基于IEC 61850標準的變電站通信架構可靠性分析

李路遙 黃 力

國網湖北省電力有限公司超高壓公司 武漢 430064

1 分析背景

變電站是整個電力系統的重要組成部分,能夠借助變壓器改變電壓等級,連接不同電壓等級電網,為電網的安全穩定運行提供重要保障。變電站一次設備通常包括電流互感器、電壓互感器、電纜、線路、母線、電抗器、電容器、斷路器等,通過變電站自動化系統對這些一次設備進行保護、監視、控制。變電站自動化系統的內部通信網絡協議及變電站在廣域網中向外界提供的接口是由國際電工委員會在2004年發布的IEC 61850標準來定義的。IEC 61850標準的發布及其應用的普及大大提高了變電站自動化系統的技術水平和安全穩定運行水平,節約了開發驗收維護的人力物力,實現了完全互操作性,并迅速拉動了智能電網的建設步伐。

IEC 61850標準使用以太網作為物理和數據鏈路層,而不是傳統變電站使用的設備之間的專用點對點連接[1-2]。變電站一次設備是輸電、配電系統及整個電網正常運行的關鍵基礎設施,因此,變電站自動化系統應非常可靠,并在投入使用前進行可靠性分析。

變電站自動化系統的成功與否取決于通信系統的有效設計,確保底層以太網能夠在所需的時間段內傳輸消息。在對基于IEC 61850標準的變電站通信架構進行可靠性分析時,必須搭建具有全功能的數據仿真庫。在國內外研究中,仿真器的使用已經相當普遍,但是大多數都存在功能不全、設置太少等缺點。

肖子健[3]采用開源的OPNET仿真器對D2-1型智能變電站架構進行仿真,利用時延測量分析通信性能。劉俊培等[4]總結基于IEC 61850標準的智能電子設備模型構建過程和步驟,為智能變電站中智能組件模型的建立打下基礎。當然,文獻中提出的大多數工具和方法都是基于模擬變電站設備及其運行狀態,仿真結果并未與實際情況相結合。

為了克服以上缺點,提高結果的準確性,從而更準確地預測系統性能,筆者提出基于IEC 61850標準的數字變電站配置,具體配置包括真實元件參數和模擬元件參數,進而進行變電站通信架構可靠性分析。

2 IEC 61850標準

IEC 61850標準是電力系統自動化領域的全球通用標準,實現了智能變電站的工程運作標準化,使智能變電站的工程實施更規范、統一、透明[5]。

IEC 61850標準是變電站內通信網絡和系統的標準,對各個廠家智能電子設備之間的通信進行分類和分析,要求具有互操作性,使用通用的工程模型、數據格式、通信協議進行數據通信[6]。

IEC 61850標準將變電站的通信體系分為三個層次,即站控層、間隔層、過程層。IEC 61850標準定義了變電站的抽象對象模型及在網絡上訪問這些對象的方法。其中,IEC 61850-7-3、IEC 61850-7-4定義了各種數據對象類和邏輯節點類,IEC 61850-7-2定義了使用這些邏輯節點配置更高級功能的方法。物理設備可以由多個邏輯設備組成,抽象對象模型就是根據智能電子設備中邏輯節點的功能來表示變電站自動化系統的功能。變電站內各智能電子設備都通過局域網連接在一起,他們之間的通信模式都是采用與網絡獨立的抽象通信服務接口[7]。

IEC 61850標準一個很重要的作用就是具有互操作性,使不同廠商的智能電子設備可以合并成一個變電站自動化系統。通常,智能電子設備最初是在工程階段配置的。因此,不同廠商使用的工程和系統架構配置工具需要能夠交換有關智能電子設備的信息。為實現這一功能,IEC 61850標準提供了全面的基于可擴展標記語言的變電站配置描述語言,用于指定包括一次設備、智能電子設備、通信鏈路在內的完整的系統架構。用變電站配置描述語言描述的智能電子設備能力描述文件用于規定電力設備的應用功能,如保護功能等。用變電站配置描述語言描述的變電站配置描述文件則用于描述主要對象、每個智能電子設備中實現的功能和變電站的通信鏈路[8]。由此,變電站配置描述文件內容包括變電站命名和拓撲描述、智能電子設備配置描述、開關站元件、智能電子設備功能之間的關系,以及通信網絡描述。

來自不同供應商用于間隔控制和后備保護的兩個獨立智能電子設備如圖1所示。兩個智能電子設備都包括用于應用功能過時限保護和開關控制、開關設備對象斷路器和電流互感器的邏輯節點。兩個智能電子設備共存于變電站的單個間隔中。如果想進一步利用IEC 61850標準的優勢,可以集成為單個智能電子設備,實現兩個獨立功能,如圖2所示。集成智能電子設備包括兩個應用功能的集成,并且對數據模型和邏輯通信鏈路沒有影響。站控總線層只有一個物理連接,斷路器邏輯節點對斷路器的內部表示在集成之后僅存在一次。由以上分析可見,IEC 61850標準支持功能集成,并且不影響系統操作。

圖1 兩個獨立智能電子設備

圖2 集成單個智能電子設備

綜合可知,IEC 61850標準具有四方面特點[9]。

(1) 定義變電站的信息分層結構。將變電站的通信體系分為三個層次,即站控層、間隔層、過程層,并且定義層和層之間的通信接口。

(2) 采用面向對象的數據建模技術,定義基于客戶機/服務器結構的數據模型。

(3) 數據自描述。采用設備名、邏輯節點名、實例編號、數據類名建立對象的命名規則,采用面向對象的方法定義對象之間的通信服務。

(4) 網絡獨立性。總結變電站內信息傳輸所必需的通信服務,設計獨立于所采用網絡和應用層協議的抽象通信服務接口。

3 變電站通信架構

為了驗證變電站自動化系統通信架構的性能,在實驗室中建立試驗裝置。基礎設施使用變電站內部設備和工具集構建,數字變電站環境使用網絡交換機相互連接的真實和模擬智能電子設備構建,得到典型變電站通信架構。

通過使用具有預期功能的相同數量的智能電子設備進行復制,各種智能電子設備之間的數據通信能夠與變電站網絡中的實際流量相匹配。內部開發的工具集用于測量完全運行場景中任何時間點的帶寬利用率和消息傳輸時間。對測量得到的參數進行分析,以評估通信架構的性能,從而評估變電站自動化系統。試驗裝置如圖3所示。

圖3 試驗裝置

試驗裝置包括五部分。

(1) 兩臺實際智能電子設備。

(2) 安裝有包含模擬智能電子設備配置文件的軟件庫的計算機,可以生成具有唯一網際協議地址的任意數量模擬智能電子設備,以便可以同時成為變電站網絡的一部分。

(3) 變電站配置管理器工具。用于變電站智能電子設備的初始設置和工程運行。

(4) 帶寬測量工具。使用內部開發的軟件工具,用于測量任何時間點的帶寬利用率。

(5) 消息傳輸時間測量工具。使用內部開發的基于JAVA語言的工具,用于測量兩個通信設備之間端到端的延時。

所有試驗設備和工具集都使用網絡交換機相互連接。

4 可靠性分析

在進行通信架構性能仿真試驗之前,過程層的采樣頻率和整個網絡所使用的網絡帶寬需要通過前期仿真與分析來提前確定。這是因為過程層的采樣頻率占整個網絡數據流的比重較大,頻率的大小直接決定了數據流的體量,網絡帶寬則決定了網絡的承載能力,這兩者不進行很好的平衡和選擇,將直接影響后續試驗的嚴謹性。

采用變電站的初始通信架構作為基礎模型,即只包括兩個實際智能電子設備和兩個模擬智能電子設備。所有設備通過以太網交換機連接在星型拓撲結構的1 Mibit/s網絡上,所有智能電子設備都按照預定的運行時的功能進行配置。采用IEC 61850標準推薦的4 kHz采樣頻率和1 Mibit/s充裕帶寬進行試驗。

依據所搭建的通信架構試驗裝置,使用不同數量的智能電子設備進行對比仿真試驗,采用實時性作為考量標準,篩選出性能最優的拓撲結構。鑒于要考察的是網絡的延時情況,因此實時性是衡量網絡好壞的重要指標,也是確定網絡是否可靠的重要標準[10]。

實際的智能電子設備1從外部世界接收二進制輸入,當接收到二進制輸入時,智能電子設備1將面向通用對象的變電站事件指令觸發到實際智能電子設備2,同時向模擬智能電子設備發送相同的指令。通過功能齊全的試驗測量工具來獲得網絡上一條信息的帶寬利用和傳輸時間,性能分析結果如圖4所示。由圖4可見,帶寬利用約為115 kibit/s,傳輸時間為0.5 ms,通信網絡延時為1 ms。根據以上數據,可以得出通信性能十分優異的結論。

圖4 性能分析結果

重復上述試驗,增加變電站網絡中智能電子設備的數量,分別達到6個智能電子設備(2個實際智能電子設備、4個模擬智能電子設備)、8個智能電子設備(2個實際智能電子設備、6個模擬智能電子設備)、12個智能電子設備(2個實際智能電子設備、10個模擬智能電子設備)。四種變電站配置通信架構性能對比見表1。

表1 變電站通信架構性能對比

通過試驗分析可以得出,隨著模擬智能電子設備數量的增加,系統通信架構的帶寬利用率和網絡延時都會增大。當帶寬利用率和網絡延時大于系統的限制時,就可能會導致整個網絡堵塞,系統的可靠性隨之降低。

試驗裝置能夠測試變電站中智能電子設備是否發生故障。當變電站智能電子設備故障時,將故障智能電子設備從實際變電站現場移除,安裝到試驗裝置中,測試故障類型及故障程度。通過測試得到的故障結果來進行相應檢修,然后再將修復后的智能電子設備安裝在實際變電站中,由此大大降低變電站安全運行風險。同樣,試驗裝置的變電站測試環境也可以用于智能電子設備的日常定期維護。

5 結束語

變電站自動化系統的安全高效需要變電站通信架構的可靠性來保障。筆者對基于IEC 61850標準的變電站通信架構進行可靠性分析,在變電站通信架構的不同層次上,基于實際智能電子設備和模擬智能電子設備,對帶寬利用率和傳輸時間等進行測量,對變電站通信架構的可靠性進行評估,進而為變電站通信架構的設計提供參考。