工業以太網技術應用于數字化變電站的探究

【摘要】通信是變電站自動化系統的關鍵，通信網絡信息傳輸的實時性、確定性和可靠性決定了變電站自動化系統的可用性。本篇論文分析了變電站自動化系統的構成、通信過程、工業以太網應用于數字化變電站系統目前存在的問題及相關解決辦法。

【關鍵詞】工業以太網;變電站自動化系統;通信網絡

1.引言

隨著電力工業的迅速發展，電力系統規模不斷擴大以及電站自動化系統的日趨復雜，傳統的現場總線控制系統通信速率低，標準不統一，很難實現對機電保護裝置各方面特性的全面測試，已不能滿足需求，需要使用新的高性能的通信技術。為了避免重復投資，實現信息資源的共享，應對電力系統進行規范和綜合考慮。工業以太網應用廣泛，通信速率高，價格低廉，標準開放，已成為變電站自動化系統過程總線的首選。

2.變電站自動化系統的構成

變電站自動化采用自動控制和計算機技術，實現變電站二次系統的部分或全部功能，并利用多臺微型計算機和大規模集成電路組成的自動化系統。變電站自動化系統體系由“數據采集和控制”、“繼電保護”、“直流電源系統”三大塊構成其基礎?！巴ㄐ趴刂乒芾怼笔菢蛄?，聯系變電站內部各部分之間、變電站與調度控制中心之間使其相互交換數據。

變電站主計算機系統對整個綜合自動化系統進行協調、管理和控制。變電站自動化系統改變常規的繼電保護裝置不能與外界通信的缺陷。通過對自動化技術、計算機技術和通信技術在變電站的綜合應用，采集到比較齊全的數據和信息，利用計算機的高速計算能力和邏輯判斷能力，從而方便地監控變電站內各種設備的運行和操作。

3.變電站自動化系統的通信

變電站綜合自動化系統包括微機監控、微機保護、電能質量控制等多個子系統。其通信任務一方面是實現站內通信功能，完成對全站一、二次設備和裝置運行情況的數據通信采集和控制命令的傳輸;另一方面完成與上級調度或集控中心的通信，向上傳送變電站運行的實時信息、接受和執行上級下達的控制命令。

（1）變電站內的數據通信

圖1 基于以太網的變電站自動化系統結構

④⑤用于過程層和間隔層之間通信，①③⑥⑨用于間隔層內部及與變電站層的通信，⑧是間隔層之間通信。對于網絡結構，決不是短期內就可以實現的，它需要電力一次、二次設備生產商共同努力才能實現。針對目前的情況，一次設備的智能化雖然已有學者開展研究，但還沒有帶網絡接口的產品出現，所以建議采用兩種漸進的方式，首先過程層仍采用硬線連接，而間隔和廠站采用以太網通信，另外可在一次設備和二次設備之間加入智能I/O單元，來實現接口④⑤。定義了7種類型報文，即：快速報文、中速報文、低速報文、原始數據報文、文件傳輸報文、時間同步報文和具有訪問控制的命令報文。通過分析和研究，從時域的角度，把上述變電站自動化系統中7種類型的報文分為3 種類型通信：周期性通信、隨機性通信、突發性通信。在具有變電站層一單元層一設備層的分層分布式自動化系統中，需要傳輸的信息有如下幾種。

a.問隔層與設備層間的通信

間隔層的設備有控制測量單元或繼電保護單元，或兩者都有。設備層的高壓斷路器可能有智能傳感器和執行器，可以自由地與間隔層交換信息。間隔層的設備大多數需要從設備層的電壓和電流互感器采集正常和事故情況下的電壓值和電流值，采集設備的狀態信息和故障診斷信息，這些信息包括：斷路器和隔離開關位置，主變壓器分接頭位置，變壓器、互感器、避雷器的診斷信息以及斷路器操作信息。

b.間隔層內部的通信

間隔層內部的通信是在一個間隔層內部相關的功能模塊間，即繼電保護和控制、監視、測量之間的數據交換。這類信息有測量數據、斷路器狀態、器件的運行狀態、同步采樣信息等。

c.間隔層之間的通信

不同間隔層之間的數據交換有主、后備繼電保護工作狀態、互鎖，相關保護動作閉鎖，無功補償綜合控制等信息。

d. 間隔層和變電站層的通信

間隔層和變電站層的通信內容較為豐富，概括起來共3類。

e.變電站層的內部通信

變電站層的不同設備之間的通信.要根據各設備的任務和功能的特點，傳輸所需的測量信息、狀態信息和操作命令等。

（2）變電站與調度中心的通信

變電站自動化系統應具有與電力系統調度中心通信的功能，不另設獨立的遠動裝置，而由通信控制器執行遠動功能，把變電站所需測量的模擬量、電能量、狀態信息和SOE（事件順序記錄）等信息傳送至調度中心。變電站不僅要向調度中心發送測量和監視信息，而且要從上級調度中心接收數據和控制命令。

4.工業以太網應用于數字化變電站系統

工業以太網應用廣泛，通信速率高，價格低廉，標準開放，已成為變電站自動化系統過程總線的首選。數字化變電站以新型互感器代替了常規繼電保護、測控等裝置的I/O部分，以交換式以太網和光纜組成的網絡通信系統代替了以往的二次回路及其線纜;基于微電子技術的IED設備實現了信息的集成化應用，以功能、信息的冗余代替了常規變電站裝置的冗余，系統可實現分層分布設計;一次設備智能化技術的實現使得控制回路實現了數字化應用，常規變電站部分功能可以直接在底層實現，整個變電站可以實現小型化、緊湊化的設計與布置。

5.目前存在的問題

（1）各層之間及層內的通信系統不統一

由于各種原因。數字化變電站的各層之間及同層內的通信系統不統一，造成多種通信系統混用的情況。這樣的系統不易維護且易發生通信故障。

（2）工業以太網通信標準眾多且互不兼容

目前基于工業以太網的國際通信標準有十幾種之多，且相互不能兼容。因此如何選取合適的通信標準是一個重要問題。在數字化變電站自動化領域，采用統一的IEC 61850標準的呼聲很高，這對于變電站通信系統的發展是十分有利的。

（3）IEC 61850標準有待完善

IEC 61850標準自誕生之日起就存在多個不同的版本，不同廠家基于IEC 61850標準的產品也不能100% 兼容。同時，IEC 61850自身也在不斷完善，不斷有新的版本推出。因此，盡快完善IEC 61850標準并使各廠家在統一的標準下開發相關設備是十分必要的。

6.目前存在問題的解決辦法

（1）解決各層之間及層內的通信系統不統一問題的辦法

網絡通信方案是構成變電站自動化系統至關重要的環節，由于變電站的特殊環境和自動化系統的要求，并且受到性能、價格、硬件、軟件、用戶策略等諸多因素的影響，其通信網絡方案的選擇很難一概而論，不同類型的變電站對自動化系統的通信網絡有不同的要求，變電站自動化系統的網絡通信方案選擇和設計應遵循下列基本原則：通信網絡具有合理的分層式結構;各層之間和層內選擇適當的通信方式;高可靠性和快速實時響應能力;優良的電磁兼容性能。

（2）解決工業以太網通信標準眾多且互不兼容問題的辦法

由于多個制造商提供的IEC 61850系列標準兼容裝置不僅分布在變電站，而且分布在電網各處，故這些裝置所用的時間標志應有統一的格式。時間模型和格式要求規定如下：

a.精度不同應有不同時間精度要求。

b.時間標志應基于現有的時間標準（UTC通常被作為基準時間）。

c.時間模型應能跟蹤閏秒，并提供足夠的信息，使得使用者可計算跨過閏秒邊界的成對時間時間差。

d.時間模型應提供足夠的信息，是的客戶無需附加信息，例如從起始時間至當前的閏秒數，計算日期和時間。

e.時間標記信息應容易從商業可用時間資源中獲得。

f.總的時間模型應包括可計算當地時間的信息。

g.時間模型應允許偏離當地時間半小時。

h.時間模型應指示夏時制是否有效。

i.時標格式至少維護使用100年。

j.時間格式應緊湊，計算機易操作。

這些基本時間要求是系統要求，但系統是由裝置組成的，因此，若需要的話，裝置應支持這些要求。

（3）IEC 61850標準的完善

IEC 61850協議是變電站自動化系統建設的依據，故完善IEC 61850標準并使各廠家在統一的標準下開發相關設備是解決其問題的關鍵。

7.結束語

變電站自動化系統正逐漸在向數字化、網絡化、集成化方向發展。數字化變電站采用新型電流和電壓互感器，智能斷路器等技術，利用高速以太網構成變電站數據采集和傳輸系統，并實現基于IEC 61850標準的統一信息建模。因此。數字化變電站在常規變電站自動化技術的基礎上實現了巨大的跨越。

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作者簡介：范璇（1992—），遼寧北票人，女，研究方向：測控技術與儀器。