紀南220 k V智能變電站實時通信分析

代 琴，邢 航，陳堂賢，李雙杰

（1.荊州供電公司，湖北 荊州434000；2.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌443002）

0 引 言

1 紀南220 kV智能變電站概述

1.1 紀南220 k V智能站基礎數據

紀南220 k V智能變電站是湖北荊州地區的一座重要樞紐變電站，位于湖北省西電東送的大通道上，電網位置十分重要：現有1臺150 MVA和1臺180 MVA的主變；220 k V、110 k V均采用雙母線帶旁母接線方式；220 k V終期出線6回，已有出線5回；110 k V終期出線8回，已有出線5回；10 k V終期出線15回，已有出線15回。10 k V主變進線回路采用分裂電抗器，兩組分裂電抗器的四段母線形成兩組單母線分段接線，兩臺主變壓器分列運行，10 k V每段母線上接2組6 Mvar和1組8 Mvar電容無功補償裝置；變電站已有兩臺315 k VA干式變壓器，低壓380／220 V側采用單母線分段接線，兩臺站變正常同時工作，分列運行，互為備用。＃1站變接入10 k V I段母線；＃2站變接入10 k V II段母線。

1.2 紀南220 kV智能站通信接口模型

基于IEC61850紀南220 k V智能變電站通信接口模型如圖1所示。其體系分層為：過程層 、間隔層、變電站層。

（1）過程層：主要指變電站中的變壓器、斷路器、PT／CT等一次、二次設備及其智能組件（MU+智能操作箱），能完成變電站運行實時電氣量的檢測、設備狀態參數檢測及操作控制執行與驅動等功能。

（2）間隔層：主要指保護、測控等二次設備，能采用該間隔的數據操作或控制該間隔的一次設備，且能與各種遠方輸入／輸出、傳感器和控制器進行數據交換。

（3）變電站層：主要指站域和站級監控系統、網絡通信系統、衛星對時系統等，主要功能是監視（數據采集和監視控制（SCADA）等）、控制（操作閉鎖等）、告警及信息交互（同步相量采集、電能量采集、保護信息管理等）等。

圖1 紀南220 kV智能變電站通信接口模型

智能變電站與傳統變電站比較主要優勢表現在：智能傳感器保證了保護、測量系統的精度；光纖數字網絡傳輸簡化了二次接線的復雜程度，且解決了電磁干擾問題。

(4)已知SCl2的沸點為50℃。實驗結束后,將三頸燒瓶中混合物分離開的實驗操作名稱是____。若反應中消耗的Cl2的體積為896mL(標準狀況,SO2足量),最后得到純凈的SOCl26.76g,則SOCl2的產率為____(保留兩位有效數字)。

信息模型和通信接口按IEC61850標準統一建立，保證設備“無縫連接”，解決了設備間互操作性問題。

1.3 紀南220 k V智能站通信聯接

紀南智能變電站的控制、保護、測量等功能是由多個邏輯節點共同協調工作完成，邏輯節點是數據幀交換的最小功能單元，如圖2所示，表述了兩個功能單元（F1、2）包含3個物理設備（PD1、2、3）的通信聯系。圖2中F1、2為實際功能單元；PD1、2、3為物理設備；F1有5個LN0（邏輯節點：LN1、2、3、4、5）；F2有3個LN0（邏輯節點：LN3、5、6）；PD1有3個LN0（邏輯節點：LN1、2、3）；PD2有2個LN0（邏輯節點：LN4、5）；PD3有1個LN0（邏輯節點：LN6）；PD1、PD2、PD3通信 PC（PC12、23、31）；邏輯通信LC（LC12、35、56、14、36）［2］。

圖2 功能單元與物理設備間通信聯系示意圖

2 紀南220 kV智能變電站通信的實現

2.1 IEEE 1588對時方式

紀南220 k V智能變電站采用IEEE1588對時方式，IEEE1588定義了一種應用于分布式測量和控制系統的精密時間協議PTP（precision time protocol）。PTP利用以太網為傳輸媒介，采用時間戳機制和主從時鐘方案，主時鐘和從時鐘之間周期交互包含時間編碼信息的報文，利用網絡鏈路的對稱性和時延測量技術，實現主從時鐘頻率和時間的同步。紀南220 k V智能變電站保護裝置的功能不依賴外部對時系統，但間隔層IED和過程層智能終端要產生SOE，需要達到SOE±1 ms的時標精度要求，合并單元要考慮檢測信號角度誤差，精度要求不大于（1／6）ms，考慮正負誤差和可靠系數對時精度應不大于50 us。IEEE1588對時可以達到亞微妙級，完全滿足紀南220 k V智能變電站合并單元對時的精度要求。

2.2 紀南220 kV智能站通信網絡結構

紀南220 k V智能變電站通信如圖3所示。

圖3 紀南220 kV智能變電站通信網絡結構圖

紀南220 k V智能變電站的站控層及站控層網和常規綜自站基本一樣，主要區別在于過程層和間隔層及其之間的連接。智能變電站將原來的保護一分為三，形成了現在的保護單元、合并單元和智能終端，增加了過程層網，其主要目的一方面是共享信息的需要，減少采集硬件的重復配置，方便實現設備間的聯閉鎖及其它高級應用；另一方面也是今后智能開關、智能組合電器發展的需要。合并單元、智能終端必將組合到這些智能一次設備中去，今后一、二次設備間只需要用一根光纜連接。隨著智能變電站的發展，甚至保護單元也會組合到智能一次設備中去，就象現在的空開供電一樣，各間隔、各站所間依靠自身的復合光纜進行通信。

2.3 紀南220 kV智能站通信報文端到端時延

紀南220 k V智能變電站通信報文端到端時延構成如圖4所示。圖4中t是通信報文全部時延（源節點發出報文到目的節點接收到報文的時間）；ta是源節點處理和發出報文的時間（包括協議棧數據分段、協議封裝等處理開銷）；tb是報文在網絡中傳輸時間（包括排隊時延、傳輸時延和傳播時延）；tc是目的節點接收到報文并

圖4 紀南220 kV智能變電站通信報文時延構成圖

處理的時間（包括協議拆封、除包頭、拼裝數據、應用數據拷貝等處理開銷），式（1）表明這幾部分的時延關系。

排隊時延：指通信報文排隊開始到獲準傳輸資格的時延，此時延決定于網絡的MAC。

傳輸時延：指傳輸鏈路上發送報文的第1位（比特）至發送報文的最后1位（比特）的時延，此時延決定于報文的長度和數據傳輸波特率。

傳播時延：指傳輸鏈路上發送報文的第某位（比特）時刻至該位（比特）到達接收節點的時延，傳播時延決定于傳輸網絡的距離和網絡傳播速度。

2.4 紀南220 k V智能站通信的實時性

網絡結構、網絡帶寬、控制網絡介質訪問的方法、優先級策略等共同決定智能變電站通信的實時性。以太網具備突出的帶寬優勢，但以太網強調網絡節點之間的平等和帶寬的共享，在智能變電站中的應用具有實時性問題，解決智能變電站通信實時性問題的主要方法是通過合并單元減少節點數目、減少網絡流量、合理分配和整合網絡流量［3］。

2.4.1 合并單元改善紀南智能站的組網結構

合并單元是智能變電站電子互感器、保護及測控設備的接口，可將12路電流、電壓通道的信息按IEC61850標準組幀合并，如圖5所示。

圖5中智能變電站合并單元主要包括同步時鐘信號、ECT（電子式電流互感器）／EVT（電子式電壓互感器）的接口、合并單元向間隔層設備光纖通信接口、數據的接收與處理、異常檢測與監控管理等。

2.4.2 啟用以太網交換機提高智能變電站報文傳輸的實時性能

對智能變電站實時數據啟用IEEE 802.1Q（VLAN協議），智能變電站實時數據（報文）在N臺交換機組成的網絡中傳輸后產生的總時延如式（2）所示。

式中，N為以太網絡交換機臺數；TS為單臺交換機存儲傳輸時間（TS≤5μs）；σ為端口阻塞的概率（0≤σ≤1）；Td為傳輸信息在隊列中傳輸的時間；Lb為傳輸信息（報文）的長度（128 bytes等）；β為通信協議物理層添加常數（β=96 bytes）；Tt為實時傳輸信息（報文）點到點的傳輸時間；Lt為實時傳輸信息（報文）的長度（256 bytes等）。智能變電站通信的實時性（時延）主要與Lt、Lb、N三參數密切相關，Lt、Lb、N越長，延遲越大，數據流量越大［4］。

圖5 合并單元改善紀南智能變電站的組網結構

2.4.3 自適應流量平滑器提高智能變電站報文傳輸的實時性能

為了解決以太網如下缺陷：采集現場數據采用查詢／發送機制；報文平均流量遠小于以太網容量；具有突發性（bursty）的報文發送和產生，容易發生碰撞Seok-Kyu Kweon和Kang G.Shin兩學者提出了自適應流量平滑器。該流量平滑器是以太網MAC協議和傳輸層協議的接口，自適應流量平滑器的思路如下：

（1）將有實時要求的報文從本地節點中檢測出來，并將其設置為高優先級，避免本地節點內部的非實時報文競爭訪問網絡，從而提高以太網報文傳輸的實時性能；

（2）在以太網MAC協議和傳輸層協議間設置緩沖區，并將具有突發性的以太網報文存儲到此緩沖區后，再以一個較低的速率（自動確定實時報文的發送速率）發送到網絡上，因而降低了以太網報文的突發性，降低了報文的碰撞率，提高以太網報文傳輸的實時性。

3 OPNET仿真評估網絡的實時性

為了評估紀南220 k V智能變電站通信網絡的實時性能，將上述方法采用工具軟件OPNET進行仿真。仿真參數如表1所示。

表1 基于OPNET的紀南智能變電站仿真參數

OPNET采用三層建模機制建模，即最低層的進程域（Process）模型，中間為節點域（Node）模型，最上層為網絡域模型。網絡域：智能變電站內部網絡組建方案采用獨立總線的方式。每個保護單元設置雙網卡，分別接入站控層總線和過程層總線，兩條總線在物理結構上均為星型網絡拓撲結構；節點域：節點域建模的方法是基于節點模塊，每個節點模塊實現節點行為的某一方面，多個節點模塊的集合構成功能完整的節點。在仿真過程中，來自客戶端的數據包被接收機接收（hub-rx-0-0），然后由下至上穿過協議棧到application模塊。經過處理后，又沿原路返回至發送機hub-tx-0-0），最后被傳輸到客戶端。仿真結果如圖6、圖7所示。

模擬仿真30 min結果可以看出，過程級網絡端對端突發性報文最大時延為0.071 ms；站控級網絡端對端突發性報文最大時延不超過0.134 ms。可靠性方案的報文延時小于IEC61850標準所要求的快速報文3 ms時延，驗證了上述共享備用方案的可行性。

圖6 過程級網絡延時

圖7 站控級網絡延時

4 結 論

本文針對以太網智能變電站實時通信問題，結合湖北荊州220 k V紀南變電站智能化改造實際情況，采用以太網的新技術，研究增強智能變電站通信實時性的實現方法。模擬仿真結果表明該方法的有效性。

［1］張志丹，黃小慶，曹一家，等.基于虛擬局域網的變電站綜合數據流分析與通信網絡仿真［J］.電網技術，2011，35（5）：204-209.

［2］堇曉陽，廖晨淞，周立龍，等.基于61850-9-2的變電站通信網絡仿真［J］.電力系統自動化，2010，34（2）：69-74.

［3］余祥坤.智能變電站過程層網絡設計與分析研究［J］.湖北電力，2011，35（2）：31-33.

［4］蘇 麟，孫純軍，褚 農.智能變電站過程層網絡構建方案研究［J］.電力系統通信，2012，31（213）：10-13，19.