基于過程總線的繼電保護實驗平臺開發(fā)

王智東, 陳軍宏, 原呂澤芮, 劉振林, 梁 梅, 高 瑞, 鄧豐強

(1. 華南理工大學 電力學院, 廣東 廣州 510640； 2. 華南理工大學 廣州學院, 廣東 廣州 5108003. 東莞供電局, 廣東 東莞 523000)

基于過程總線的繼電保護實驗平臺開發(fā)

王智東1,2, 陳軍宏1, 原呂澤芮1, 劉振林3, 梁 梅1, 高 瑞1, 鄧豐強1

(1. 華南理工大學 電力學院, 廣東 廣州 510640； 2. 華南理工大學 廣州學院, 廣東 廣州 5108003. 東莞供電局, 廣東 東莞 523000)

為了研究繼電保護技術在智能變電站的應用,參考標準IEC 61850重新構建微機繼電保護裝置功能,并引入過程總線技術升級傳統(tǒng)電保護實驗平臺,設計了PC控制的過程總線適配器,解決異構通信端口的設備之間的通信難題;以GOOSE和SMV報文傳輸繼電保護指令為例,介紹了IEC 61850在該實驗平臺上的應用。借助該實驗平臺,學生可便利地實施智能變電站的繼電保護實驗,學習IEC 61850 標準。

繼電保護； 實驗平臺； 過程總線； IEC 61850

近年來,智能電網(wǎng)和智能變電站的建設取得了突出的發(fā)展成就[1],大大拓展了傳統(tǒng)微機繼電保護技術的內(nèi)涵。繼電保護信息通信作為智能變電站運行[2]的重要組成部分,學生應該熟練掌握其原理及應用。目前,智能變電站的繼電保護技術應用的重要方向是利用IEC 61850標準[3]對傳統(tǒng)設備進行建模,并對其信息的流動建立具有保密性的格式與規(guī)范。

為了緊跟科技發(fā)展,實施智能變電站框架下的繼電保護實驗,很多研究采用軟化的方法搭建實驗平臺。文獻[4]提出了基于開放平臺的過程總線繼電保護軟化試驗方法,在PC平臺上直接采用網(wǎng)絡驅(qū)動程序接口規(guī)范實現(xiàn)報文的收發(fā)；文獻[5]采用了PSCAD數(shù)字仿真系統(tǒng)與基于WinP cap數(shù)據(jù)包開發(fā)的接口轉(zhuǎn)換單元構建了純軟件保護裝置測試系統(tǒng)。這些方法較好地解決了實驗平臺建設資金不足和平臺功能擴展等問題,但無法利用現(xiàn)有的實驗資源。此外,對于不遵循IEC 61850標準的傳統(tǒng)微機繼電保護裝置,無法通過以太網(wǎng)通信,更難以實現(xiàn)IEC 61850協(xié)議涉及的較為復雜的內(nèi)容。

本文在文獻[6]基礎上,參考智能變電站的設計標準IEC 61850，重新構建了微機繼電保護裝置功能,并引用過程總線技術作為智能設備與實驗臺連接的橋梁[7]。此外, 設計了PC控制的過程總線適配器,實現(xiàn)不同通信端口的實驗臺與智能設備的無縫連接。通過對傳統(tǒng)微機繼電保護實驗臺[8]的“改造”,設計了基于以太網(wǎng)統(tǒng)一通信形式的過程總線系統(tǒng),使得不遵循IEC 61850標準的微機裝置能夠方便接入到過程總線。最后,利用IEC 61850對繼電保護裝置和功能的建模,以GOOSE和SMV報文等格式傳送繼電保護指令為例,介紹實驗平臺的應用。

1 基于過程總線的繼電保護實驗平臺設計思路

過程總線在IEC 61850標準的分層結構中,最接近電力一次系統(tǒng),是整個電力系統(tǒng)電氣量采集和開關動作的基礎。過程總線以通信網(wǎng)絡形式取代了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的“硬接線”,用于傳遞電力系統(tǒng)電氣量值和開關狀態(tài)以及命令等重要信息[8]。以過程總線為代表的網(wǎng)絡技術和對應的IEC 61850協(xié)議,體現(xiàn)了電力系統(tǒng)自動化水平發(fā)展的新高度[9]。

1.1 基于IEC 61850的實驗設備建模

當前大多數(shù)微機繼電保護裝置包含了電氣量采集、開關量輸入和輸出、邏輯判斷等諸多功能,與IEC 61850的分層思想并不一致。因此,首先對傳統(tǒng)電力微機裝置原有功能按照IEC 61850標準進行解析,進而建模成實驗過程所需的合并單元(merging unit,MU)、智能開關(intelligent switch,ISW)、智能電子設備(intelligent electronic eevice,IED)。

當前電力現(xiàn)場的微機裝置與一次系統(tǒng)聯(lián)系緊密,除了微機裝置,傳統(tǒng)實驗臺通常還包含一次系統(tǒng)模型。對包含傳統(tǒng)電力微機裝置在內(nèi)的實驗臺進行“改造”,充分利用實驗臺一次系統(tǒng)模型,在保留一次系統(tǒng)的基礎上,將傳統(tǒng)電力微機裝置原先的功能[10]按照IEC 61850標準重新劃分?；贗EC 61850的繼電保護裝置模型見圖1。

圖1 基于IEC 61850的繼電保護裝置模型

一次系統(tǒng)相關的模擬量采集、開關狀態(tài)及其操作,事實上分別充當了IEC 61850標準的MU和ISW的角色,將微機裝置的上述功能分別建模為MU和ISW,這是在傳統(tǒng)電力微機裝置上體現(xiàn)的邏輯概念的MU和ISW功能,這里稱為邏輯LMU(logical merging unit)和邏輯LISW (logical intelligent switch),以區(qū)別于遵循IEC 61850的MU和ISW實體裝置。傳統(tǒng)電力微機裝置的算法判斷功能,在IEC 61850標準中屬于間隔層IED的內(nèi)容,因此,將其建模為邏輯智能電子設備LIED(logical intelligent electronic device)。

1.2 基于過程總線的繼電保護通信設計

基于過程總線的繼保通信結構見圖2,網(wǎng)絡控制平面包含基于PC的各種網(wǎng)絡通信卡及對應的驅(qū)動,通過網(wǎng)絡控制平面,傳統(tǒng)電力微機裝置經(jīng)過程總線適配器接入該實驗系統(tǒng)；同時過程總線適配器經(jīng)PC通信卡驅(qū)動,實現(xiàn)傳統(tǒng)電力微機裝置自定義報文的收發(fā)。

圖2 基于過程總線的繼保通信結構

過程總線適配器作為整個過程總線實驗系統(tǒng)的核心,起到“橋梁”作用,主要由網(wǎng)絡控制平面和IEC 61850協(xié)議實現(xiàn)平面構成。采用PC機實現(xiàn)IEC 61850過程總線適配器功能,使得不具備以太網(wǎng)接口的傳統(tǒng)電力微機裝置通過該PC機接入到基于以太網(wǎng)的過程總線。

針對傳統(tǒng)電力微機裝置具體的網(wǎng)絡類型,在PC機主板上插入該對應網(wǎng)絡的通信卡,通過擴展與傳統(tǒng)電力微機裝置相兼容的網(wǎng)絡接口,使得傳統(tǒng)電力微機裝置能與過程總線適配器實現(xiàn)物理層面的聯(lián)系。過程總線適配器一方面通過通信卡實現(xiàn)與傳統(tǒng)電力微機裝置的報文交換；另一方面,PC通過自身的以太網(wǎng)接口,將傳統(tǒng)電力微機裝置的報文轉(zhuǎn)換為符合IEC 61850標準的報文后,經(jīng)交換機發(fā)送至過程總線。

2 基于過程總線的繼電保護實驗平臺實現(xiàn)

我院現(xiàn)有的繼電保護實驗平臺由5套DJZ型實驗臺和1個控制臺工控機組成[11],可開出線路保護、變壓器保護等實驗。每套實驗臺包含微機裝置、線路、變壓器、開關和互感器等設備,通過微機裝置中的RS485總線與控制臺的工控機相連,形成一個通過RS485總線實現(xiàn)實驗控制臺與實驗臺進行信息交換的網(wǎng)絡化結構。微機裝置通過自定義的報文格式與工控機交換信息,實現(xiàn)電流和電壓等模擬量的具體數(shù)值信息以及開關狀態(tài)和操作等簡單信息在二者之間的傳遞。

充分利用實驗臺較為完整的電力一次系統(tǒng)功能以及RS485通信功能,將DJZ型實驗臺微機裝置“改造”成LMU和LISW,保留微機裝置原先的電氣量采集、開關狀態(tài)以及操作功能,并剔除微機裝置原有的算法和邏輯判斷功能,完善RS485報文收、發(fā)功能,使其實現(xiàn)與工控機的信息實時交換。

實驗控制臺的工控機作為整個系統(tǒng)的核心,通過軟件編程使其實現(xiàn)過程總線適配器的功能,如圖3所示。工控機利用主板插槽的RS485通信卡,與充當LMU和LISW功能的微機裝置、通過RS485總線進行報文信息交換。

圖3 基于過程總線的繼保實驗平臺結構示意圖

采用上述方法對現(xiàn)有的實驗臺改造,不但實現(xiàn)了傳統(tǒng)實驗平臺基本功能,還將功能獨立的實驗臺、通過通信網(wǎng)絡的方式緊密聯(lián)系起來,從而可以實現(xiàn)更大規(guī)模、情況更復雜的電力系統(tǒng)實驗,無需額外設備開銷便可實現(xiàn)更豐富的功能[12-15]。

3 繼電保護信息通信實驗的設計

過程總線所傳遞的核心信息是電力系統(tǒng)的開關量和模擬量信息。為兼顧通用性、實時性和安全性等性能,IEC 61850標準分別采用GOOSE報文和9-2LE格式的SMV報文作為開關量和模擬量的傳輸載體。

3.1 IEC 61850解析的繼電保護信息通信設計思路

傳統(tǒng)微機繼保裝置普遍采用自定義的報文格式,需先轉(zhuǎn)換成SMV和GOOSE等遵循IEC 61850報文。為了減少報文轉(zhuǎn)換難度,根據(jù)電力微機裝置所確定的功能,事先定義好SMV和GOOSE格式,并按照報文信息直接映射的方法,產(chǎn)生對應的報文。通過IEC 61850協(xié)議實現(xiàn)平面,實現(xiàn)不符合IEC 61850標準的報文與過程總線的GOOSE和SMV核心報文的轉(zhuǎn)換。SMV報文采用當前應用最廣泛的IEC 61850-9-2LE報文方式。采用映射和填充的方式,進行報文的轉(zhuǎn)換。遵循IEC 61850功能的MU、ISW和IED,經(jīng)過程總線交換機后,直接接入過程總線。

工控機利用自身的以太網(wǎng)網(wǎng)卡接入到交換機,遵循IEC 61850標準的IED可以直接接入到該交換機,形成過程總線。在本實驗平臺中,IED由PC機實現(xiàn),以GOOSE報文和SMV報文形式,分別接收來自于微機裝置的開關信息和電氣量信息,微機裝置的算法和邏輯判斷功能移植到PC機中完成,PC機將邏輯判斷的結果(跳閘等命令)以GOOSE報文形式發(fā)送到過程總線,并經(jīng)工控機轉(zhuǎn)換后發(fā)送到對應的微機裝置中。同時,過程總線中接入一臺PC機專門進行報文捕捉和解析功能,PC機運行Wireshark等報文捕捉軟件,通過直觀地觀察過程總線上所捕捉的報文,可進一步分析整個實驗系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

3.2 繼電保護信息通信實驗實現(xiàn)方案

利用GOOSE和SMV報文實現(xiàn)繼電保護信息的通信,可按以下步驟進行:

(1) 當信息由傳統(tǒng)微機繼電保護裝置流向過程總線時,IEC 61850過程總線適配器接收來自各種現(xiàn)場總線的報文,由PC機建立信息映射表,以微機繼電保護裝置發(fā)送的信息類型為基礎,進行信息歸類。若微機繼電保護裝置發(fā)送電力采集信息(即模擬量),則PC機將該信息映射為SMV報文,并定時發(fā)送；若微機繼保裝置發(fā)送的是斷路器等開關信息,則映射為GOOSE報文,PC機同時實現(xiàn)GOOSE 報文不等長報文發(fā)送機制。

(2) 收到微機繼電保護裝置的信息后,通過映射方式,將微機繼電保護裝置的功能轉(zhuǎn)換成GOOSE,并通過GOOSE的不等長間隔機制發(fā)送到過程總線的交換機。當信息由過程總線流向微機繼電保護裝置時,與上述轉(zhuǎn)換過程類似,將GOOSE或SMV報文經(jīng)過過程總線適配器轉(zhuǎn)換為微機繼電保護裝置自定義報文形式,再由PC機通過相應的網(wǎng)絡接口將信息傳遞至微機繼電保護裝置。

(3) 工控機接收來自微機繼電保護裝置的報文,首先通過報文源地址和目的地址,判斷出發(fā)送報文的微機裝置以及報文將要發(fā)送到的目標裝置，然后判斷報文類型,進而通過映射方法將其轉(zhuǎn)化為9-2LE報文和GOOSE報文。由于GOOSE報文具有特殊的重發(fā)機制,工控機將微機裝置反映開關狀態(tài)的一次性報文,轉(zhuǎn)換為不間斷發(fā)送的GOOSE報文。

4 結語

針對傳統(tǒng)實驗裝置難以研究智能變電站下繼電保護技術的現(xiàn)狀,本文提出了基于過程總線的繼電保護實驗平臺設計和實現(xiàn)方法。利用該平臺,可實現(xiàn)智能設備與傳統(tǒng)繼保設備的融合,深入研究繼保技術在智能變電站、智能電網(wǎng)發(fā)展中的應用,有效地將產(chǎn)學研緊密結合起來。將該實驗平臺應用到本科生的科研和競賽活動中,取得了良好的實驗教學效果,提升了學生的興趣和實踐動手能力。僅2015年度,運用該平臺設計實驗和產(chǎn)品方案多項,獲得了第八屆全國大學生節(jié)能減排大賽三等獎、第一屆下一代互聯(lián)網(wǎng)技術創(chuàng)新大賽華南地區(qū)一等獎、ABB全國大學生創(chuàng)新大賽優(yōu)秀獎等各類獎項。

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Development on experimental platform for relay protection based on process bus

Wang Zhidong1,2, Chen Junhong1, Yuan Lüzerui1, Liu Zhenlin3, Liang Mei1, Gao Rui1, Deng Fengqiang1

(1. School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China;2. School of Electrical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510800, China; 3. Dongguan Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Corporation, Dongguan 523000, China)

In order to research the application of relay protection technology in smart substation, and according to the standard IEC 61850, the function of microcomputer protection device is reconstructed, and the process bus technology is introduced to upgrade the traditional electrical protection experimental platform. The process bus adapter by PC control is designed, and the communication problems between the devices of heterogeneous communication ports are solved. Taking GOOSE and SMV message transmission relay as an example, the application of IEC 61850 on this experimental platform is introduced, and with the aid of this experimental platform, the students can conveniently implement the experiment on the relay protection of smart substation and study the IEC61850 standards.

relay protection; experimental platform; process bus; IEC 61850

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.025

2016-06-06 修改日期：2016-07-25

廣東省高等教育教學改革項目(GDJG20142042)；廣東教育教學成果獎(高等教育)培育項目；華南理工大學本科教研教改項目；華南理工大學“探索性實驗”教學項目

王智東(1980—)，男，廣東海豐，博士，實驗師，從事電力系統(tǒng)繼電保護的科研和教學

E-mail：zdwang@scut.edu.cn

梁梅(1981—)，女，廣西梧州，碩士，實驗師，從事電氣工程及其自動化的實驗教學.

E-mail：eplm@scut.edu.cn

TM724；G484

: A

: 1002-4956(2016)12-0100-04