廣域差動保護建模與通信研究

李俊剛 王宏偉 魏 勇 狄軍峰 韓如月

（1.許繼電氣股份有限責任公司，河南 許昌 461000；2.河南電力設計院，鄭州 450007；3.內蒙古工業大學電力學院，呼和浩特 010080）

電流差動保護以其優越的性能，被廣泛地應用于電力系統的發電機、變壓器、線路、母線等諸多重要電氣設備的保護之中。對于電力系統的高壓、超高壓線路保護來說，電流差動保護，原理簡單可靠，具有天然的選相能力，保護靈敏度高且動作速度快，能適應電力系統振蕩、非全相運行、雙回線跨線等各種復雜的故障和不正常運行狀態。

廣域差動保護是在廣域通信的基礎上依據差動保護原理[1-2]，運用IEC61850標準建模，依賴電力系統多點信息，實現信息交換。對故障進行快速、可靠、精確的切除，同時分析故障切除對系統安全穩定運行的影響，并采取相應的控制措施，提高輸電線可用容量或系統可靠性。

將廣域差動保護系統作為雙重化或多重化保護系統中的一重，二者并行、協同地工作，以進一步提高繼電保護系統的性能，解決某些常規方法難以解決的問題，為電網的安全穩定運行構建堅固的防線。

1 廣域差動保護系統

廣域差動保護系統設計要考慮到兩方面的要求：一方面要具有先進的保護算法和功能強大的差動保護 IED；另一方面要具有高速、可靠的通信網絡，信息傳輸要滿足實時性和可靠性的要求。只有同時具有上述兩個條件，廣域差動保護才能確保保護任務的完成。

在目前，廣域通信系統主要有分布式與集中式兩種結構。分布式結構將保護和控制功能完全分散到各個IED中完成，它對終端IED的要求比較高，需要獨立完成信息的采集、通信、算法的執行、策略的生成以及跳、合閘命令的執行功能。分布式結構系統受故障的影響較小，單個故障一般不會影響到整個保護系統的工作，在分布式結構中，只要確定好信息交換的范圍，不會出現信息在之間多次往返的情況，因此通信延時不會較長。分布式結構適用于功能不復雜但對動作延時有較高要求的場合。

集中式結構中，保護中心具有強大的決策功能，這種結構對保護中心的依賴程度非常的高，因此也需要對保護中心進行雙機或多機備用配置，在這種結構下，保護中心要通過通信系統獲取各終端設備的信息，做出決策后再由通信系統將控制命令下達到終端IED，由終端IED執行決策命令。這樣如何控制好信息交換的延時就成為影響到廣域保護系統性能的重要因素[3]。

圖1 廣域差動保護系統

依據廣域差動保護的業務需求[4]，可以看出，分布式網絡結構非常適合廣域差動保護的需求，如圖1所示，能在實時性和安全性上給予保證。

2 廣域差動保護功能與建模

2.1 廣域差動保護功能

目前，已有一些學者對廣域電流差動保護的算法進行了研究[4]，得到了一些比較可行的成果。

然后，提出的廣域差動保護原理基本都是基于以下步驟進行：①同時對每個事先劃定好各自的保護區域，以便故障發生后與其它IED進行有目的的信息交換；②對每個IED都列出其最大保護區域內所包含的被保護設備線路與它的對應關系表；③在所研究的IED內部，將其他IED傳來的故障方向信息按對應表中的關系進行比較計算，確定出故障發生的區段。

基于這種設計思想,在電力系統故障時,故障點鄰近的所有都能夠確切地判斷出故障點所在的位置，然后根據預定的邏輯執行相應的操作。為增加故障方向元件輸出的可靠性，在每個IED中可采用多種原理的故障方向判斷算法。而本文目的并不在此，而把著重點放在基于此種差動保護原理的建模與基于廣域的IEC61850通信服務模式研究。

2.2 廣域差動保護建模

基于上述廣域差動保護原理，信息交換機制主要依賴于準確定義的信息模型[5-6]。這些信息模型和建模方法是IEC61850的核心。能否對IED模型進行確切、有效的定義是能否對外提供標準服務的關鍵。

廣域差動保護主要對電力參數進行測量、通信、計算，其主要包括以下指標：電壓、電流實時量測量與計算、斷路器狀態獲取、采樣值傳送，廣域差動保護運算。因此對應不同的功能需求選擇相應的邏輯節點。

每個邏輯節點由具有特定數據屬性的數據組成，數據具有結構和定義好的語義，包含在具有專門數據屬性的數據表中。數據對象模型由邏輯設備名、邏輯節點名、數據名、數據屬性名描述。其中，以下節點可以用于描述廣域差動保護裝置的相應信息。

1）通信邏輯節點（ITPC），ITPC包含了全部的溝通渠道信息設置和監督。ITPC不直接處理信息。因此,它不含接收和輸出的數據，而且它沒有可操作的數據對象。

2）相量測量邏輯節點（RMXU），RMXU這個邏輯節點用于提供本地相量值，用于差動保護功能。RMXU和邏輯節點PDIF一起構成了差動保護的核心功能模型。

3）差動保護邏輯節點（PDIF），PDIF邏輯節點適用于各種各樣的電流差動保護。對于簡單的廣域線路差動保護來說，此節點是比較合適的選擇。

4）保護跳閘合成邏輯節點（PTRC），PTRC節點用于連接多個保護功能的跳閘，對保護功能結合起來，進而判斷后對XCBR進行操作。

5）廣域電流差動保護邏輯節點是一種新型的保護形式，在最新版IEC61850標準中，還未對此邏輯節點進行定義，當已有部分文獻依據IEC61850邏輯節點的擴充原則，對此進行嘗試。本文就采用文獻[5]所提出的方式，擴充廣域差動保護邏輯節點PWADIF。與差動保護邏輯節點(PDIF)相比，PWADIF還包含失靈保護邏輯節點RBRF的所有數據。

在IEC61850標準中，并沒有規定邏輯設備的類型，因此，在考慮廣域差動保護裝置的邏輯設備建模時有很強的靈活性。

圖2 系統模型圖

統一的數據對象模型可保證不同設備之間的互相理解、交換信息和協同操作。在完成LN的建模后，就可以將廣域差動保護裝置的測量、參數定值一一對應到相應的邏輯節點下的數據對象中。廣域差動保護整個系統的邏輯功能如圖2所示，多個廣域差動保護裝置相配合，

3 IEC61850通信服務模塊

按 OSI（Open Source Initiative）標準建立的廣域保護系統通信模型和采用的相關協議如圖 3所示。報文傳輸的可靠性靠各層通信協議來保證。

圖3 廣域保護系統通信模型

如圖3所示，物理層采用以SDH光纖環網，數據鏈路層采用ATM技術。工業控制現場常用的總線型網絡（如以太網）的傳輸通道都是共享的，通道共享就難免產生沖突，因此，在鏈路層上采用CSMA/CD（帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問）協議。網絡上的某個節點只有確認網絡空閑之后才能發送信息，如果多個節點幾乎同時檢測到網絡空閑并發送信息，則產生沖突。檢測到沖突的發送信息的節點必須采用某種算法來確定延時長短，延時結束后重復上述過程再試圖發送。要在鏈路層上保證報文傳輸的可靠性，必須減小各發送節點之間的沖突，控制好每段網絡所帶節點的個數。TCP/IP 協議是目前應用最廣泛的協議之一。TCP 是傳輸控制層協議，IP 是網絡層協議.

廣域電力通信系統對廣域差動保護實現起著至關重要的作用，但限于通信系統現狀，廣域通信和局域通信有著顯著的區別[7]，應該考慮相應的通信模式。

4 廣域通信模式

在目前的廣域通信基礎上，為了實現廣域通信能實現地址過濾等通信要求，可以對基于隧道技術的直接連接方式和與基于網關代理的間接連接方式進行分析，從而得出比較可行廣域 IEC61850的通信模式。

4.1 隧道技術模式

隧道技術[8]是一種通過使用公共互聯網絡傳遞數據的方式。隧道技術將其它協議的數據幀重新封裝然后通過隧道發送。新的幀頭提供路由信息，以便通過互聯網傳遞被封裝的負載數據。隧道技術能夠使來自多個信息源的網絡業務在同一個基礎設施中通過不同的隧道進行傳輸。隧道技術使用點對點通信協議代替了交換連接，如圖4通過路由網絡來連接數據地址。

圖4 隧道協議

廣域差動系統中，在帶寬允許的情況下，多個變電站局域網信息可以在隧道技術的基礎上達到直接連接的效果，通信網絡可以實現地址過濾等局域網操作，從而實現信息的相互交換，保證IEC61850標準通信在廣域網絡上的實現。

圖5 系統示意圖

如圖5所示，廣域差動保護系統中，變電站A與變電站B需要進行信息交換，不管是GOOSE信息還是 SV信息，經過隧道技術封裝，均可入本局域網信息一樣呈現在對側變電站內，同時借助VLAN技術，在多個變電站內廣域差動保護裝置劃分虛擬網絡，保障信息的有效傳送，進而實現廣域范圍內的保護信息通信。兩個孤立的變電站可以實現在一個局域網內通信的效果。

4.2 網關代理模式

基于代理網關方式的變電站間通信的配置與隧道技術的直連方式變電站間通信有所不同，代理網關隱藏了對側變電站及變電站間的通信，代理網關是對側變電站需要數據的映射，映射了對側變電站需要交換數據的所有邏輯設備和邏輯節點。從變電站內看，代理網關就是站內的一個完整 IED，包括邏輯節點LPHD，還應該包括邏輯節點ITPC監視網關與對側變電站網關的通信。通過和代理網關交換數據就可以完成所有的變電站之間的保護功能，而不需要關心通信問題。所以，網關的模型及數據文件是關鍵，實際的工程中需要實現的功能不同，網關配置文件應該根據實際工程的需要配置。

圖6 網關代理模式

在廣域差動保護系統中，變電站節點之間的通信，網關代理是一種可行的方式[9]。依據廣域差動保護的業務需求，廣域節點之間通信需要傳遞采樣值、狀態信息以及控制信息，不同的信息，在網關代理配置中要做相應的處理。例如，針對 GOOSE報文的重發機制，應避免廣域網絡中充斥大量的GOOSE報文。如圖6所示，變電站A的廣域差動保護IED向變電站B發送GOOSE信息時，網關代理 A，通過對 GOOSE報文進行解析，可以以私有方式將狀態信息發送至網關代理 B，而網關代理 B將會依據配置信息，對接收的信息進行重新組織，這樣，對于保護裝置B而言，廣域差動保護裝置A的信息將會在網關代理B上重現，從而實現保護裝置A與保護裝置B之間的通信，降低網絡負荷的同時，滿足廣域差動保護的需求。

4.3 通信模式的比較

廣域變電站之間通信的模型如圖7所示，隧道技術模式和網關代理通信模式的主要區別在基于網關代理的“間接連接”模式存在代理邏輯節點（圖中虛線框中的邏輯節點）。并且，通信模型的原理是通信信道的監視和自身的邏輯功能分開，使用通信接口邏輯節點 ITPC監視通信狀態，該邏輯節點屬性包含了通信通道定值、狀態等信息，不包含變電站間通信傳輸的數據信息。這樣能多廣域通信進行有效地監控。

圖7 廣域通信模型

其次，兩種通信模式在應用上的差異如下：

（1）帶寬的要求。在帶寬富裕的情況下，才能采用基于隧道技術的通信模式，可以實現多個變電站通信的直接連接，

（2）配置的要求。基于隧道技術的通信模式，配置過后即使通信內容改變，通信仍可繼續進行；但是網關代理模式通信內容改變，必須重新配置。

（3）報文的處理。基于隧道技術的通信模式，不會對報文進行解析，通信時，只需依據隧道技術的實現原理，在報文添加相應的隧道協議信息，但是網關代理模式，必須對報文進行解析，依據制定通信規范，在廣域通信時對信息內容進行私有模式的傳輸。

而當前，電力系統大多以SDH光纖環網作為主干網，同時要滿足電力系統多項業務通信需求。因此，能提供給廣域差動保護的通信帶寬往往有限。對于基于隧道模式的通信模式會是一個較為困難的問題。所以在比較隧道技術和網關代理的基礎上，可以得出網關代理是一種比較合適的廣域通信模式，它能在一定程度上緩解網絡帶寬帶來的限制，并且從技術手段上更容易實現。

5 結論

在上述分析的基礎上，基于現有的SDH廣域電力通信網絡，如何能滿足廣域差動保護對通信系統苛刻的實時性和安全性的要求，如何在廣域通信系統中實現基于 IEC61850標準的信息傳送是一項十分有意義的工作。本文所述的基于 IEC61850的廣域差動保護就是在這一前提下，依據保護功能進行建模，同時考慮廣域系統中的信息通信模式，提出在目前廣域通信技術手段下，如何采用網關代理通信模式，對在今后廣域保護裝置的研發以及通信具有良好的啟示作用。

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[9] Communication networks and systems for power utility automation–Part 90-1: Use of IEC 61850 for the communication between substations