基于IEC61850的500kV變電站間隔層運(yùn)行數(shù)據(jù)分析研究

楊紹遠(yuǎn) 申狄秋

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545006）

引言。目前智能電網(wǎng)的建設(shè)已成為全國(guó)乃至世界應(yīng)對(duì)能源和經(jīng)濟(jì)危機(jī)的重要手段，而變電站作為電力系統(tǒng)的最終執(zhí)行節(jié)點(diǎn)，其數(shù)字化實(shí)施效果是建設(shè)智能電網(wǎng)并最終實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)數(shù)字化的必要條件。

1.項(xiàng)目介紹。某500kV變電站作為網(wǎng)內(nèi)首個(gè)基于IEC61850的投運(yùn)變電站，其設(shè)備運(yùn)行工況、運(yùn)行穩(wěn)定水平均對(duì)網(wǎng)內(nèi)IEC61850的應(yīng)用推廣有著重要意義。對(duì)該站基于IEC61850變電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，對(duì)變電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析并對(duì)其間隔層技術(shù)進(jìn)行規(guī)范，對(duì)將來(lái)的變電站設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收以及運(yùn)行維護(hù)都有很大意義。

1.1.實(shí)施方案。根據(jù)該500kV變電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和在調(diào)試運(yùn)行期間的問(wèn)題，重點(diǎn)對(duì)站控層網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行全面分析，采用兩臺(tái)記錄儀分別監(jiān)視保護(hù)信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

連接方案示意圖如圖1所示。

圖1 記錄分析及應(yīng)用方案

1.2.運(yùn)行情況。記錄分析系統(tǒng)于2008年12月安裝調(diào)試完畢并正式投入運(yùn)行，隨變電站自動(dòng)化系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行至今，記錄了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)近兩年來(lái)的監(jiān)控B網(wǎng)的全部通信數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)確捕捉到一些系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中出現(xiàn)問(wèn)題所對(duì)應(yīng)的原始通信報(bào)文。

2.運(yùn)行分析

2.1 通信信息記錄。為了便于檢索存儲(chǔ)于記錄儀內(nèi)的記錄文件去"還原某一時(shí)段的通信過(guò)程"，需要按照時(shí)間段的概念進(jìn)行記錄文件的存儲(chǔ)，記錄儀以10分鐘為一個(gè)時(shí)間段進(jìn)行通信數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)，每個(gè)時(shí)間段產(chǎn)生一個(gè)記錄文件，每天生成144個(gè)通信數(shù)據(jù)記錄文件。

1.3.網(wǎng)絡(luò)通信分析

網(wǎng)絡(luò)平均負(fù)載。通過(guò)對(duì)抽取30天的通信報(bào)文進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，所記錄文件大小統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1。相關(guān)記錄文件詳細(xì)統(tǒng)計(jì)信息見(jiàn)附錄B。

表1 記錄文件大小統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)，由于文件記錄時(shí)間段為10分鐘，網(wǎng)絡(luò)采用的是100M以太網(wǎng)，因此可以得出被監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載為：

(32～33)×8÷(10×60)=0.427%～0.44%

很顯然在正常運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，通信網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載非常輕，即使考慮到事件集中突發(fā)情況，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大10倍，仍然不到5%，因此可以說(shuō)目前的網(wǎng)絡(luò)完全能滿足當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行要求。從理論上來(lái)講，相對(duì)于目前的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，從網(wǎng)絡(luò)通信的角度來(lái)說(shuō)，該站遠(yuǎn)期具有巨大的擴(kuò)容空間。

網(wǎng)絡(luò)信息。正常情況下，網(wǎng)絡(luò)通信報(bào)文主要為MMS報(bào)文和GOOSE報(bào)文，通過(guò)對(duì)2009年10月份報(bào)文進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)報(bào)文構(gòu)成如表2。

表2 通信網(wǎng)絡(luò)報(bào)文構(gòu)成

上述報(bào)文統(tǒng)計(jì)比例，是對(duì)大量報(bào)文記錄文件進(jìn)行全面分析后得出的平均值，對(duì)于每一個(gè)記錄文件，相應(yīng)內(nèi)容誤差在±0.1%之內(nèi)。

其中的"MMS相關(guān)報(bào)文"只得是所有和MMS相關(guān)的報(bào)文，包括通信連接的建立和中斷報(bào)文、簡(jiǎn)單應(yīng)答報(bào)文、重傳報(bào)文以及實(shí)際的MMS應(yīng)用數(shù)據(jù)報(bào)文。"GOOSE報(bào)文"則為實(shí)際的GOOSE信息報(bào)文。"其它報(bào)文"則大多為ARP報(bào)文和UDP報(bào)文，還有其它的以太網(wǎng)管理報(bào)文。以上報(bào)文所占比例值屬于正常范圍。

網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。在B.2中列出了各種報(bào)文的詳細(xì)比例。綜合各文件情況，可以看出在網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文丟失占5%，網(wǎng)絡(luò)中斷報(bào)文和連接報(bào)文各占接近0.1%的比例，需要注意的是，該0.1%的比例指的是報(bào)文中有連接和中斷標(biāo)志的報(bào)文比例，實(shí)際上每一次中斷均伴隨著相應(yīng)的應(yīng)答和重連報(bào)文，涉及3到4條報(bào)文，因此實(shí)際上中斷比例高達(dá)0.4%。

對(duì)于各個(gè)文件記錄的通信情況，報(bào)文丟失，除個(gè)別文件外，大多數(shù)文件的比例均與綜合分分析結(jié)果(5%)相差在±0.1%之內(nèi)。而中斷比例，在各個(gè)記錄文件當(dāng)中，相關(guān)比例與與綜合分分析結(jié)果(近0.1%)相差也多在±0.01%之內(nèi)。

因此可以認(rèn)為，報(bào)文丟失和網(wǎng)絡(luò)中斷不是偶發(fā)現(xiàn)象，而是在該網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常出現(xiàn)的情況。

1.4.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析。在該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，存在5%的報(bào)文丟失率和0.4%的網(wǎng)絡(luò)中斷率。其中網(wǎng)絡(luò)中斷問(wèn)題，在排除掉特定裝置故障(如4.3中所提到的問(wèn)題)所造成的網(wǎng)絡(luò)中斷之外，仍然存在不小于0.3%網(wǎng)絡(luò)中斷率，在網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文類型比較單一并且相對(duì)穩(wěn)定以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷比較低(0.427%～0.44%)的情況下，可以認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量不高。

由于各個(gè)廠家設(shè)備普遍均存在網(wǎng)絡(luò)連接多次中斷的問(wèn)題，因此設(shè)備本身實(shí)現(xiàn)缺陷的影響不是主要原因。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)講，由于該站采用雙星型結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)較為簡(jiǎn)單，層次較少，是一種較為理想的自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)，從理論上來(lái)將，不是影響網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的主要原因。基本可以確定，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)通道是主要原因。

3.變電站運(yùn)行評(píng)估

通過(guò)對(duì)上面對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的分析，可以對(duì)該500kV數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀況可得出以下結(jié)論：

1.從整體架構(gòu)上和功能上，該500kV變電站以其完整清晰的三層結(jié)構(gòu)、完善的冗余模式以及完整而標(biāo)準(zhǔn)的信息交換模式，完全實(shí)現(xiàn)了變電站一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化和變電站信息化，已經(jīng)完全不同于傳統(tǒng)變電站，而具備了數(shù)字化變電站的所有特征；

2.從信息交換模式上，該500kV變電站一方面將以太網(wǎng)完全應(yīng)用于變電站的各個(gè)層次的所有設(shè)備中，變電站的所有運(yùn)行信息完全上網(wǎng)；另一方面所有信息均按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行傳輸；不但為變電站今后的升級(jí)改造奠定了完善的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，同時(shí)使作為電網(wǎng)最終執(zhí)行點(diǎn)的變電站為今后智能電網(wǎng)建設(shè)奠定了豐富的信息基礎(chǔ)，徹底實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)變電站到數(shù)字化、智能化變電站的質(zhì)的飛躍；

3.系統(tǒng)整體運(yùn)行良好，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕、網(wǎng)絡(luò)信息健康，具有較大的擴(kuò)容空間；

4.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，層次少，是一種合理的自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；

5.個(gè)別裝置存在設(shè)計(jì)缺陷，裝置通信存在不完善的地方；

6.網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量有待改善，網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中普遍存在數(shù)據(jù)丟失和連接中斷現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)通道和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要重點(diǎn)維護(hù)和檢查；

7.缺乏對(duì)通信系統(tǒng)的進(jìn)行維護(hù)、檢查的統(tǒng)一規(guī)范，難以避免偶發(fā)性通信故障；

上述情況中，裝置設(shè)計(jì)缺陷問(wèn)題，已經(jīng)將分析結(jié)果通知相關(guān)廠家，要求廠家徹底解決。對(duì)于工程配置文件不規(guī)范以及GOOSE信號(hào)定義不完善的情況，目前正在進(jìn)一步整理，補(bǔ)齊相關(guān)文檔，同時(shí)為今后數(shù)字化變電站的實(shí)施制定相應(yīng)的規(guī)范。關(guān)于網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量問(wèn)題，目前已制定進(jìn)一步的研究方案，在找到最終原因的同時(shí)，研究出數(shù)字化變電站最佳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并據(jù)此制定出實(shí)施方案和規(guī)范。

結(jié)論

由于在數(shù)字化變電站的實(shí)施、建設(shè)的徹底性方面，我國(guó)已處于相對(duì)比較成熟的階段，處于領(lǐng)先水平，因此解決"三化"問(wèn)題，無(wú)任何先例可循，必須立足與國(guó)內(nèi)，認(rèn)證總結(jié)已有的經(jīng)驗(yàn)，并進(jìn)一步大膽探索，同時(shí)在理論上大膽創(chuàng)新，才是解決問(wèn)題的正確途徑。具備領(lǐng)先水平的該500kV變電站以其整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的合理性、運(yùn)行的穩(wěn)定穩(wěn)定性、系統(tǒng)整體運(yùn)行的可靠性，已經(jīng)具備是"三化"雛形，完全可以作為樣本進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。同時(shí)，在相應(yīng)指導(dǎo)性規(guī)范推出并完善之后，該500kV數(shù)字化變電站的實(shí)施模式完全可以作為典型應(yīng)用加以大面積推廣。