陳 園，侯 贊

(1.長(zhǎng)沙通信職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410015；2.湖南省電力公司檢修公司，湖南長(zhǎng)沙 410004)

電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了變電站中主要設(shè)備的發(fā)展與更新，智能化設(shè)備的發(fā)展,特別是智能開(kāi)關(guān)、電子式互感器、智能組件等設(shè)備的出現(xiàn),使二次系統(tǒng)技術(shù)逐步與一次系統(tǒng)融合。IEC61850的出臺(tái)為變電站建立了完整的新一代變電站網(wǎng)絡(luò)通信體系。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，為變電站提供了信息數(shù)字化通信的手段，將改變變電站的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)原有的結(jié)構(gòu)，一直阻礙變電站自動(dòng)化發(fā)展的信息傳輸和共享的機(jī)制將得到解決。隨著這些技術(shù)的發(fā)展和成熟，變電站自動(dòng)化的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)全新的階段，智能化變電站得到了飛速的發(fā)展。

智能化變電站的功能實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò)通信，構(gòu)建高速、可靠、開(kāi)放的通信網(wǎng)絡(luò)是智能化變電站的核心技術(shù)和前提條件之一。在智能化變電站中，由于過(guò)程網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，智能化變電站通信網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)流、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、功能和性能方面與傳統(tǒng)的變電站存在較大的差異。

1 傳統(tǒng)變電站的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

傳統(tǒng)變電站現(xiàn)在多為兩層式結(jié)構(gòu)，在兩層式綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，站控層分別配置SCADA監(jiān)控主機(jī)（單機(jī)或主備雙機(jī)）、操作員站、保護(hù)工程師站及五防主機(jī)等；監(jiān)控層裝置采用單網(wǎng)或雙網(wǎng)組網(wǎng)，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)方式直接接入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。在站控層和網(wǎng)絡(luò)失效的情況下，間隔層能獨(dú)立的完成就地?cái)?shù)據(jù)采集和控制功能。

對(duì)于條件不具備的分散式低壓保護(hù)測(cè)控裝置，現(xiàn)場(chǎng)采用一種折衷方案是將低壓保護(hù)測(cè)控裝置采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)方式組網(wǎng)，再通過(guò)通信控制器或規(guī)約轉(zhuǎn)換器接入站控層監(jiān)控網(wǎng)。這種方案將依然無(wú)法避免低壓保護(hù)測(cè)控部分的通信瓶頸問(wèn)題。

兩層式變電站綜自系統(tǒng)的典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 兩層式變電站綜自系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)變電站中，間隔保護(hù)和測(cè)控單元、錄波裝置、計(jì)量裝置、公用保護(hù)與一次設(shè)備之間均采用電纜連接方式。間隔單元和公用保護(hù)之間的連接也是采用電纜連接方式。計(jì)量系統(tǒng)和故障信息子站都是采用各自獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控設(shè)備和不同廠(chǎng)家之間的IED設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)連接大多采用串口通信方式。

2 智能化變電站的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的變電站比較，智能化變電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化，IEC 61850提出過(guò)程層、間隔層、站控層三層式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型[1]，建議采用高速以太網(wǎng)、面向?qū)ο蠼?、嵌入式?shí)時(shí)操作系統(tǒng)(real-time operating system，RTOS)、軟件復(fù)用以及XML(extensible markup language)等技術(shù)，不僅能夠滿(mǎn)足電力系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)和可靠性等方面的要求，而且可以有效地解決設(shè)備之間的信息共享以及系統(tǒng)的擴(kuò)展等問(wèn)題[2]。目前智能設(shè)備采用一次設(shè)備+智能組件模式，智能變電站分為過(guò)程層、間隔層、站控層三個(gè)層次和過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)、站控層網(wǎng)絡(luò)兩網(wǎng)的形式。

智能化變電站的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能化變電站綜自系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

下面就智能化變電站的三層兩網(wǎng)式結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的要求進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 智能化變電站中全站網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備的要求

站控層、間隔層、過(guò)程層組網(wǎng)方式應(yīng)采用三層結(jié)構(gòu)兩層網(wǎng)絡(luò)，變電站中三種網(wǎng)絡(luò)，即過(guò)程層SV網(wǎng)絡(luò)、過(guò)程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)、站控層MMS網(wǎng)絡(luò)，必須滿(mǎn)足完全獨(dú)立的要求，IED設(shè)備應(yīng)通過(guò)相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)接口控制器接入不同的網(wǎng)絡(luò)。220kV及以上電壓等級(jí)變電站的站控層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用雙網(wǎng)星型結(jié)構(gòu)，110kV及以下電壓等級(jí)變電站宜采用單網(wǎng)星型結(jié)構(gòu)。220kV及以上電壓等級(jí)變電站的過(guò)程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用雙網(wǎng)星型結(jié)構(gòu)，110kV電壓等級(jí)宜采用雙網(wǎng)星型結(jié)構(gòu)。電子式互感器、MU、保護(hù)裝置、智能終端、過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備之間應(yīng)采用光纖連接，正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光纖連接狀態(tài)的措施。繼電保護(hù)與故障錄波器應(yīng)共用站控層網(wǎng)絡(luò)上送信息。IED設(shè)備應(yīng)以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式采集SV數(shù)據(jù)。繼電保護(hù)設(shè)備與本間隔智能終端之間通信應(yīng)采用GOOSE點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式。間隔內(nèi)以及間隔之間的閉鎖信息、母差保護(hù)、失靈保護(hù)等公用保護(hù)與各間隔之間等信息宜采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。交換機(jī)的VLAN劃分應(yīng)采用最優(yōu)路徑方法。

2.2 智能化變電站網(wǎng)絡(luò)的基本組成

1） 過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)

過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)作為一次設(shè)備如變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、互感器、電容器、電抗器等過(guò)程層一次設(shè)備與保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量、錄波、公用保護(hù)等IED設(shè)備之間的連接通信網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)能可靠的傳輸GOOSE報(bào)文和采樣值SV報(bào)文，而且要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、?shí)時(shí)性和可共享性。作為IEC61850的一部分，過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的所有做法都遵守IEC61850的要求。過(guò)程層得網(wǎng)絡(luò)化在構(gòu)建智能化變電站的進(jìn)程中起著決定性的作用，也是智能化變電站與傳統(tǒng)變電站的一個(gè)重要的區(qū)分點(diǎn)。智能化變電站是否安全運(yùn)行主要處決于過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。

2）變電站層網(wǎng)絡(luò)

變電站層網(wǎng)絡(luò)是連接間隔層IED設(shè)備與變電站層設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)變電站中變電站層網(wǎng)絡(luò)普遍采用103串口通信規(guī)約。隨著過(guò)程層的網(wǎng)絡(luò)化以及各個(gè)IED設(shè)備之間信息的共享化，智能化變電站中變電站層網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)較之傳統(tǒng)變電站有了明顯的增加，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)通信的要求，智能化變電站需要采用100M的以太網(wǎng)來(lái)完成MMS數(shù)據(jù)傳輸和變電站GOOSE聯(lián)閉鎖等功能；上送電網(wǎng)調(diào)度中心需要的數(shù)據(jù)信息；向間隔層、過(guò)程層轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度控制中心的控制命令；實(shí)現(xiàn)站內(nèi)監(jiān)控和人機(jī)對(duì)話(huà)等功能[3]。

智能化變電站的站控層網(wǎng)絡(luò)和過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)以載波監(jiān)聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)以及沖突檢測(cè)技術(shù)為核心的IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的以太網(wǎng)為基礎(chǔ)。以太網(wǎng)不是一種具體的網(wǎng)絡(luò)，是一種基帶局域網(wǎng)技術(shù)規(guī)范[4]。智能變電站中主要采用光纖和雙絞線(xiàn)為連接介質(zhì)。

交換機(jī)是通信網(wǎng)絡(luò)中的重要設(shè)備，變電站中交換機(jī)有兩種，一種是電交換機(jī)，一種是光交換機(jī)。光交換機(jī)比電交換機(jī)具有更好的特性，主要應(yīng)用于智能化變電站的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)中，在綜合考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，智能化變電站站控層網(wǎng)絡(luò)以電以太網(wǎng)交換機(jī)為主。

3)GOOSE網(wǎng)絡(luò)、SV網(wǎng)絡(luò)、MMS網(wǎng)絡(luò)

GOOSE（Generic Object Oriented Substation Events），是為了解決網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的快速和可靠傳輸而提出來(lái)的用在間隔層與過(guò)程層之間、不同間隔之間的報(bào)文傳輸。是信息快速傳輸和交換的重要基礎(chǔ)。

當(dāng)變電站內(nèi)一次設(shè)備的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，或者是起動(dòng)元件動(dòng)作、繼電器接點(diǎn)動(dòng)作時(shí)，IED設(shè)備能做出及時(shí)的響應(yīng)，將事件報(bào)告高速上傳。報(bào)告能夠以一定的時(shí)間間隔進(jìn)行重發(fā)。第一次重發(fā)的時(shí)間一般不固定。GOOSE報(bào)告?zhèn)鬏敵晒Ω怕矢撸軌驅(qū)崿F(xiàn)跳閘信號(hào)的可靠快速傳輸。

GOOSE網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)間如圖3所示。

圖3 GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間圖

GOOSE網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)裝置間快速信息通信以及網(wǎng)絡(luò)本身的在線(xiàn)檢測(cè)，不僅能夠傳送開(kāi)關(guān)量，還可以傳遞變化不快的模擬量，實(shí)現(xiàn)了用網(wǎng)絡(luò)代替點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的硬電纜，不僅能夠降低工程造價(jià)，又能縮短工期，在更改接線(xiàn)時(shí)也不需要配線(xiàn)，只需要更改配置文件，是變電站智能化改造實(shí)施的關(guān)鍵。

SV（Sampled Values），采樣值。是基于發(fā)布/訂閱機(jī)制，交換采樣數(shù)據(jù)集中的采樣值的相關(guān)模型對(duì)象和服務(wù)，以及這些模型對(duì)象和服務(wù)到ISO/IEC8802-3幀之間的映射。

MMS（ManufacturingMessageSpecification），是ISO/IEC9506標(biāo)準(zhǔn)所定義的一套用于工業(yè)控制系統(tǒng)的通信協(xié)議[5]。它規(guī)范了智能控制設(shè)備和智能電子設(shè)備（IED）等設(shè)備的通信行為，使不同廠(chǎng)商的設(shè)備具有互操作性[6]。

3 結(jié)束語(yǔ)

作為智能電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)和重要組成部分，與傳統(tǒng)變電站相比，智能變電站結(jié)構(gòu)更加緊湊、系統(tǒng)集成度更高、信息能夠交互、運(yùn)行更加安全可靠，智能變電站能夠在技術(shù)上更好地滿(mǎn)足智能電網(wǎng)信息化、自動(dòng)化和互動(dòng)化的要求，更好地支撐智能電網(wǎng)其他部分的建設(shè)，更好地服務(wù)于電網(wǎng)資源的優(yōu)化配置和提高資源的使用效率。

[1]IEC．IEC 61850:Communication networks and systems in substations[S].2004.

[2]高翔,張沛超.數(shù)字化變電站的主要特征和關(guān)鍵技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù),2006,30(23):67-71.

[3]孟凌峰,袁文廣,于泳.淺析數(shù)字化變電站的工程實(shí)施方案[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(8):86-88,92.

[4]鄧一鳴,熊華鋼,宋麗娜.交換式以太網(wǎng)的計(jì)算機(jī)建模與仿真[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2004，（4）：53-55.

[5]李紫龍,葉進(jìn),呂燕石.制造報(bào)文規(guī)范在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用[J].低壓電器,2010,(12).

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