智能變電站母差保護數(shù)據(jù)接收優(yōu)化

馮彥釗,王晨,龔石林,張兆云,陳衛(wèi),曾臻

(1.云南電網(wǎng)公司,昆明 650011；2.強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室,華中科技大學(xué),武漢 430074)

智能變電站母差保護數(shù)據(jù)接收優(yōu)化

馮彥釗1,王晨2,龔石林1,張兆云2,陳衛(wèi)2,曾臻2

(1.云南電網(wǎng)公司,昆明 650011；2.強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室,華中科技大學(xué),武漢 430074)

智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為全站的數(shù)據(jù)共享提供了更有效的途徑,如何利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化其他智能電子設(shè)備的功能值得研究。針對智能變電站中現(xiàn)有的過程層冗余通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提出了一種基于并行冗余網(wǎng)絡(luò)的母差保護數(shù)據(jù)接收延時優(yōu)化方案,并給出了理論計算分析。

智能變電站；并行冗余網(wǎng)絡(luò)；母差保護；時延特性

0 前言

隨著非常規(guī)互感器、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能斷路器技術(shù)的不斷發(fā)展,基于IEC61850協(xié)議的智能變電站二次系統(tǒng)日益完善。IEC61850 Ed2廢除了采樣值點到點傳輸方案,基于IEC61850-9-1[1]的過程總線技術(shù)正向IEC61850-9-2[2]網(wǎng)絡(luò)化傳輸方式過渡,對過程層采集的電氣量及狀態(tài)量信息進行數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化處理。過程總線技術(shù)通常采用點對點單獨運行,網(wǎng)絡(luò)流量較低。過渡到IEC61850-9-2后,采樣測量值 (SMV)、跳閘指令及斷路器隔離開關(guān)狀態(tài)量 (GOOSE)傳輸于由交換機組成的過程總線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),通信技術(shù)成為變電站自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵[3-5],數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)的可靠性也顯得尤為重要。

目前,智能變電站電壓等級越來越高,對通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求也隨之更高,通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)報文的優(yōu)先權(quán)配置等都可能影響到過程總線及其繼電保護方案的可靠性。由于繼電保護本身的速動性和可靠性要求以及保護雙重化配置的推廣應(yīng)用,導(dǎo)致目前智能變電站普遍采用雙網(wǎng)絡(luò)的冗余通信方案：文獻 [6-8]對采用星形和總線型環(huán)形的雙網(wǎng)互備組網(wǎng)形式進行了分析比較；文獻 [9]研究了不同冗余技術(shù)在智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的可能性；文獻 [10]研究了一種基于并行冗余協(xié)議的智能變電站高可靠性過程總線通信。然而這些文獻都只是對冗余網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)及其相關(guān)技術(shù)進行了探討,冗余網(wǎng)絡(luò)的目的也只限于提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性,充分利用冗余結(jié)構(gòu)來優(yōu)化、改善智能變電站的網(wǎng)絡(luò)通信性能等方面的研究鮮有涉及。

由于母差保護需要收集多間隔電流、電壓信息,并且要求數(shù)據(jù)的同步性、實時性和有效性,尤其是實時性要求至關(guān)重要,越早獲取所需數(shù)據(jù)信息就能越早判斷出故障并及時做出反應(yīng),以保證變電站的安全穩(wěn)定運行。

本文基于智能變電站過程層的冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提出了一種母差保護數(shù)據(jù)接收延時優(yōu)化方案,并針對一般的智能變電站結(jié)構(gòu)對方案進行了相應(yīng)的理論分析。

1 并行冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

IEC62439高實用性自動網(wǎng)絡(luò)標準的發(fā)布為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的冗余提供了標準化支持.它給出了4種冗余協(xié)議：基于環(huán)網(wǎng)的媒介冗余協(xié)議 MRP (Media Redundancy Protocol based on a ring topology)；并行冗余協(xié)議 PRP(Parallel Redundancy Protocol)交叉冗余協(xié)議CRP(Cross-network Redundancy Protocol)以及信號冗余協(xié)議BRP(Beacon Redundancy Protocol)[11]。由于PRP實現(xiàn)雙網(wǎng)冗余的同時可以完成GOOSE報文的雙網(wǎng)同時發(fā)送且經(jīng)過的交換機跳數(shù)較少,經(jīng)濟性好,因此比較適合在現(xiàn)有技術(shù)條件下的智能變電站中應(yīng)用。

并行冗余系統(tǒng)采用兩個獨立的局域網(wǎng)A、B實現(xiàn)。在網(wǎng)絡(luò)中,可以根據(jù)連接網(wǎng)絡(luò)的鏈路數(shù)劃分兩類節(jié)點：①DAN(Doubly Attached Nodes)節(jié)點：通過兩個網(wǎng)絡(luò)接口連接到雙網(wǎng)的節(jié)點；②SAN(Single Attached Nodes)節(jié)點：通過一個網(wǎng)絡(luò)接口連接到單網(wǎng)的節(jié)點。如圖1所示。

圖1 PRP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

并行冗余網(wǎng)絡(luò)是通過DAN節(jié)點實現(xiàn)的。DAN節(jié)點有兩個使用相同MAC地址和IP地址的網(wǎng)絡(luò)適配器和一個鏈路冗余實體 (Link Redundancy Entity,LRE)。兩個適配器與兩個網(wǎng)絡(luò)A、B連接。上層應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)接口通過LRE連接。LRE層實現(xiàn)報文的雙發(fā)雙收,LRE收到上層應(yīng)用傳來的發(fā)送報文,將報文加上網(wǎng)絡(luò)標識符后復(fù)制成兩份,然后從A網(wǎng)、B網(wǎng)的物理層發(fā)出,這樣在兩個局域網(wǎng)中會有相同的報文被轉(zhuǎn)發(fā),在一個局域網(wǎng)失效時,另一個局域網(wǎng)也會將報文送達。接收節(jié)點從A網(wǎng)、B網(wǎng)的物理層先后收到報文,LRE對標識進行判別,丟棄后到的報文而先到的報文去除網(wǎng)絡(luò)標識后傳送給上層應(yīng)用[12]。節(jié)點的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PRP終端節(jié)點冗余功能結(jié)構(gòu)

2 母差保護數(shù)據(jù)接收優(yōu)化方案

在基于IEC61850的智能變電站過程層采用組網(wǎng)方式作為報文傳輸方式的模式下,報文端到端延時特性是通信網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標,采樣值報文網(wǎng)絡(luò)延時的大小也將影響到間隔層保護的動作特性。母差保護由于要匯集連接到母線的各線路的實時電氣量信息,信息量大且涉及到采樣值報文的跨間隔傳輸,因此報文端到端的延時大,不利于母差保護的快速動作?；诓⑿腥哂鄥f(xié)議的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)提供了可靠的熱備份,同時在空間上也拓寬了信息的傳輸途徑,本文在并行冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,研究一種母差保護接收跨間隔網(wǎng)絡(luò)報文優(yōu)化方案。

2.1 智能變電站網(wǎng)絡(luò)延時分析

基于IEC61850的智能變電站實時通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸著不同的數(shù)據(jù)流信息,根據(jù)不同的功能要求,各種數(shù)據(jù)流端到端的延時特性也有差異。基于以太網(wǎng)的智能變電站報文端到端時延構(gòu)成如圖3所示。

圖3 智能變電站報文通信時延構(gòu)成

報文時延主要包括源節(jié)點的發(fā)送端處理延時ta、網(wǎng)絡(luò)傳輸延時tb、和目的節(jié)點的接收端處理延時tc,即總延時t=ta+tb+tc。延時ta、tc主要取決于幀的長度和以太網(wǎng)的通信速率；網(wǎng)絡(luò)傳輸延時tb主要包括交換機存儲轉(zhuǎn)發(fā)時延、交換機交換時延、光纜傳輸延時、排隊時延,其中排隊延時是由于交換機發(fā)生幀沖突時采用排隊方式順序傳送,這也是導(dǎo)致報文端到端延時不確定性的主要原因,研究減少報文的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時tb是改善智能變電站信息實時性的關(guān)鍵。

2.2 母差保護數(shù)據(jù)接收優(yōu)化方案

基于并行冗余的智能變電站的過程層星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示,采用并行冗余通信網(wǎng)絡(luò),工作時,合并單元 (Merging Unit,MU)同時向兩個獨立的過程層A、B網(wǎng)絡(luò)發(fā)送采樣值信息,A網(wǎng)和B網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完全相同。接收端 (保護及測控裝置或母差保護單元)同時從A網(wǎng)和B網(wǎng)獲取采樣值報文,優(yōu)先利用先收到的采樣值信息,另一個則丟棄,如果收不到另一個網(wǎng)絡(luò)的信息就告警。當A網(wǎng)和B網(wǎng)的結(jié)構(gòu)相似,且布線路徑相近時,A網(wǎng)和B網(wǎng)具有相同或相近的網(wǎng)絡(luò)性能。當數(shù)據(jù)擁塞時,兩個網(wǎng)絡(luò)可能會同時發(fā)生擁塞,此時將導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收延時增大。

圖4 基于并行冗余的智能變電站的過程層星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖5 母差保護優(yōu)化方法

母差保護單元必須在接收到A網(wǎng)或B網(wǎng)中傳輸?shù)乃芯€路間隔的電氣量信息后才能進行母線保護運算,只是在其中一個網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時才會利用另一個冗余網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息,而不是充分利用兩個網(wǎng)絡(luò)中先到的電氣量信息,因此在智能變電站中采用并行冗余協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)并沒有提升過程層通信網(wǎng)絡(luò)的性能尤其是母差保護的快速動作特性。

在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出一種智能變電站的母差保護優(yōu)化方法,見圖5.

3 母差保護端口延時分析

在智能變電站中各設(shè)備通過劃分VLAN可以將數(shù)據(jù)流量較好地限制在各個間隔內(nèi),因此大多數(shù)保護功能的流量均可較為穩(wěn)定地在過程層網(wǎng)絡(luò)中傳輸。在80點12路采樣模式下,一個合并單元發(fā)送的采樣值數(shù)據(jù)量約為5 Mbps,則一個100 Mbps的通信網(wǎng)絡(luò)理論上可支持19個合并單元設(shè)備。即使考慮到合理的網(wǎng)絡(luò)性能,仍然可以支持5個合并單元設(shè)備。因此在線路保護等間隔內(nèi), 100 Mbps網(wǎng)絡(luò)可以滿足通信需求。

假設(shè)某智能變電站具有一條母線,母線上具有6條出線,其通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖及采樣值報文接收順序如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級設(shè)置及采樣值報文到達母差保護順序

每條進出線上具有斷路器和合并單元,合并單元將采樣值數(shù)據(jù)發(fā)送到母差保護,母差保護對同一時刻的各條線路電流進行運算從而判斷出故障。假設(shè)中心交換機為線速交換機,即其交換總線帶寬大于等于所有端口帶寬之和。同時假設(shè)光纖線路上的延時基本忽略,各端口處理速度相同。由于所有合并單元會在同一時刻向母差保護發(fā)送采樣值,因此在采樣值發(fā)送時刻,母差保護端口會形成短時間擁塞。此時,6個合并單元當前的采樣值數(shù)據(jù)將依次排列在母差通信端口,且PRP雙網(wǎng)上的順序相同。

以每個采樣值報文長度為159 byte計算,6個采樣值報文在100 Mbps的鏈路上全部接收到的時間為74.53 us。

當采用優(yōu)先級分組方式發(fā)送采樣值數(shù)據(jù)后,母差保護的兩個端口排列方式如下圖所示。由于PRP協(xié)議防止重復(fù)報文原理的存在,母差保護將同時分別從兩個網(wǎng)絡(luò)端口收到a1-a3和b1-b3的采樣值數(shù)據(jù),并拋棄掉之后接收到的低優(yōu)先級數(shù)據(jù)。以每個采樣值報文長度為159 byte計算,6個采樣值報文在100 Mbps的鏈路上全部接收到的時間為37.27 us,延時特性得到了很大程度的優(yōu)化。

4 結(jié)束語

優(yōu)先級分組方法通過在基于并行冗余協(xié)議的雙網(wǎng)通信方式中引入以太網(wǎng)優(yōu)先級,將設(shè)備的數(shù)據(jù)通過優(yōu)先級的方式分別分到兩個通信網(wǎng)鏈路中。在經(jīng)優(yōu)先級分組后的PRP雙網(wǎng)冗余通信鏈路上,網(wǎng)絡(luò)延時顯著降低,尤其在數(shù)據(jù)匯聚端口和發(fā)生數(shù)據(jù)擁塞的情況下性能改善明顯。同時等效增大了交換機端口緩沖區(qū),進一步降低了丟包率。同時,優(yōu)先級分組方法完全與以太網(wǎng)協(xié)議和PRP協(xié)議兼容,對智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供了一種參考。

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Research on Optimization Scheme for Data Reception of Busbar Differential Protection in Smart Substations Based on PRP

FENG Yanzhao1,WANG Chen2,GONG Shilin1,ZHANG Zhaoyun2,CHEN Wei2,ZENG Zhen2
(1.YUNNAN Power Grid Corporation,Kunming 650011,China；2.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

A more efficient way is provided for data sharing in smart substations with the development of ethernet technology in communication network,How to optimize the function of other intelligent electronic devices by using the existing network structures is worth studying.Aiming at the existing structure of the process layer redundant communication network in smart substations,this paper proposes an optimization scheme for data reception of busbar differential protection and gives the theoretical analysis.

smart substation；PRP；busbar differential protection；time delay characteristic

TM76

B

1006-7345(2015)01-0018-04

2014-09-10

馮彥釗 (1968),男,工程師,云南電網(wǎng)公司,從事電力系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備投運工作 (e-mail)yxsw＠263.net。

王晨 (1988),男,碩士研究生,華中科技大學(xué),從事智能變電站、微機繼電保護與控制研究 (e-mail)328162722＠qq.com。

龔石林 (1979),男,工程師,云南電網(wǎng)公司,從事電力系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備投運工作 (e-mail)8323072＠qq.com。