智能變電站過程層網絡技術的研究

摘 要：智能變電站三層網絡結構中，過程層網絡是最直接與一次設備連接的最底層，它的運行穩定性直接關系到全站的安全穩定運行。本文就在此基礎上分析了網絡拓撲結構、SMV采樣信息與GOOSE網、數據傳輸通信模型等過程層的理論、組成和基本要求，提出了三種典型的過程層組網方案。本項目組對該三種方案的優缺點進行理論分析，通過多次專項測試最終驗證本文提出三網合一技術方案性能指標完全滿足智能變電站技術規范，能夠保證智能變電站安全、可靠的運行要求，可顯著提高過程層網絡的運行可靠性，證明本文提出組網方案切實可行，值得推廣。

關鍵詞：智能變電站；過程層網絡；采樣植；并行冗余技術；IEC61850

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.226

1 引言

隨著IEC61850變電站網絡與通信協議標準的發展和廣泛應用，智能變電站實現了全站信息的數字化、通信平臺網絡化以及信息共享標準化。IEC 61850將智能變電站自動化系統從功能邏輯上分為變電站層、間隔層和過程層三層結構。

過程層是智能變電站區別于傳統變電站的特點之一，智能變電站的過程層是一次設備與二次設備的結合面，能夠更加有效地解決設備易受干擾、高低壓無法有效隔離、信息不能共享等缺點。但是由于智能變電站的信息數據量龐大，對數據傳輸的可靠性、實時性要求很高，過程層又大量應用了新設備、新技術，而相關設備和技術的運行業又不是很成熟，因此隨之產生的安全性和可靠性方面的問題不容忽視[2-3]。本文提出了幾種典型的過程層網絡構建方案，并結合實際案例分析研究了其中的關鍵性技術。

2 過程層組網設計方案

2.1 方案一

本方案又被稱為常規互感器方案，即是利用采集單元幫助常規互感器實現采樣值的數字化。下面以線路保護為例來進行說明。該方案的實現與傳統變電站的電纜連接方式相似，點對點采用光纜直連，其結構示意圖如圖1所示。整個過程層網絡的設計基于IEC61850標準，采集單元獨立配置是本方案的優點，這方便后期工程進行改造，同時系統中的繼電保護裝置不必經過交換機直接進行采樣，可通過GOOSE網絡直接跳斷路器，啟動斷路器失靈、重合閘。但是本方案有個缺點，就是增加了采集單元，這提高了過程層網絡的結構復雜度，同時常規電流互感器的飽和問題不易解決。

2.2 方案二

本方案建立在 IEC61850標準基礎上，電壓、電流互感器采用電子式。優點是傳輸延時固定，由繼電保護裝置利用插值法對數據進行同步，可以不依賴于外部時鐘。采樣值和信息傳輸采用網絡模式，按電壓等級進行組網分類。本過程層組網方案采用IEEE1588或IRIG-B碼方式對時，所有的保護都要求配置主后備功能。另外有幾點需要說明的是，變壓器中性點的電流和間隙電流要并入相應側MU；跳母聯、分段斷路器及閉鎖備自投和啟動失靈等變壓器保護采用GOOSE網絡傳輸。本方案不需要交換機環節，也不依賴于同步對時信號，真正實現了變電站信息傳輸的數字化和功能的集成化，不足是由于繼電保護和合并單元都需要較多的網口，使得系統發熱量很大，并且需要大量的光纜和交換機。

2.3 方案三

本方案采用 IEC61850-9-2 標準的100Mbit/s光線以太網采樣信息、GOOSE 信息、IEEE1588精確時鐘協議，實現對時信息的同網傳輸，是一種三網合一結構。間隔層與過程層合并單元之間采用IEC61850-9-2標準，與智能終端的通信要遵循 GOOSE通信協議。過程層的每個間隔需要單獨配置獨立交換機，而各間隔之間信息交換要通過主干網的交換機實現。這種組網方案能夠實現信息共享最大化，網絡結構簡單、經濟，維護方便。

2.4 方案三的驗證及效果分析

為了更進一步的驗證三網合一技術方案是否能滿足智能變電站安全、穩定運行的需要，對該方案進行了多次專項測試。該變電站的220KV和11OkV的電子式互感器全部采用光纖數字量輸出的形式，其余全部采用電流、 電壓一體化小信號模擬量輸出的形式。本站的過程網絡主要分為四個部分：（1）22KV過程層網絡： 220kV

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除主變高壓側外的所有間隔，采用雙星型拓撲結構；（2）11OkV過程層網絡： 110kV除主變中壓側外的所有間隔，采用單星型拓撲結構；（3）#2、#3主變壓器過程層網絡：包含主變三側及本體，采用雙星型拓撲結構；（4）35Kv GOOSE網絡，采用單星型拓撲結構。

測試采用RTDS實時數字仿真儀模擬一次系統，所有二次設備，包括智能終端、合并單元、繼電保護保護裝置都要與實時數字仿真儀相連。過程層網絡按三網合一方案搭建，各間隔層配置獨立的間隔交換機，每個交換機首尾依次相連，構成了環形網絡拓撲結構，采用千兆網口級聯的交換機實現了過程層網絡的信息共享。模擬實驗發現，當一次系統的母線發生故障時，信息報文經由合并單元、多級交換機送達母線保護設備，母線保護設備根據對信息的處理，分析后判斷母線發生的情況，之后發送GOOSE 報文給智能終端，由智能終端作出跳閘指令。多次類似的故障模擬實驗表明該系統的保護裝置的動作時間比較穩定，IEEE 1588對時應用以及GMRP組播協議的運行性能很好。在智能變電站采用三網合一技術方案，在正常負荷下能保證過程層網絡延時性能穩定，千兆級聯的環形網絡拓撲結構下，跳閘延時每經過一級交換機網絡將會延時增加5μs的時間。而全部動作時間的長短由繼電保護的動作時間和智能終端的動作時間決定。另外在模擬實驗中發現，當IEEE 1588報文駐留及鏈路延時的修正值出現與實際時間不一致的情況時，合并單元中的信息序號不連續，導致傳送到繼電保護裝置的報文丟失。為了解決則這一問題，研究專家組探討除了一套應對策略，試驗驗證切實可行，很好地解決了這一問題。總之，多次的模擬試驗結果有利證明證明，在實際的智能變電站過程網網絡中采用三網合一技術是可行的，交換機、合并單元、繼電保護裝置等設備能夠滿足三網合一方案的運行要求。

3 結語

過程層網絡是智能變電站區別于常規變電站的特點之一，也是智能變電站的中樞神經。它以采樣數字化、信息網絡化為基礎完成了變電站信息的網絡傳輸，是控制技術的一次質的飛躍。本文列舉并分析了較為較典型的過程層組網方案，其中，三網合一組網方案采用SMV采樣信息、GOOSE網絡通信協議、IEEEl588對時信息共同組網的星形網絡模式，選用可靠性很高的網絡交換設備。采用基于 IEC61439可顯著提高通信網絡可用度 的PRP并行冗余技術方案，通過實際測試、現場檢驗證明，該方案符合變電站的技術規范，滿足變電站的安全穩定的運行需求，可以簡化變電站的過程層網絡，最大程度地實現信息共享，同時運維管理方便，可在智能變電站中廣泛推廣應用。

參考文獻：

[1]王改云，蘇磊.35 kV數字化變電站設計方案探討[J].現代電子技術，2009，21（308）：189-192.

[2]朱炳銓，王松，李慧等.基于IEC 61850 GOOSE技術的繼電保護工程應用[J].電力系統自動化，2009，33（08）：104-107.

[3]王松，陸承宇.數字化變電站繼電保護的GOOSE網絡方案[J].電力系統自動化，2009，33（03）：51-54.

作者簡介：常蕾（1984-），山西運城人，工程師，研究方向：變電站控制技術。endprint