牽引變電站數(shù)字化方案的設計與實現(xiàn)

曾慶釗

天津凱發(fā)電氣股份有限公司，天津 300392)

0 引言

在我國智能電網(wǎng)的建設進程中，數(shù)字化變電站已在電力系統(tǒng)中得到了大范圍推廣，逐步替代了常規(guī)變電站，并正在向完全智能化方向發(fā)展[1]。事實證明數(shù)字化變電站對于經(jīng)濟效應的提高相當可觀，能夠有效地降低變電站互聯(lián)互通的復雜性[2]。作為電力系統(tǒng)重要的分支，電氣化鐵路和軌道交通綜合自動化領(lǐng)域牽引變電站大部分仍采用傳統(tǒng)變電站作為主要實現(xiàn)方式，近些年也有一些試點站在嘗試改進[3]，但若需進行大規(guī)模的推廣，仍需針對牽引變電站的現(xiàn)狀，研究符合牽引變電站數(shù)字化的發(fā)展模式。與電力系統(tǒng)變電站相比，牽引變電站在供電要求、負荷特征、電氣設備參數(shù)以及變電站接線方式等方面都有差異[4-5]。因此牽引變電站數(shù)字化改造，一方面要結(jié)合電力系統(tǒng)數(shù)字化變電站已取得的成果，另一方面也要考慮牽引變電站自身的特點。IEC61850 為變電站全站的通信一體化、二次設備間互聯(lián)互通提供了可能，而變電站內(nèi)部網(wǎng)絡架構(gòu)的設計關(guān)系到通信的可靠性、穩(wěn)定性等多方面的性能指標，對于牽引變電站數(shù)字化網(wǎng)絡架構(gòu)的研究具有較強的必要性[6]。本文將以VX接線的牽引變電站為例，結(jié)合電力系統(tǒng)方案，給出牽引變電站的數(shù)字化網(wǎng)絡架構(gòu)，針對雙網(wǎng)冗余需求，給出一種基于并行冗余協(xié)議(PRP)的牽引變電站網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。

1 牽引變電站結(jié)構(gòu)

IEC61850將變電站劃分為“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)[7]，包括站控層、間隔層和過程層。牽引變電站不同階段的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。傳統(tǒng)牽引變電站保護測控裝置到一次設備間的連接通常采用銅纜完成模擬量的采集和信號的傳輸。數(shù)字化牽引變電站全站統(tǒng)一采用IEC61850標準實現(xiàn)信息交互，新增合并單元MU(Merger Unit)、智能終端IT(Intelligent Terminal)、電子式互感器(ECT/EVT)及過程層交換機等設備，并采用光纖以太網(wǎng)代替銅纜，實現(xiàn)了二次設備的網(wǎng)絡化及一次設備初步智能化。

智能牽引變電站為牽引變電站數(shù)字化發(fā)展的最終目標，可實現(xiàn)一二次設備的高度集成化、就地化、網(wǎng)絡歸一化，“數(shù)字化”是實現(xiàn)智能牽引變電站的重要手段。

MMS:制造報文系統(tǒng);SV:采樣值;GOOSE:面向通用對象的變電站事件圖1 牽引變電站不同階段的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of traction substation in different stages

要實現(xiàn)數(shù)字化改造，首先需對牽引變電站進行間隔劃分，確定網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、設備布局等。目前，客運專線、高速鐵路主要采用全并聯(lián)自耦變壓器(AT)供電方式，該方式具有供電區(qū)間長、電壓損失低、通信干擾小等突出優(yōu)點。接線方式則采用VX接線，具有供電能力強、投資成本低、占地面積小等顯著優(yōu)勢。典型的VX接線牽引變電站的間隔劃分及數(shù)量如表1所示。

表1 VX接線牽引變電站間隔劃分情況Table 1 Bay separation of VX-connected traction substation

圖2 基于雙環(huán)網(wǎng)的數(shù)字化牽引變電站站控層網(wǎng)絡架構(gòu)Fig.2 Network architecture based on double loop network of substation level for digital traction substation

2 牽引變電站網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

2.1 站控層網(wǎng)絡架構(gòu)設計

基本網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)可分為總線型、星型和環(huán)型3類[8]，星型和環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)相對于總線型拓撲結(jié)構(gòu)的可靠性較高，故牽引變電站常采用環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)或星型拓撲結(jié)構(gòu)。

圖2給出了一種基于雙環(huán)網(wǎng)的數(shù)字化牽引變電站站控層網(wǎng)絡架構(gòu)實現(xiàn)方案。該方案建立了相互獨立的A、B雙環(huán)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，以VX接線牽引變電站為例，按間隔分配交換機，各間隔的智能電子設備(IED)需內(nèi)置雙網(wǎng)接口支持站控層的雙環(huán)網(wǎng)冗余配置。站控層各監(jiān)控系統(tǒng)平臺共用交換機，并配置雙網(wǎng)接口，建立雙網(wǎng)切換機制以滿足重要事件不丟失、日志記錄不間斷等要求。遠動網(wǎng)關(guān)機將間隔層“三遙”數(shù)據(jù)通過IEC60870-104規(guī)約傳輸?shù)秸{(diào)度中心。雙環(huán)網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)為牽引變電站的可靠性提供了保障，但由雙環(huán)網(wǎng)引起的一些關(guān)鍵問題還需要解決。如環(huán)路問題常采用快速生成樹協(xié)議RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol)，建立以站控層交換機為“根橋”的計算模型，將環(huán)路網(wǎng)絡修建成無環(huán)路的樹型網(wǎng)絡，避免了報文在網(wǎng)絡中形成“廣播風暴”問題。

在站控層采用簡單網(wǎng)絡時間協(xié)議/網(wǎng)絡時間協(xié)議(SNTP/NTP)對時服務完成對時網(wǎng)絡，與間隔MMS/GOOSE共用鏈路。通過以太環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)了間隔層所有IED信息共享和統(tǒng)一監(jiān)控。

2.2 過程層網(wǎng)絡架構(gòu)設計

對于重要單間隔IED的GOOSE、SV，采用直采直跳方式保證保護功能的可靠性，跨間隔IED、低電壓等級IED及計量IED采用網(wǎng)采網(wǎng)跳來確保其同步的需求，圖3給出了一種過程層組網(wǎng)架構(gòu)圖，主變間隔內(nèi)差動保護為保證其可靠性采用直采直跳方式，其他測控IED、饋線保護、站域IED則采用網(wǎng)采網(wǎng)跳方式，高壓側(cè)合并單元所接互感器支持電子式互感器和傳統(tǒng)互感器，安裝于室外進線側(cè)；低壓側(cè)互感器以氣體隔離開關(guān)柜GIS(Gas Isolated Switchgear)的方式安裝于室內(nèi)，從可靠性層面和經(jīng)濟層面考慮，其僅支持傳統(tǒng)互感器即可。對于T母線間隔和F母線間隔，由于兩間隔相互關(guān)聯(lián)，采用組網(wǎng)實現(xiàn)，可以完成故障測距等重要功能。GOOSE和SV單獨組網(wǎng)的星型拓撲結(jié)構(gòu)適用于過程層SV通信流量較大的情況；若SV通信流量較小，則采用SV和GOOSE共網(wǎng)方式更為簡潔方便。

圖3 過程層網(wǎng)絡架構(gòu)設計Fig.3 Architecture design of process level network

3 牽引變電站網(wǎng)絡冗余方案的實現(xiàn)

3.1 雙網(wǎng)雙工和雙網(wǎng)熱備用模式

雙網(wǎng)雙工模式和雙網(wǎng)熱備用模式是目前國內(nèi)電力系統(tǒng)通用的冗余實現(xiàn)方案[9]，雙網(wǎng)雙工模式由2套完全獨立的網(wǎng)絡保證冗余的，而雙網(wǎng)熱備模式基于傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議(TCP/IP)的KEEPALIVE技術(shù)實現(xiàn)冗余的。雙網(wǎng)雙工模式可實現(xiàn)雙網(wǎng)的無縫切換，但站控層設備因在應用層處理冗余報文而消耗大量資源，導致應用實現(xiàn)復雜；雙網(wǎng)熱備用模式在一定程度上減少了應用層處理冗余報文的復雜計算，但需實現(xiàn)雙網(wǎng)的切換機制邏輯，以保證任一獨立網(wǎng)絡故障時，可以迅速切換到另一獨立網(wǎng)絡運行，切換時間間隔可通過切換策略盡可能地降低，但是無法消除。

3.2 含PRP的冗余方案實現(xiàn)

PRP是基于數(shù)據(jù)鏈路層的冗余協(xié)議，能夠在任意鏈路上實現(xiàn)，可解決應用層冗余報文過濾的復雜計算過程，也可實現(xiàn)雙網(wǎng)間的無縫切換。圖4給出了PRP方案的原理示意圖，在含PRP的冗余網(wǎng)絡中，冗余節(jié)點DANP(Doubly Attached Node with PRP)起著重要作用。與雙網(wǎng)雙工、雙網(wǎng)熱備用模式不同，PRP冗余網(wǎng)絡中的IED和監(jiān)控設備均需配置MAC地址和IP地址均相同的雙以太網(wǎng)卡，通過鏈路冗余控制模塊LRE(Link Redundancy Entity)連接到上層協(xié)議，在LRE中處理重復報文，完成冗余管理。已有諸多文獻[10-11]提出了LRE模塊的實現(xiàn)算法。因此，采用PRP方案無需對應用層進行任何改動即可實現(xiàn)雙網(wǎng)配合工作，簡化了工程配置，提高了網(wǎng)絡可靠性。

圖4 含PRP的網(wǎng)絡終端節(jié)點功能結(jié)構(gòu)Fig.4 Function structure of nodes in network with PRP

根據(jù)PRP方案要求，可以對圖2所示的站控層網(wǎng)絡架構(gòu)進行改造，實現(xiàn)含PRP的站控層雙環(huán)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖5所示，對于含有雙網(wǎng)口的IED，若IED非DANP實現(xiàn)，則需安裝支持PRP的PCIe接口插卡，對于單網(wǎng)口IED，則需在網(wǎng)絡中配置冗余盒RedBox(Redundancy Box)模塊，通過RedBox模塊接入網(wǎng)絡中。 RedBox模塊專為單接口設備加入PRP網(wǎng)絡設計，同樣嵌入了LRE模塊的功能，使得單網(wǎng)口IED所產(chǎn)生的報文可通過RedBox模塊發(fā)送冗余報文和接收并過濾重復報文。

圖5 含PRP的站控層雙環(huán)網(wǎng)拓撲架構(gòu)Fig.5 Double loop network topology architecture with PRP of substation level

過程層網(wǎng)絡中，若配置PRP，需在合并單元和智能終端測配置RedBox模塊將一次設備采集量、數(shù)字量接入PRP網(wǎng)絡，間隔層保護測控IED等需配置支持GOOSE和SV的PRP雙網(wǎng)接口。本文給出了一種含PRP的過程層雙星型網(wǎng)絡拓撲架構(gòu)如圖6所示，其中，主變差動保護采用直采直跳方式確保保護功能的穩(wěn)定高效，當間隔數(shù)目較少時，可考慮將主變間隔和T、F母線間隔跨間隔共同組網(wǎng)，同時也可采用虛擬局域網(wǎng)(VLAN)技術(shù)按間隔劃分交換機，提高設備使用效率、降低成本。

圖6 含PRP的過程層雙星型網(wǎng)絡拓撲架構(gòu)Fig.6 Double-star topology with PRP of process network

5 結(jié)語

數(shù)字化牽引變電站網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣是變電站內(nèi)設備間通信可靠性的關(guān)鍵，含PRP的站控層雙環(huán)網(wǎng)拓撲架構(gòu)具有可靠性高、無縫切換、簡化應用等諸多優(yōu)點。目前，PRP技術(shù)已被國外如ABB、西門子等知名公司所采用，并進行了多次互操作實驗，具有良好的效果，可以為牽引變電站數(shù)字化改造提供參考幫助。另外，雙環(huán)網(wǎng)的建設成本高，國內(nèi)現(xiàn)有數(shù)字化二次設備不支持PRP等不利因素也需考慮。通過研究電力系統(tǒng)變電站智能化所取得成果，建設數(shù)字化牽引變電站不僅可以為牽引變電站帶來可觀的經(jīng)濟效應，還是牽引變電站智能化的關(guān)鍵歷程。