智能變電站母差保護數據接收優化

馮彥釗,王晨,龔石林,張兆云,陳衛,曾臻

(1.云南電網公司,昆明 650011；2.強電磁工程與新技術國家重點實驗室,華中科技大學,武漢 430074)

智能變電站母差保護數據接收優化

馮彥釗1,王晨2,龔石林1,張兆云2,陳衛2,曾臻2

(1.云南電網公司,昆明 650011；2.強電磁工程與新技術國家重點實驗室,華中科技大學,武漢 430074)

智能變電站通信網絡中以太網技術的發展為全站的數據共享提供了更有效的途徑,如何利用現有的網絡結構優化其他智能電子設備的功能值得研究。針對智能變電站中現有的過程層冗余通信網絡結構,提出了一種基于并行冗余網絡的母差保護數據接收延時優化方案,并給出了理論計算分析。

智能變電站；并行冗余網絡；母差保護；時延特性

0 前言

隨著非常規互感器、網絡通信技術、智能斷路器技術的不斷發展,基于IEC61850協議的智能變電站二次系統日益完善。IEC61850 Ed2廢除了采樣值點到點傳輸方案,基于IEC61850-9-1[1]的過程總線技術正向IEC61850-9-2[2]網絡化傳輸方式過渡,對過程層采集的電氣量及狀態量信息進行數字化、網絡化處理。過程總線技術通常采用點對點單獨運行,網絡流量較低。過渡到IEC61850-9-2后,采樣測量值 (SMV)、跳閘指令及斷路器隔離開關狀態量 (GOOSE)傳輸于由交換機組成的過程總線數據網絡,通信技術成為變電站自動化系統的關鍵[3-5],數據傳輸網的可靠性也顯得尤為重要。

目前,智能變電站電壓等級越來越高,對通信網絡的可靠性要求也隨之更高,通信網絡結構、數據報文的優先權配置等都可能影響到過程總線及其繼電保護方案的可靠性。由于繼電保護本身的速動性和可靠性要求以及保護雙重化配置的推廣應用,導致目前智能變電站普遍采用雙網絡的冗余通信方案：文獻 [6-8]對采用星形和總線型環形的雙網互備組網形式進行了分析比較；文獻 [9]研究了不同冗余技術在智能變電站通信網絡應用的可能性；文獻 [10]研究了一種基于并行冗余協議的智能變電站高可靠性過程總線通信。然而這些文獻都只是對冗余網絡的組網及其相關技術進行了探討,冗余網絡的目的也只限于提高通信網絡的可靠性,充分利用冗余結構來優化、改善智能變電站的網絡通信性能等方面的研究鮮有涉及。

由于母差保護需要收集多間隔電流、電壓信息,并且要求數據的同步性、實時性和有效性,尤其是實時性要求至關重要,越早獲取所需數據信息就能越早判斷出故障并及時做出反應,以保證變電站的安全穩定運行。

本文基于智能變電站過程層的冗余網絡結構,提出了一種母差保護數據接收延時優化方案,并針對一般的智能變電站結構對方案進行了相應的理論分析。

1 并行冗余網絡結構

IEC62439高實用性自動網絡標準的發布為工業網絡的冗余提供了標準化支持.它給出了4種冗余協議：基于環網的媒介冗余協議 MRP (Media Redundancy Protocol based on a ring topology)；并行冗余協議 PRP(Parallel Redundancy Protocol)交叉冗余協議CRP(Cross-network Redundancy Protocol)以及信號冗余協議BRP(Beacon Redundancy Protocol)[11]。由于PRP實現雙網冗余的同時可以完成GOOSE報文的雙網同時發送且經過的交換機跳數較少,經濟性好,因此比較適合在現有技術條件下的智能變電站中應用。

并行冗余系統采用兩個獨立的局域網A、B實現。在網絡中,可以根據連接網絡的鏈路數劃分兩類節點：①DAN(Doubly Attached Nodes)節點：通過兩個網絡接口連接到雙網的節點；②SAN(Single Attached Nodes)節點：通過一個網絡接口連接到單網的節點。如圖1所示。

圖1 PRP網絡結構

并行冗余網絡是通過DAN節點實現的。DAN節點有兩個使用相同MAC地址和IP地址的網絡適配器和一個鏈路冗余實體 (Link Redundancy Entity,LRE)。兩個適配器與兩個網絡A、B連接。上層應用與網絡接口通過LRE連接。LRE層實現報文的雙發雙收,LRE收到上層應用傳來的發送報文,將報文加上網絡標識符后復制成兩份,然后從A網、B網的物理層發出,這樣在兩個局域網中會有相同的報文被轉發,在一個局域網失效時,另一個局域網也會將報文送達。接收節點從A網、B網的物理層先后收到報文,LRE對標識進行判別,丟棄后到的報文而先到的報文去除網絡標識后傳送給上層應用[12]。節點的內部功能結構如圖2所示。

圖2 PRP終端節點冗余功能結構

2 母差保護數據接收優化方案

在基于IEC61850的智能變電站過程層采用組網方式作為報文傳輸方式的模式下,報文端到端延時特性是通信網絡性能的重要指標,采樣值報文網絡延時的大小也將影響到間隔層保護的動作特性。母差保護由于要匯集連接到母線的各線路的實時電氣量信息,信息量大且涉及到采樣值報文的跨間隔傳輸,因此報文端到端的延時大,不利于母差保護的快速動作。基于并行冗余協議的網絡結構為智能變電站通信網絡提供了可靠的熱備份,同時在空間上也拓寬了信息的傳輸途徑,本文在并行冗余網絡結構的基礎上,研究一種母差保護接收跨間隔網絡報文優化方案。

2.1 智能變電站網絡延時分析

基于IEC61850的智能變電站實時通信網絡中傳輸著不同的數據流信息,根據不同的功能要求,各種數據流端到端的延時特性也有差異。基于以太網的智能變電站報文端到端時延構成如圖3所示。

圖3 智能變電站報文通信時延構成

報文時延主要包括源節點的發送端處理延時ta、網絡傳輸延時tb、和目的節點的接收端處理延時tc,即總延時t=ta+tb+tc。延時ta、tc主要取決于幀的長度和以太網的通信速率；網絡傳輸延時tb主要包括交換機存儲轉發時延、交換機交換時延、光纜傳輸延時、排隊時延,其中排隊延時是由于交換機發生幀沖突時采用排隊方式順序傳送,這也是導致報文端到端延時不確定性的主要原因,研究減少報文的網絡傳輸延時tb是改善智能變電站信息實時性的關鍵。

2.2 母差保護數據接收優化方案

基于并行冗余的智能變電站的過程層星型網絡結構如圖4所示,采用并行冗余通信網絡,工作時,合并單元 (Merging Unit,MU)同時向兩個獨立的過程層A、B網絡發送采樣值信息,A網和B網中傳輸的數據完全相同。接收端 (保護及測控裝置或母差保護單元)同時從A網和B網獲取采樣值報文,優先利用先收到的采樣值信息,另一個則丟棄,如果收不到另一個網絡的信息就告警。當A網和B網的結構相似,且布線路徑相近時,A網和B網具有相同或相近的網絡性能。當數據擁塞時,兩個網絡可能會同時發生擁塞,此時將導致數據接收延時增大。

圖4 基于并行冗余的智能變電站的過程層星型網絡結構

圖5 母差保護優化方法

母差保護單元必須在接收到A網或B網中傳輸的所有線路間隔的電氣量信息后才能進行母線保護運算,只是在其中一個網絡出現故障時才會利用另一個冗余網絡的數據信息,而不是充分利用兩個網絡中先到的電氣量信息,因此在智能變電站中采用并行冗余協議的通信網絡并沒有提升過程層通信網絡的性能尤其是母差保護的快速動作特性。

在上述結構的基礎上,提出一種智能變電站的母差保護優化方法,見圖5.

3 母差保護端口延時分析

在智能變電站中各設備通過劃分VLAN可以將數據流量較好地限制在各個間隔內,因此大多數保護功能的流量均可較為穩定地在過程層網絡中傳輸。在80點12路采樣模式下,一個合并單元發送的采樣值數據量約為5 Mbps,則一個100 Mbps的通信網絡理論上可支持19個合并單元設備。即使考慮到合理的網絡性能,仍然可以支持5個合并單元設備。因此在線路保護等間隔內, 100 Mbps網絡可以滿足通信需求。

假設某智能變電站具有一條母線,母線上具有6條出線,其通信網絡結構圖及采樣值報文接收順序如圖6所示。

圖6 網絡優先級設置及采樣值報文到達母差保護順序

每條進出線上具有斷路器和合并單元,合并單元將采樣值數據發送到母差保護,母差保護對同一時刻的各條線路電流進行運算從而判斷出故障。假設中心交換機為線速交換機,即其交換總線帶寬大于等于所有端口帶寬之和。同時假設光纖線路上的延時基本忽略,各端口處理速度相同。由于所有合并單元會在同一時刻向母差保護發送采樣值,因此在采樣值發送時刻,母差保護端口會形成短時間擁塞。此時,6個合并單元當前的采樣值數據將依次排列在母差通信端口,且PRP雙網上的順序相同。

以每個采樣值報文長度為159 byte計算,6個采樣值報文在100 Mbps的鏈路上全部接收到的時間為74.53 us。

當采用優先級分組方式發送采樣值數據后,母差保護的兩個端口排列方式如下圖所示。由于PRP協議防止重復報文原理的存在,母差保護將同時分別從兩個網絡端口收到a1-a3和b1-b3的采樣值數據,并拋棄掉之后接收到的低優先級數據。以每個采樣值報文長度為159 byte計算,6個采樣值報文在100 Mbps的鏈路上全部接收到的時間為37.27 us,延時特性得到了很大程度的優化。

4 結束語

優先級分組方法通過在基于并行冗余協議的雙網通信方式中引入以太網優先級,將設備的數據通過優先級的方式分別分到兩個通信網鏈路中。在經優先級分組后的PRP雙網冗余通信鏈路上,網絡延時顯著降低,尤其在數據匯聚端口和發生數據擁塞的情況下性能改善明顯。同時等效增大了交換機端口緩沖區,進一步降低了丟包率。同時,優先級分組方法完全與以太網協議和PRP協議兼容,對智能變電站通信網絡的構建提供了一種參考。

[1] IEC61850-9-1 Communication networks and systems in substations 9-1：Specific communication service mapping-Sampled values over serial unidirectional multi-drop point to point link[S].

[2] IEC61850-9-2 Communication networks and systems in substation 9-2：Specific communication service mapping-Sampled analogue values over LSO 8802-3[S].

[3] 殷志良,劉萬順,楊奇遜,等.基于IEC 61850標準的過程總線通信研究與實現 [J].中國電機工程學報,2008,25 (8)：84-89.

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[5] 沈國榮,黃健康.2000年國際大電網會議系列報道——通信技術是變電站自動化的關鍵 [J].電力系統自動化, 2001,25(5)：1-5.

[6] ALI ITHOMAS M S.Substation communication networks architecture C Power System Technology and IEEE Power India Conference2008.New Delhi,India IEEE 2008 18.

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Research on Optimization Scheme for Data Reception of Busbar Differential Protection in Smart Substations Based on PRP

FENG Yanzhao1,WANG Chen2,GONG Shilin1,ZHANG Zhaoyun2,CHEN Wei2,ZENG Zhen2
(1.YUNNAN Power Grid Corporation,Kunming 650011,China；2.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

A more efficient way is provided for data sharing in smart substations with the development of ethernet technology in communication network,How to optimize the function of other intelligent electronic devices by using the existing network structures is worth studying.Aiming at the existing structure of the process layer redundant communication network in smart substations,this paper proposes an optimization scheme for data reception of busbar differential protection and gives the theoretical analysis.

smart substation；PRP；busbar differential protection；time delay characteristic

TM76

B

1006-7345(2015)01-0018-04

2014-09-10

馮彥釗 (1968),男,工程師,云南電網公司,從事電力系統生產設備投運工作 (e-mail)yxsw＠263.net。

王晨 (1988),男,碩士研究生,華中科技大學,從事智能變電站、微機繼電保護與控制研究 (e-mail)328162722＠qq.com。

龔石林 (1979),男,工程師,云南電網公司,從事電力系統生產設備投運工作 (e-mail)8323072＠qq.com。