基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站通信架構(gòu)可靠性分析

李路遙 黃 力

國網(wǎng)湖北省電力有限公司超高壓公司 武漢 430064

1 分析背景

變電站是整個(gè)電力系統(tǒng)的重要組成部分,能夠借助變壓器改變電壓等級(jí),連接不同電壓等級(jí)電網(wǎng),為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供重要保障。變電站一次設(shè)備通常包括電流互感器、電壓互感器、電纜、線路、母線、電抗器、電容器、斷路器等,通過變電站自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)這些一次設(shè)備進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)視、控制。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及變電站在廣域網(wǎng)中向外界提供的接口是由國際電工委員會(huì)在2004年發(fā)布的IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)來定義的。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布及其應(yīng)用的普及大大提高了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)水平和安全穩(wěn)定運(yùn)行水平,節(jié)約了開發(fā)驗(yàn)收維護(hù)的人力物力,實(shí)現(xiàn)了完全互操作性,并迅速拉動(dòng)了智能電網(wǎng)的建設(shè)步伐。

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)使用以太網(wǎng)作為物理和數(shù)據(jù)鏈路層,而不是傳統(tǒng)變電站使用的設(shè)備之間的專用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接[1-2]。變電站一次設(shè)備是輸電、配電系統(tǒng)及整個(gè)電網(wǎng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施,因此,變電站自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)非?？煽?并在投入使用前進(jìn)行可靠性分析。

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的成功與否取決于通信系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì),確保底層以太網(wǎng)能夠在所需的時(shí)間段內(nèi)傳輸消息。在對(duì)基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站通信架構(gòu)進(jìn)行可靠性分析時(shí),必須搭建具有全功能的數(shù)據(jù)仿真庫。在國內(nèi)外研究中,仿真器的使用已經(jīng)相當(dāng)普遍,但是大多數(shù)都存在功能不全、設(shè)置太少等缺點(diǎn)。

肖子健[3]采用開源的OPNET仿真器對(duì)D2-1型智能變電站架構(gòu)進(jìn)行仿真,利用時(shí)延測(cè)量分析通信性能。劉俊培等[4]總結(jié)基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的智能電子設(shè)備模型構(gòu)建過程和步驟,為智能變電站中智能組件模型的建立打下基礎(chǔ)。當(dāng)然,文獻(xiàn)中提出的大多數(shù)工具和方法都是基于模擬變電站設(shè)備及其運(yùn)行狀態(tài),仿真結(jié)果并未與實(shí)際情況相結(jié)合。

為了克服以上缺點(diǎn),提高結(jié)果的準(zhǔn)確性,從而更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)系統(tǒng)性能,筆者提出基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字變電站配置,具體配置包括真實(shí)元件參數(shù)和模擬元件參數(shù),進(jìn)而進(jìn)行變電站通信架構(gòu)可靠性分析。

2 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域的全球通用標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)了智能變電站的工程運(yùn)作標(biāo)準(zhǔn)化,使智能變電站的工程實(shí)施更規(guī)范、統(tǒng)一、透明[5]。

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)各個(gè)廠家智能電子設(shè)備之間的通信進(jìn)行分類和分析,要求具有互操作性,使用通用的工程模型、數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[6]。

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)將變電站的通信體系分為三個(gè)層次,即站控層、間隔層、過程層。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)定義了變電站的抽象對(duì)象模型及在網(wǎng)絡(luò)上訪問這些對(duì)象的方法。其中,IEC 61850-7-3、IEC 61850-7-4定義了各種數(shù)據(jù)對(duì)象類和邏輯節(jié)點(diǎn)類,IEC 61850-7-2定義了使用這些邏輯節(jié)點(diǎn)配置更高級(jí)功能的方法。物理設(shè)備可以由多個(gè)邏輯設(shè)備組成,抽象對(duì)象模型就是根據(jù)智能電子設(shè)備中邏輯節(jié)點(diǎn)的功能來表示變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的功能。變電站內(nèi)各智能電子設(shè)備都通過局域網(wǎng)連接在一起,他們之間的通信模式都是采用與網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立的抽象通信服務(wù)接口[7]。

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)一個(gè)很重要的作用就是具有互操作性,使不同廠商的智能電子設(shè)備可以合并成一個(gè)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)。通常,智能電子設(shè)備最初是在工程階段配置的。因此,不同廠商使用的工程和系統(tǒng)架構(gòu)配置工具需要能夠交換有關(guān)智能電子設(shè)備的信息。為實(shí)現(xiàn)這一功能,IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)提供了全面的基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言的變電站配置描述語言,用于指定包括一次設(shè)備、智能電子設(shè)備、通信鏈路在內(nèi)的完整的系統(tǒng)架構(gòu)。用變電站配置描述語言描述的智能電子設(shè)備能力描述文件用于規(guī)定電力設(shè)備的應(yīng)用功能,如保護(hù)功能等。用變電站配置描述語言描述的變電站配置描述文件則用于描述主要對(duì)象、每個(gè)智能電子設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的功能和變電站的通信鏈路[8]。由此,變電站配置描述文件內(nèi)容包括變電站命名和拓?fù)涿枋?、智能電子設(shè)備配置描述、開關(guān)站元件、智能電子設(shè)備功能之間的關(guān)系,以及通信網(wǎng)絡(luò)描述。

來自不同供應(yīng)商用于間隔控制和后備保護(hù)的兩個(gè)獨(dú)立智能電子設(shè)備如圖1所示。兩個(gè)智能電子設(shè)備都包括用于應(yīng)用功能過時(shí)限保護(hù)和開關(guān)控制、開關(guān)設(shè)備對(duì)象斷路器和電流互感器的邏輯節(jié)點(diǎn)。兩個(gè)智能電子設(shè)備共存于變電站的單個(gè)間隔中。如果想進(jìn)一步利用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì),可以集成為單個(gè)智能電子設(shè)備,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立功能,如圖2所示。集成智能電子設(shè)備包括兩個(gè)應(yīng)用功能的集成,并且對(duì)數(shù)據(jù)模型和邏輯通信鏈路沒有影響。站控總線層只有一個(gè)物理連接,斷路器邏輯節(jié)點(diǎn)對(duì)斷路器的內(nèi)部表示在集成之后僅存在一次。由以上分析可見,IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)支持功能集成,并且不影響系統(tǒng)操作。

圖1 兩個(gè)獨(dú)立智能電子設(shè)備

圖2 集成單個(gè)智能電子設(shè)備

綜合可知,IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)具有四方面特點(diǎn)[9]。

(1) 定義變電站的信息分層結(jié)構(gòu)。將變電站的通信體系分為三個(gè)層次,即站控層、間隔層、過程層,并且定義層和層之間的通信接口。

(2) 采用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)建模技術(shù),定義基于客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型。

(3) 數(shù)據(jù)自描述。采用設(shè)備名、邏輯節(jié)點(diǎn)名、實(shí)例編號(hào)、數(shù)據(jù)類名建立對(duì)象的命名規(guī)則,采用面向?qū)ο蟮姆椒ǘx對(duì)象之間的通信服務(wù)。

(4) 網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立性?？偨Y(jié)變電站內(nèi)信息傳輸所必需的通信服務(wù),設(shè)計(jì)獨(dú)立于所采用網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層協(xié)議的抽象通信服務(wù)接口。

3 變電站通信架構(gòu)

為了驗(yàn)證變電站自動(dòng)化系統(tǒng)通信架構(gòu)的性能,在實(shí)驗(yàn)室中建立試驗(yàn)裝置?；A(chǔ)設(shè)施使用變電站內(nèi)部設(shè)備和工具集構(gòu)建,數(shù)字變電站環(huán)境使用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)相互連接的真實(shí)和模擬智能電子設(shè)備構(gòu)建,得到典型變電站通信架構(gòu)。

通過使用具有預(yù)期功能的相同數(shù)量的智能電子設(shè)備進(jìn)行復(fù)制,各種智能電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信能夠與變電站網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際流量相匹配。內(nèi)部開發(fā)的工具集用于測(cè)量完全運(yùn)行場(chǎng)景中任何時(shí)間點(diǎn)的帶寬利用率和消息傳輸時(shí)間。對(duì)測(cè)量得到的參數(shù)進(jìn)行分析,以評(píng)估通信架構(gòu)的性能,從而評(píng)估變電站自動(dòng)化系統(tǒng)。試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置包括五部分。

(1) 兩臺(tái)實(shí)際智能電子設(shè)備。

(2) 安裝有包含模擬智能電子設(shè)備配置文件的軟件庫的計(jì)算機(jī),可以生成具有唯一網(wǎng)際協(xié)議地址的任意數(shù)量模擬智能電子設(shè)備,以便可以同時(shí)成為變電站網(wǎng)絡(luò)的一部分。

(3) 變電站配置管理器工具。用于變電站智能電子設(shè)備的初始設(shè)置和工程運(yùn)行。

(4) 帶寬測(cè)量工具。使用內(nèi)部開發(fā)的軟件工具,用于測(cè)量任何時(shí)間點(diǎn)的帶寬利用率。

(5) 消息傳輸時(shí)間測(cè)量工具。使用內(nèi)部開發(fā)的基于JAVA語言的工具,用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)通信設(shè)備之間端到端的延時(shí)。

所有試驗(yàn)設(shè)備和工具集都使用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)相互連接。

4 可靠性分析

在進(jìn)行通信架構(gòu)性能仿真試驗(yàn)之前,過程層的采樣頻率和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所使用的網(wǎng)絡(luò)帶寬需要通過前期仿真與分析來提前確定。這是因?yàn)檫^程層的采樣頻率占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的比重較大,頻率的大小直接決定了數(shù)據(jù)流的體量,網(wǎng)絡(luò)帶寬則決定了網(wǎng)絡(luò)的承載能力,這兩者不進(jìn)行很好的平衡和選擇,將直接影響后續(xù)試驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性。

采用變電站的初始通信架構(gòu)作為基礎(chǔ)模型,即只包括兩個(gè)實(shí)際智能電子設(shè)備和兩個(gè)模擬智能電子設(shè)備。所有設(shè)備通過以太網(wǎng)交換機(jī)連接在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的1 Mibit/s網(wǎng)絡(luò)上,所有智能電子設(shè)備都按照預(yù)定的運(yùn)行時(shí)的功能進(jìn)行配置。采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)推薦的4 kHz采樣頻率和1 Mibit/s充裕帶寬進(jìn)行試驗(yàn)。

依據(jù)所搭建的通信架構(gòu)試驗(yàn)裝置,使用不同數(shù)量的智能電子設(shè)備進(jìn)行對(duì)比仿真試驗(yàn),采用實(shí)時(shí)性作為考量標(biāo)準(zhǔn),篩選出性能最優(yōu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。鑒于要考察的是網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)情況,因此實(shí)時(shí)性是衡量網(wǎng)絡(luò)好壞的重要指標(biāo),也是確定網(wǎng)絡(luò)是否可靠的重要標(biāo)準(zhǔn)[10]。

實(shí)際的智能電子設(shè)備1從外部世界接收二進(jìn)制輸入,當(dāng)接收到二進(jìn)制輸入時(shí),智能電子設(shè)備1將面向通用對(duì)象的變電站事件指令觸發(fā)到實(shí)際智能電子設(shè)備2,同時(shí)向模擬智能電子設(shè)備發(fā)送相同的指令。通過功能齊全的試驗(yàn)測(cè)量工具來獲得網(wǎng)絡(luò)上一條信息的帶寬利用和傳輸時(shí)間,性能分析結(jié)果如圖4所示。由圖4可見,帶寬利用約為115 kibit/s,傳輸時(shí)間為0.5 ms,通信網(wǎng)絡(luò)延時(shí)為1 ms。根據(jù)以上數(shù)據(jù),可以得出通信性能十分優(yōu)異的結(jié)論。

圖4 性能分析結(jié)果

重復(fù)上述試驗(yàn),增加變電站網(wǎng)絡(luò)中智能電子設(shè)備的數(shù)量,分別達(dá)到6個(gè)智能電子設(shè)備(2個(gè)實(shí)際智能電子設(shè)備、4個(gè)模擬智能電子設(shè)備)、8個(gè)智能電子設(shè)備(2個(gè)實(shí)際智能電子設(shè)備、6個(gè)模擬智能電子設(shè)備)、12個(gè)智能電子設(shè)備(2個(gè)實(shí)際智能電子設(shè)備、10個(gè)模擬智能電子設(shè)備)。四種變電站配置通信架構(gòu)性能對(duì)比見表1。

表1 變電站通信架構(gòu)性能對(duì)比

通過試驗(yàn)分析可以得出,隨著模擬智能電子設(shè)備數(shù)量的增加,系統(tǒng)通信架構(gòu)的帶寬利用率和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)都會(huì)增大。當(dāng)帶寬利用率和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)大于系統(tǒng)的限制時(shí),就可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)堵塞,系統(tǒng)的可靠性隨之降低。

試驗(yàn)裝置能夠測(cè)試變電站中智能電子設(shè)備是否發(fā)生故障。當(dāng)變電站智能電子設(shè)備故障時(shí),將故障智能電子設(shè)備從實(shí)際變電站現(xiàn)場(chǎng)移除,安裝到試驗(yàn)裝置中,測(cè)試故障類型及故障程度。通過測(cè)試得到的故障結(jié)果來進(jìn)行相應(yīng)檢修,然后再將修復(fù)后的智能電子設(shè)備安裝在實(shí)際變電站中,由此大大降低變電站安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。同樣,試驗(yàn)裝置的變電站測(cè)試環(huán)境也可以用于智能電子設(shè)備的日常定期維護(hù)。

5 結(jié)束語

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的安全高效需要變電站通信架構(gòu)的可靠性來保障。筆者對(duì)基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站通信架構(gòu)進(jìn)行可靠性分析,在變電站通信架構(gòu)的不同層次上,基于實(shí)際智能電子設(shè)備和模擬智能電子設(shè)備,對(duì)帶寬利用率和傳輸時(shí)間等進(jìn)行測(cè)量,對(duì)變電站通信架構(gòu)的可靠性進(jìn)行評(píng)估,進(jìn)而為變電站通信架構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。