(nèi)通信功能，完成對(duì)全站一、二次設(shè)備和裝置運(yùn)行情況的數(shù)據(jù)通信采集和控制命令的傳輸;另一方面完成與上級(jí)調(diào)度或集控中心的通信，向上傳送變電站運(yùn)行的實(shí)時(shí)信息、接受和執(zhí)行上級(jí)下達(dá)的控制命令。

（1）變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)通信

圖1 基于以太網(wǎng)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

④⑤用于過(guò)程層和間隔層之間通信，①③⑥⑨用于間隔層內(nèi)部及與變電站層的通信，⑧是間隔層之間通信。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，決不是短期內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)的，它需要電力一次、二次設(shè)備生產(chǎn)商共同努力才能實(shí)現(xiàn)。針對(duì)目前的情況，一次設(shè)備的智能化雖然已有學(xué)者開(kāi)展研究，但還沒(méi)有帶網(wǎng)絡(luò)接口的產(chǎn)品出現(xiàn)，所以建議采用兩種漸進(jìn)的方式，首先過(guò)程層仍采用硬線連接，而間隔和廠站采用以太網(wǎng)通信，另外可在一次設(shè)備和二次設(shè)備之間加入智能I/O單元，來(lái)實(shí)現(xiàn)接口④⑤。定義了7種類型報(bào)文，即：快速報(bào)文、中速報(bào)文、低速報(bào)文、原始數(shù)據(jù)報(bào)文、文件傳輸報(bào)文、時(shí)間同步報(bào)文和具有訪問(wèn)控制的命令報(bào)文。通過(guò)分析和研究，從時(shí)域的角度，把上述變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中7種類型的報(bào)文分為3 種類型通信：周期性通信、隨機(jī)性通信、突發(fā)性通信。在具有變電站層一單元層一設(shè)備層的分層分布式自動(dòng)化系統(tǒng)中，需要傳輸?shù)男畔⒂腥缦聨追N。

a.問(wèn)隔層與設(shè)備層間的通信

間隔層的設(shè)備有控制測(cè)量單元或繼電保護(hù)單元，或兩者都有。設(shè)備層的高壓斷路器可能有智能傳感器和執(zhí)行器，可以自由地與間隔層交換信息。間隔層的設(shè)備大多數(shù)需要從設(shè)備層的電壓和電流互感器采集正常和事故情況下的電壓值和電流值，采集設(shè)備的狀態(tài)信息和故障診斷信息，這些信息包括：斷路器和隔離開(kāi)關(guān)位置，主變壓器分接頭位置，變壓器、互感器、避雷器的診斷信息以及斷路器操作信息。

b.間隔層內(nèi)部的通信

間隔層內(nèi)部的通信是在一個(gè)間隔層內(nèi)部相關(guān)的功能模塊間，即繼電保護(hù)和控制、監(jiān)視、測(cè)量之間的數(shù)據(jù)交換。這類信息有測(cè)量數(shù)據(jù)、斷路器狀態(tài)、器件的運(yùn)行狀態(tài)、同步采樣信息等。

c.間隔層之間的通信

不同間隔層之間的數(shù)據(jù)交換有主、后備繼電保護(hù)工作狀態(tài)、互鎖，相關(guān)保護(hù)動(dòng)作閉鎖，無(wú)功補(bǔ)償綜合控制等信息。

d. 間隔層和變電站層的通信

間隔層和變電站層的通信內(nèi)容較為豐富，概括起來(lái)共3類。

e.變電站層的內(nèi)部通信

變電站層的不同設(shè)備之間的通信.要根據(jù)各設(shè)備的任務(wù)和功能的特點(diǎn)，傳輸所需的測(cè)量信息、狀態(tài)信息和操作命令等。

（2）變電站與調(diào)度中心的通信

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)具有與電力系統(tǒng)調(diào)度中心通信的功能，不另設(shè)獨(dú)立的遠(yuǎn)動(dòng)裝置，而由通信控制器執(zhí)行遠(yuǎn)動(dòng)功能，把變電站所需測(cè)量的模擬量、電能量、狀態(tài)信息和SOE（事件順序記錄）等信息傳送至調(diào)度中心。變電站不僅要向調(diào)度中心發(fā)送測(cè)量和監(jiān)視信息，而且要從上級(jí)調(diào)度中心接收數(shù)據(jù)和控制命令。

4.工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于數(shù)字化變電站系統(tǒng)

工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用廣泛，通信速率高，價(jià)格低廉，標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放，已成為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)過(guò)程總線的首選。數(shù)字化變電站以新型互感器代替了常規(guī)繼電保護(hù)、測(cè)控等裝置的I/O部分，以交換式以太網(wǎng)和光纜組成的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)代替了以往的二次回路及其線纜;基于微電子技術(shù)的IED設(shè)備實(shí)現(xiàn)了信息的集成化應(yīng)用，以功能、信息的冗余代替了常規(guī)變電站裝置的冗余，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)分層分布設(shè)計(jì);一次設(shè)備智能化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)使得控制回路實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化應(yīng)用，常規(guī)變電站部分功能可以直接在底層實(shí)現(xiàn)，整個(gè)變電站可以實(shí)現(xiàn)小型化、緊湊化的設(shè)計(jì)與布置。

5.目前存在的問(wèn)題

（1）各層之間及層內(nèi)的通信系統(tǒng)不統(tǒng)一

由于各種原因。數(shù)字化變電站的各層之間及同層內(nèi)的通信系統(tǒng)不統(tǒng)一，造成多種通信系統(tǒng)混用的情況。這樣的系統(tǒng)不易維護(hù)且易發(fā)生通信故障。

（2）工業(yè)以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)眾多且互不兼容

目前基于工業(yè)以太網(wǎng)的國(guó)際通信標(biāo)準(zhǔn)有十幾種之多，且相互不能兼容。因此如何選取合適的通信標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)重要問(wèn)題。在數(shù)字化變電站自動(dòng)化領(lǐng)域，采用統(tǒng)一的IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的呼聲很高，這對(duì)于變電站通信系統(tǒng)的發(fā)展是十分有利的。

（3）IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)有待完善

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)自誕生之日起就存在多個(gè)不同的版本，不同廠家基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品也不能100% 兼容。同時(shí)，IEC 61850自身也在不斷完善，不斷有新的版本推出。因此，盡快完善IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)并使各廠家在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下開(kāi)發(fā)相關(guān)設(shè)備是十分必要的。

6.目前存在問(wèn)題的解決辦法

（1）解決各層之間及層內(nèi)的通信系統(tǒng)不統(tǒng)一問(wèn)題的辦法

網(wǎng)絡(luò)通信方案是構(gòu)成變電站自動(dòng)化系統(tǒng)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，由于變電站的特殊環(huán)境和自動(dòng)化系統(tǒng)的要求，并且受到性能、價(jià)格、硬件、軟件、用戶策略等諸多因素的影響，其通信網(wǎng)絡(luò)方案的選擇很難一概而論，不同類型的變電站對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)有不同的要求，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信方案選擇和設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列基本原則：通信網(wǎng)絡(luò)具有合理的分層式結(jié)構(gòu);各層之間和層內(nèi)選擇適當(dāng)?shù)耐ㄐ欧绞?高可靠性和快速實(shí)時(shí)響應(yīng)能力;優(yōu)良的電磁兼容性能。

（2）解決工業(yè)以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)眾多且互不兼容問(wèn)題的辦法

由于多個(gè)制造商提供的IEC 61850系列標(biāo)準(zhǔn)兼容裝置不僅分布在變電站，而且分布在電網(wǎng)各處，故這些裝置所用的時(shí)間標(biāo)志應(yīng)有統(tǒng)一的格式。時(shí)間模型和格式要求規(guī)定如下：

a.精度不同應(yīng)有不同時(shí)間精度要求。

b.時(shí)間標(biāo)志應(yīng)基于現(xiàn)有的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)（UTC通常被作為基準(zhǔn)時(shí)間）。

c.時(shí)間模型應(yīng)能跟蹤閏秒，并提供足夠的信息，使得使用者可計(jì)算跨過(guò)閏秒邊界的成對(duì)時(shí)間時(shí)間差。

d.時(shí)間模型應(yīng)提供足夠的信息，是的客戶無(wú)需附加信息，例如從起始時(shí)間至當(dāng)前的閏秒數(shù)，計(jì)算日期和時(shí)間。

e.時(shí)間標(biāo)記信息應(yīng)容易從商業(yè)可用時(shí)間資源中獲得。

f.總的時(shí)間模型應(yīng)包括可計(jì)算當(dāng)?shù)貢r(shí)間的信息。

g.時(shí)間模型應(yīng)允許偏離當(dāng)?shù)貢r(shí)間半小時(shí)。

h.時(shí)間模型應(yīng)指示夏時(shí)制是否有效。

i.時(shí)標(biāo)格式至少維護(hù)使用100年。

j.時(shí)間格式應(yīng)緊湊，計(jì)算機(jī)易操作。

這些基本時(shí)間要求是系統(tǒng)要求，但系統(tǒng)是由裝置組成的，因此，若需要的話，裝置應(yīng)支持這些要求。

（3）IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的完善

IEC 61850協(xié)議是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)的依據(jù)，故完善IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)并使各廠家在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下開(kāi)發(fā)相關(guān)設(shè)備是解決其問(wèn)題的關(guān)鍵。

7.結(jié)束語(yǔ)

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)正逐漸在向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化方向發(fā)展。數(shù)字化變電站采用新型電流和電壓互感器，智能斷路器等技術(shù)，利用高速以太網(wǎng)構(gòu)成變電站數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一信息建模。因此。數(shù)字化變電站在常規(guī)變電站自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了巨大的跨越。

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作者簡(jiǎn)介：范璇（1992—），遼寧北票人，女，研究方向：測(cè)控技術(shù)與儀器。