特高壓換流站二次系統網絡方案研究

郝 克 項茂陽 鄭艷彬

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250000；2.山東送變電工程有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

國內換流站建設已具備較高智能化水平，體現了設備智能化、連接網絡化、信息共享化等特征。換流站對通信網絡的性能要求主要體現在實時性、可靠性、冗余性。本文結合國內已投產換流站的組網方式、國內主要控制保護系統廠家的產品方案，對某工程的網絡分層及方案進行了詳細研究和論證。

1 換流站全站二次系統網絡

1.1 二次系統網絡結構

換流站控制系統為模塊化、分層分布式網絡結構，整個系統根據設備功能及控制位置可分為站控層、控制層和就地層三個層次，三個層次互相通過標準接口和網絡總線互通互聯[1]。

站控層也稱運行人員控制層，其設備主要由系統服務器、各類工作站、遠動通信設備、遠程診斷系統及網絡打印機等組成。站控層設備之間通過站級網絡進行通信，站控層設備與控制層設備可通過網絡通信，也可通過SCADA服務器實現指令傳輸。站控層設備是換流站運行人員的人機界面，實現全站所有系統和設備的數據采集和處理、監視和控制、記錄和存儲等功能。

控制層設備能夠實現直流輸電系統的功率/電流穩定控制[2]。目前國內常用的控制層設備主要包括換流器控制、極控、交流站控、直流站控等，控制層設備之間以及控制層設備與就地層設備通過控制層網絡或總線進行通信。

1.2 運行人員控制層網絡

根據數字換流站的相關要求，交直流系統在換流站內必須實現相互統一，運行人員控制系統為運行人員提供控制操作界面，其應滿足直流輸電系統對大容量過程數據的管理、存儲和高速處理要求，以便針對直流輸電工程的需要實現各種復雜的操作控制和運行監視功能。

站控層設備間通過網絡連接，站控層設備與控制層設備可通過網絡通信，也可通過SCADA服務器實現通信，系統服務器通過控制層網絡接收相關數據信息和事件/報警預告，同時將信息上送給站控層，各類工作站通過網絡或服務器下發控制指令到相應的控制保護主機[2]。

站控層網絡是基于通用以太網技術的局域網，其拓撲結構以星型結構為主，網絡傳輸速率大于等于100 Mb/s。為了提高關鍵電路的可靠性，站控層網絡目前雙重甚至三重化冗余設計，以便滿足網絡的穩定性和可擴展性要求，單網線或單硬件故障都不應導致系統故障。站控層設備如交換機等可單獨組屏，也可與其他公用設備共同組屏。

站控層網絡根據電力監控系統安全防護相關規定分為生產控制和管理信息兩個分區，前者又根據系統要求分為控制區（安全Ⅰ區）和非控制區（安全Ⅱ區）。

特高壓換流站各區主要設備配置如下：

（1）控制區（安全Ⅰ區）設備主要包括系統監控主機、數據通信網關機、數據服務器、操作員工作站、工程師工作站、控保設備、一體化電源系統、遠程診斷工作站等。

（2）非控制區（安全Ⅱ區）設備主要包括電能量采集終端、保護及故障錄波管理子站、一次設備在線監測、消防系統、Ⅱ區綜合應用服務器等。

（3）管理信息大區（安全Ⅳ區）設備主要包括智能巡視系統、安全防衛系統、動環監控系統、閥廳空調系統、電子防范系統、Ⅳ區綜合應用服務器等。

1.3 控制層網絡

1.3.1 控制層網絡結構

在控制層網絡結構方面，直流控制系統從高到低可劃分為四個主要層次，分別為系統控制層、雙極控制層、極控制層和換流器控制層[3]。

系統控制層作為直流控制系統中最高級別的控制層，相當于整個網絡信息的運行大腦，其主要功能是能與調度中心通信，接收其控制指令，同時可以將系統運行的有關狀態信息和監測情況進行有效傳輸。根據總控中心發出的輸電功率參數，科學分配各個直流回路中的輸電功率，一旦發生系統故障，能夠快速將故障功率轉移到正常線路中，盡可能實現輸電有效功率不變。

換流器控制作為一個直流輸電換流單元的控制層次，其主要功能是實施換流器觸發控制操作、換流變壓器分接開關控制、換流器解鎖/閉鎖順序控制等。

控制層網絡采用雙重化設計，星型拓撲結構。控制層網絡包括兩部分：控制層冗余控制系統主機之間的接口和通信網絡，控制層控制保護設備之間的接口和通信網絡。

1.3.2 控制層各層設備之間的接口

接口是在不同設備之間實現信息和數據傳輸、指令交換的重要單元，根據實時性傳輸要求，目前在不同控制主機之間、控制主機與保護設備之間的接口必須同時配置快速和慢速兩種通信方式[4]。

（1）快速通信：關聯緊密的雙極層、極層和換流器層控制保護主機之間可采用實時網絡通信（如南瑞繼保方案）（圖1）或高速控制總線（如許繼方案）（圖2），以滿足控制保護的實時性要求。

圖1 控制保護主機實時網絡通信示意圖（南瑞繼保方案）

圖2 控制保護主機總線通信示意圖（許繼方案）

（2）慢速通信：換流站內除實時性要求較高的信息以外，通常采用站層控制LAN方式進行通信，站層控制LAN網用于主控單元之間以及主控單元與保護單元之間的通信，獨立于各主控單元/保護單元與各自I/O之間。

雙重化的光纖LAN網絡連接所有的保護控制設備，這個網絡主要用于無功控制、主機間的輔助監視和慢速的狀態信息交換，比如交流線路斷路器的狀態等。

1.4 就地層網絡

就地層網絡采用雙重化設計，星型拓撲結構。就地層網絡主要指控制層設備與就地層設備互相通信，在邏輯單元中包括控制層設備與測量接口設備之間的通信、控制層設備與開關接口設備之間的通信兩部分。

1.4.1 控制層設備與測量接口設備之間的通信

目前國內常見的控制層設備與測量設備互相通信大多以標準的現場總線通信方式為主。受直流控制保護系統技術路線的差異等要素影響，目前常用的主要有IEC 60044-8總線（如南瑞繼保方案）（圖3）和時分多路TDM總線（如許繼方案）（圖4）[5]。

圖3 IEC 60044-8總線通信示意圖（南瑞繼保方案）

圖4 TDM總線通信示意圖（許繼方案）

1.4.2 控制層設備與開關接口設備之間的通信

控制層設備與開關接口設備之間通常采用標準現場總線和網絡通信，目前常用的有現場LAN方式（如南瑞繼保方案）（圖5）、Profibus總線（如許繼方案）（圖6）、CAN總線方式（柜內層間通信）。

圖5 現場控制LAN通信示意圖（南瑞繼保方案）

圖6 Profibus總線通信示意圖（許繼方案）

Profibus總線是歐洲規范EN 50170要求的標準總線，采用主從方式，通信速率可達12 Mb/s，接口采用雙絞線或光纖的型式。

許繼的HCM3000系統直流控制保護系統與現場開關設備的傳輸網絡通常采用的是Profibus總線方式[5]。

2 直流控制保護系統網絡配置方案

目前主流控制保護系統采用IEC 61850規約與SCADA系統、遠動系統、就地控制系統通信。整個換流站的控制保護系統、工程師實驗站、網絡服務器、遠動工作站等都應用冗余網口連接到SCADA LAN，再通過服務器與站LAN通信。SCADA LAN與站LAN采用星型結構連接，采用完全冗余的A、B雙重化系統進行信息交互，LAN網絡與交換機均為冗余配置。

SCADA服務器通過站LAN網接收控制保護裝置發送的換流站監視數據及事件/報警信息，同時接收SCADA LAN網運行人員工作站發出的控制指令到相應的控制保護主機。SCADA功能模塊將對接收到的數據進行處理并同步到SCADA服務器和各OWS上的實時數據庫。各區域網絡設備配置如表1～5所示。

表1 SCADA LAN與站LAN中心交換機配置表

表2 極1低端閥廳控制保護設備室站LAN網交換機配置表

表3 極2低端閥廳控制保護設備室站LAN網交換機配置表

表4 極1高端閥廳控制保護設備室站LAN網交換機配置表

表5 極2高端閥廳控制保護設備室站LAN網交換機配置表

交流繼電器室考慮遠期規模及以往工程配置經驗，每個繼電器室按各配置8臺交換機考慮，站用電配電裝置室開關柜就地布置2臺交換機。

3 結論

本文結合智能電網建設經驗，研究論證某工程二次系統網絡結構，分析換流站網絡配置原則，主要結論如下：

（1）換流站控制系統采用模塊化、分層分布式網絡結構，整個系統根據設備功能以及控制位置分為站控層、控制層和就地層三個層次，各分層之間以及同一分層內的不同設備之間通過標準接口及網絡總線相連。

（2）目前特高壓換流站控保系統主要采用南瑞繼保的PCS9550系統和許繼的HCM3000系統，站LAN網采用DL/T 860標準，傳輸MMS報文，采用雙星型結構，不同直流控保設備采用的主要通信方式如表6所示。

表6 不同直流控保設備采用的主要通信方式

通過分析各保護室設備布置，給出了網絡設備的配置方案，直流控保系統共布置20臺交換機，交流部分每個繼電器室布置8臺交換機，站用電開關柜布置2臺交換機。