基于IEC61850-90-5的分布式區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)

劉革明，李園園，戴光武，劉東超，楊貴，陳玉林，李建鴻

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引 言

在區(qū)域保護(hù)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同保護(hù)之間的動(dòng)作配合，改善繼電保護(hù)性能，可以借助廣域測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)(WAMS)[1]，智能變電站數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展為區(qū)域保護(hù)技術(shù)的實(shí)施創(chuàng)造了有利條件。但區(qū)域保護(hù)系統(tǒng)的測(cè)量點(diǎn)多，需要的信息量巨大，選擇合理的站間通信協(xié)議及通信帶寬是區(qū)域保護(hù)能否推廣的基礎(chǔ)。黑龍江延壽、尚志和亞布力區(qū)域保護(hù)系統(tǒng)，各測(cè)量點(diǎn)采用IEC61850-9-2協(xié)議將SV信息直接進(jìn)行站間通信網(wǎng)絡(luò)傳輸，子站采用了100 Mbit/s網(wǎng)絡(luò)，主站采用了1 Gbit/s網(wǎng)絡(luò)[2]。一方面，高帶寬的需求給區(qū)域保護(hù)系統(tǒng)的容量以及擴(kuò)展性都帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。另一方面，變電站內(nèi)的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)由于不支持可路由協(xié)議，不宜直接進(jìn)行站間傳輸。所以區(qū)域繼電保護(hù)對(duì)通信技術(shù)、信息處理技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)提出了許多新的要求[3]。

為合理有效利用站間通信資源，并在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)思想下應(yīng)用區(qū)域保護(hù)，本文提出了基于IEC61850-90-5的區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)，并應(yīng)用于分布式結(jié)構(gòu)中，為變電站區(qū)域保護(hù)的工程實(shí)踐及推廣提供了技術(shù)參考。

1 IEC61850-90-5介紹

在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)推廣前，電力系統(tǒng)同步相量測(cè)量裝置(PMU)主要采用的是IEEE C37.118標(biāo)準(zhǔn)。IEEE希望將C37.118變?yōu)镮EC認(rèn)可的雙徽標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，而IEC認(rèn)為IEC61850已具備傳輸同步相量的能力，拒絕了IEEE的申請(qǐng)。為此，IEEE將C37.118拆分為兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：(1)IEEE C37.118.1-2011：關(guān)于PMU測(cè)量性能的標(biāo)準(zhǔn)。(2)IEEE C37.118.2-2011： IEEE 體系的PMU通信規(guī)約的標(biāo)準(zhǔn)。其中，IEEE C37.118.1-2011被IEC61850等同采用，而IEEE C37.118.2-2011被IEC61850-90-5放棄[4]。IEC16850-90-5對(duì)變電站內(nèi)的SV協(xié)議和GOOSE協(xié)議進(jìn)行改造，采用了UDP多播實(shí)現(xiàn)了可路由協(xié)議，并使用IP優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)來(lái)提升傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。由于使用了IP網(wǎng)絡(luò)，報(bào)文可通過(guò)路由器自由傳輸，靈活性更強(qiáng)[5]。為了與變電站內(nèi)的SV和GOOSE協(xié)議區(qū)別，IEC61850-90-5將可路由的SV協(xié)議定義為R-SV，將可路由的GOOSE協(xié)議定義為R-GOOSE。

將IEC61850-90-5標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于區(qū)域保護(hù)有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)實(shí)現(xiàn)了過(guò)程層信息可路由傳輸，滿足變電站之間的通信要求。IEC61850-90-5將變電站內(nèi)通信的成熟技術(shù)拓展到站間，采用了UDP多播方式傳輸可路由的SV和GOOSE信息。采用IEC61850-90-5標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議后，不同廠商的IED設(shè)備在站間進(jìn)行互操作成為了可能。當(dāng)站間通信發(fā)生異常時(shí)，采用IEC61850信息網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工具對(duì)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文進(jìn)行捕獲，快速定位通信異常的原因。

2)同步相量測(cè)量技術(shù)解決了區(qū)域差動(dòng)保護(hù)的同步問(wèn)題。傳統(tǒng)基于就地信息的線路差動(dòng)保護(hù)通常采用計(jì)算通道延時(shí)的方法完成各側(cè)電氣量同步，但此方法通常要求各測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信連接，應(yīng)用于區(qū)域保護(hù)后會(huì)將區(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)變得極其復(fù)雜，不利于工程的實(shí)施、維護(hù)。采用IEC61850-90-5標(biāo)準(zhǔn)后，各側(cè)以統(tǒng)一時(shí)鐘源(如北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))實(shí)現(xiàn)電氣量的同步測(cè)量，不僅簡(jiǎn)化了區(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，而且滿足了區(qū)域差動(dòng)保護(hù)的同步要求。

3)有效實(shí)現(xiàn)了站間信息的共享，節(jié)省了站間通信資源。傳統(tǒng)基于就地信息的保護(hù)裝置以及PMU等在站間傳輸?shù)碾姎饬啃畔⒋蠖鄶?shù)含義相同，浪費(fèi)了大量的通信資源。采用IEC61850-90-5標(biāo)準(zhǔn)后，IED設(shè)備計(jì)算的電氣量信息可以共享使用，有效節(jié)省了站間通信資源。

2 基于IEC61850-90-5的分布式區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)實(shí)現(xiàn)方案

2.1 IEC61850-90-5關(guān)鍵點(diǎn)

1)按照IEC61850-90-5標(biāo)準(zhǔn)，同步相量數(shù)據(jù)直接映射到MMXU邏輯節(jié)點(diǎn)。同步相量數(shù)據(jù)既可以用極坐標(biāo)方式表達(dá)，也可以用直角坐標(biāo)方式表達(dá)。用極坐標(biāo)方式表達(dá)R-SV虛端子配置示意如表1所示。

表1 R-SV虛端子

x(t)=Xmcos (ωt+φ)

(1)

(2)

φ與秒脈沖(PPS)的關(guān)系如圖1所示，當(dāng)x(t)信號(hào)的正峰值與秒脈沖重合時(shí)，同步相量的角度應(yīng)該計(jì)算為0度；當(dāng)x(t)信號(hào)從負(fù)半軸穿越正半軸的過(guò)零點(diǎn)與秒脈沖重合時(shí)，同步相量的角度應(yīng)該計(jì)算為-90度。

圖1 同步相量的規(guī)定

3)與IEC61850-9-2相比，IEC61850-90-5中R-SV的應(yīng)用層協(xié)議增加了時(shí)標(biāo)屬性RefrTm，這樣結(jié)合采樣率SmpRate和采樣序號(hào)SmpCnt，就可以計(jì)算出任一幀同步相量的時(shí)標(biāo)(RefrTm+ SmpCnt/SmpRate)，從而完成同步信息提取。

2.2 時(shí)鐘同步方案

差動(dòng)保護(hù)必須保證各測(cè)量點(diǎn)的同步采樣。傳統(tǒng)依靠“乒乓算法”計(jì)算通道延時(shí)的同步采樣方案需要將各測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，但這樣會(huì)使站間通信網(wǎng)絡(luò)異常復(fù)雜，不利于站間通信網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。由于IEC61850-90-5傳輸同步相量信息，因此只要在各測(cè)量點(diǎn)采用統(tǒng)一時(shí)鐘源，就很容易完成各測(cè)量點(diǎn)的信息同步。統(tǒng)一時(shí)鐘源的應(yīng)用模式主要有兩種，模式一如圖2所示，GPS或者北斗等全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時(shí)給各測(cè)量點(diǎn)的對(duì)時(shí)裝置，各對(duì)時(shí)裝置通過(guò)B碼或秒脈沖等方式為各測(cè)量點(diǎn)的區(qū)域保護(hù)設(shè)備進(jìn)行對(duì)時(shí)，從而完成各測(cè)量點(diǎn)的時(shí)鐘同步。模式二如圖3所示，任選一測(cè)量點(diǎn)安裝對(duì)時(shí)裝置作為統(tǒng)一時(shí)鐘源，通過(guò)站間通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)IEEE-1588對(duì)時(shí)，從而完成各測(cè)量點(diǎn)的時(shí)鐘同步。

當(dāng)站間通信采用復(fù)用通道時(shí)，考慮到MSTP等以太網(wǎng)通信設(shè)備存在較大的傳輸抖動(dòng)，同時(shí)收、發(fā)時(shí)延也可能存在不對(duì)稱的情況，這樣將會(huì)對(duì)IEEE-1588對(duì)時(shí)精度產(chǎn)生較大的影響，因此建議采用模式一的時(shí)鐘同步方案。當(dāng)站間通信采用專用光纖通道時(shí)，通信的穩(wěn)定性和收發(fā)時(shí)延的對(duì)稱性能夠得到保證，因此建議采用模式二的時(shí)鐘同步方案。

圖2 時(shí)鐘同步模式一

圖3 時(shí)鐘同步模式二

為了確保區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)性能不受時(shí)鐘同步的影響，建議同時(shí)配置區(qū)域差動(dòng)和區(qū)域高頻保護(hù)。當(dāng)時(shí)鐘同步正常時(shí)，區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)工作在區(qū)域差動(dòng)方式；當(dāng)時(shí)鐘同步異常時(shí)，從區(qū)域差動(dòng)方式自動(dòng)切換為區(qū)域高頻方式，以此實(shí)現(xiàn)線路主保護(hù)性能對(duì)時(shí)鐘同步的弱依賴。

2.3 站間通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案

對(duì)于區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)，站間通信網(wǎng)絡(luò)需要有很高的可靠性。可靠性通常需要冗余鏈路來(lái)保證，在IEC62439標(biāo)準(zhǔn)眾多冗余協(xié)議中，高可用無(wú)縫環(huán)網(wǎng)協(xié)議(HSR)的故障恢復(fù)時(shí)間為零，經(jīng)濟(jì)性好，并且支持以太網(wǎng)接入，很適合基于IEC61850-90-5標(biāo)準(zhǔn)的站間通信。

圖4 專用光纖的HSR網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于專用光纖通道，HSR網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案如圖4所示，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。

對(duì)于復(fù)用通道，電力系統(tǒng)主要的傳輸網(wǎng)絡(luò)仍以SDH設(shè)備為主，但SDH設(shè)備不支持TDM、ATM、以太網(wǎng)等業(yè)務(wù)接入，因此基于IEC61850-90-5網(wǎng)絡(luò)通信無(wú)法直接接入SDH。在不更換SDH設(shè)備的前提下，最佳解決方案就是采用MSTP技術(shù)。MSTP是指基于SDH 平臺(tái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)TDM、ATM、以太網(wǎng)等業(yè)務(wù)的接入、處理和傳送，提供統(tǒng)一網(wǎng)管的多業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)。如圖5所示，區(qū)域保護(hù)設(shè)備通過(guò)HSR交換機(jī)與MSTP設(shè)備的EoS板卡連接，MSTP開通各站點(diǎn)信息共享的通道，實(shí)現(xiàn)各站點(diǎn)信息共享，HSR則實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)保護(hù)功能。

圖5 復(fù)用通道的HSR網(wǎng)絡(luò)

上述HSR交換機(jī)環(huán)網(wǎng)的通信架構(gòu)，改變了現(xiàn)有的繼電保護(hù)設(shè)備站間通信均采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，實(shí)現(xiàn)了站間信息共享功能，減少了網(wǎng)管配置工作量，同時(shí)提供了網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫冗余保護(hù)，保證了區(qū)域保護(hù)通信網(wǎng)的可靠性。

3 工程應(yīng)用案例

浙江一區(qū)域電網(wǎng)主接線圖示意簡(jiǎn)圖如圖6所示，其中4條110 kV線路(甲乙一線、甲乙二線、乙丙線、丙丁線)全部未配置主保護(hù)，需通過(guò)保護(hù)范圍與動(dòng)作時(shí)間的逐級(jí)配合來(lái)確保故障切除的選擇性，選擇性和速動(dòng)性很難兼顧。為提高故障切除的快速性和準(zhǔn)確性，決定將基于IEC61850-90-5標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)應(yīng)用于該區(qū)域電網(wǎng)作為示范工程。在甲、乙、丙、丁四個(gè)站分別配置分布式區(qū)域保護(hù)控制裝置，結(jié)合HSR技術(shù)傳輸R-GOOSE、R-SV區(qū)域電網(wǎng)信息，實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)信息共享，完善和提升區(qū)域電網(wǎng)繼電保護(hù)性能、優(yōu)化控制策略，提高電網(wǎng)整體的供電安全可靠性。

圖6 區(qū)域電網(wǎng)主接線示意簡(jiǎn)圖

按照該區(qū)域電網(wǎng)參數(shù)搭建RTDS仿真測(cè)試系統(tǒng)，驗(yàn)證基于IEC61850-90-5標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)的正確性。以乙丙線為例，在線路區(qū)內(nèi)各個(gè)故障點(diǎn)(出口、中點(diǎn)、末端)模擬各種瞬時(shí)性故障及永久性故障，區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)全部正確快速動(dòng)作。區(qū)外(兩側(cè)母線)模擬各種瞬時(shí)性故障及永久性故障，區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)全部沒(méi)有動(dòng)作。其中，乙丙線線路中點(diǎn)A相接地故障時(shí)的保護(hù)錄波圖如圖7、圖8所示。

圖7 乙側(cè)保護(hù)錄波圖

圖8 丙側(cè)保護(hù)錄波圖

該區(qū)域電網(wǎng)保護(hù)示范工程的通信架構(gòu)如圖5所示。四個(gè)變電站的站間通信采用復(fù)用通道，各站的區(qū)域保護(hù)接入HSR交換機(jī)，HSR交換機(jī)接入MSTP設(shè)備。 HSR交換機(jī)實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)保護(hù)功能。整個(gè)示范工程的通信帶寬小于8 M，占用了很少的通信帶寬資源。

該示范工程的時(shí)鐘同步方案采用的模式如圖2所示，各變電站的對(duì)時(shí)裝置與GPS實(shí)現(xiàn)同步，然后輸出B碼給各區(qū)域保護(hù)裝置對(duì)時(shí)。當(dāng)時(shí)鐘同步正常時(shí)，區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)工作在區(qū)域差動(dòng)方式，當(dāng)對(duì)時(shí)異常時(shí)，區(qū)域差動(dòng)保護(hù)能夠及時(shí)自動(dòng)閉鎖，同時(shí)自動(dòng)投入?yún)^(qū)域高頻保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了線路主保護(hù)性能對(duì)時(shí)鐘同步的弱依賴，有效地保證了區(qū)域電網(wǎng)的可靠性。

該區(qū)域電網(wǎng)保護(hù)示范工程已于2015年12月順利實(shí)施投運(yùn)，至今運(yùn)行情況良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于IEC61850-90-5的分布式區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了站間通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，提高了信息共享能力，有效地節(jié)省了站間通信資源。根據(jù)專用光纖和復(fù)用通道分別設(shè)計(jì)了兩種不同模式的時(shí)鐘同步方案和通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案，結(jié)合HSR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在不降低時(shí)鐘同步精度的前提下，既簡(jiǎn)化了站間通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，又保證站間通信的可靠性。弱依賴于時(shí)鐘同步的線路縱聯(lián)保護(hù)工作方式，能夠自適應(yīng)地調(diào)整縱聯(lián)保護(hù)的策略，有效地保證了區(qū)域電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

[1] 王陽(yáng)光，尹項(xiàng)根，游大海，等．遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的廣域電流差動(dòng)保護(hù)IED[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32(2)：53-57．

[2] 馬欣彤，周迎秋，金華鋒，等．廣域智能控制系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建方案[J]．黑龍江電力，2012，34(4)：292-295．

[3] 丁偉, 何奔騰，王慧芳，等．廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)研究綜述[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2012, 40(1): 145-155.

[4] INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION.Communication networks and systems for power utility automation-Part 90-5:Use of IEC 61850 to transmit synchrophasor information according to IEEE C37.118[S]. Geneva: IEC Publications, 2012.

[5] 任雁銘，操豐梅．IEC61850新動(dòng)向和新應(yīng)用[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37(2)：1-6．

[6] IEEE STANDADASSOCIATION.IEEE Standard for Synchrophasor Measurements for POWER Systems[S]. New York: IEEE 3 Park Avenue,2011.