張新昌，張項(xiàng)安

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層次化保護(hù)控制系統(tǒng)及其網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)研究

張新昌，張項(xiàng)安

(許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌 461000)

新一代智能變電站層次化保護(hù)控制系統(tǒng)旨在基于跨間隔、跨變電站信息，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)保護(hù)控制策略，其中，信息共享和高可靠的通信網(wǎng)絡(luò)方案是其重要支撐技術(shù)。剖析了層次化保護(hù)控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、功能定位，對層次化保護(hù)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)流量和網(wǎng)絡(luò)時延進(jìn)行分析，提出了一種應(yīng)用于新一代智能變電站的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信方案。它基于網(wǎng)絡(luò)報(bào)文時延可測技術(shù)，克服了目前不同步采樣報(bào)文不能進(jìn)行組網(wǎng)傳輸?shù)南拗?，?shí)現(xiàn)了保護(hù)裝置功能不依賴于全站統(tǒng)一對時，推進(jìn)了新一代智能變電站的信息共享和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)發(fā)展。

層次化保護(hù)控制；通信系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)流量；網(wǎng)絡(luò)時延；延時可測

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大，大容量間歇性清潔能源不斷接入電網(wǎng)，電力系統(tǒng)的復(fù)雜性空前提高，對變電站保護(hù)控制系統(tǒng)提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。目前，智能變電站中的繼電保護(hù)控制系統(tǒng)仍沿用面向間隔的設(shè)計(jì)思想，相互割裂和孤立的各類應(yīng)用子系統(tǒng)不能構(gòu)成實(shí)時的有機(jī)統(tǒng)一整體，無法實(shí)現(xiàn)對整個電網(wǎng)更全面更靈活的保護(hù)和控制。

隨著電網(wǎng)裝備制造技術(shù)的進(jìn)步和先進(jìn)通信技術(shù)的引入，限制變電站保護(hù)與控制技術(shù)變革的技術(shù)瓶頸正逐漸消失。高性能的微處理器、高速通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，為保護(hù)、控制設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)和功能集成提供了可能；IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，使變電站內(nèi)設(shè)備之間、變電站之間實(shí)現(xiàn)了信息的共享和交互，因此利用站內(nèi)其他設(shè)備或其他變電站的數(shù)據(jù)信息提升保護(hù)性能成為可能（如廣域保護(hù)）；新原理、新技術(shù)將有效減輕間歇性電源、柔性交流輸電等新型一次設(shè)備等對繼電保護(hù)的影響。

本文剖析了新一代智能變電站保護(hù)與控制體系-層次化保護(hù)控制系統(tǒng)，以時間域、空間域、功能域相統(tǒng)一的原則實(shí)現(xiàn)最優(yōu)保護(hù)控制策略，提出了一種優(yōu)化的通信網(wǎng)絡(luò)方案，利用網(wǎng)絡(luò)時延可測技術(shù)，使保護(hù)裝置可不依賴于對時實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，以推進(jìn)新一代智能變電站的信息共享和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)發(fā)展。

1 層次化保護(hù)控制系統(tǒng)

層次化保護(hù)控制系統(tǒng)基于全網(wǎng)信息，通過多原理、自適應(yīng)的故障判別方法，實(shí)現(xiàn)時間維、空間維和功能維的協(xié)調(diào)配合，提升繼電保護(hù)性能和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行能力。

1.1總體架構(gòu)

層次化保護(hù)控制系統(tǒng)從體系架構(gòu)上劃分為就地層、站域?qū)雍蛷V域?qū)樱鐖D1所示。三層保護(hù)協(xié)調(diào)配合，構(gòu)成以就地層保護(hù)為基礎(chǔ)，站域?qū)颖Ｗo(hù)與廣域?qū)颖Ｗo(hù)為補(bǔ)充的多維度層次化繼電保護(hù)系統(tǒng)。

圖 1層次化保護(hù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

就地層保護(hù)是面向被保護(hù)對象分布配置的“貼身防護(hù)”，保護(hù)功能配置遵循現(xiàn)有的繼電保護(hù)相關(guān)規(guī)范，其接入信息僅來自被保護(hù)對象所在間隔，強(qiáng)調(diào)的是保護(hù)相關(guān)回路簡潔可靠和保護(hù)的速動性。

站域保護(hù)控制系統(tǒng)配置單套保護(hù)的冗余保護(hù)、部分公用保護(hù)及相鄰變電站元件后備保護(hù)。它能夠充分利用全站信息，快速、可靠判別故障區(qū)域，加速后備保護(hù)動作，并可不經(jīng)就地級保護(hù)及測控裝置直接作用于斷路器智能終端。同時，根據(jù)電壓等級的不同及變電站承擔(dān)任務(wù)的不同，站域保護(hù)也配置一些控制功能，包括備用自投、小電流接地選線、低頻/低壓減負(fù)荷等。此外，站域保護(hù)還作為廣域保護(hù)服務(wù)子站為廣域保護(hù)提供站內(nèi)采樣值和開關(guān)量信息，并接收、轉(zhuǎn)發(fā)廣域保護(hù)主站發(fā)出的控制命令。

廣域保護(hù)系統(tǒng)包括繼電保護(hù)和安全自動控制兩方面。廣域保護(hù)基于廣域信息實(shí)現(xiàn)廣域后備保護(hù)；接收區(qū)域內(nèi)及同步相量測量單元（PMU）數(shù)據(jù)，進(jìn)行安全穩(wěn)定評估分析；并依據(jù)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行潮流分析、切負(fù)荷策略制定。

1.2各層次配合關(guān)系

如圖2所示，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，就地層保護(hù)作為第一時限保護(hù)，保護(hù)的速動性好，相關(guān)聯(lián)回路少。就地保護(hù)整組動作時間一般為0~20 ms。在就地保護(hù)工作的同時，站域保護(hù)與廣域保護(hù)同時進(jìn)入程序判別階段，如果故障能夠成功切除，則站域保護(hù)和廣域保護(hù)自動返回；若就地保護(hù)未動作，站域保護(hù)基于站域信息的判斷實(shí)現(xiàn)故障切除。在時間配合上，站域保護(hù)處理一般會增加一定延時。若站域保護(hù)仍未動作，則由廣域保護(hù)實(shí)現(xiàn)故障切除。廣域保護(hù)的跳閘延時較站域保護(hù)動作時間更長。根據(jù)國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）的規(guī)定，廣域控制的時間限定在0.1~100 s的范圍內(nèi)。在極端情況下，如變電站直流消失，站域就地全部失效時，由廣域保護(hù)通過跳其他變電站實(shí)現(xiàn)故障切除。

圖2層次化保護(hù)與控制系統(tǒng)各層時限配合關(guān)系

2 層次化保護(hù)系統(tǒng)通信系統(tǒng)分析

2.1站域保護(hù)

站域保護(hù)裝置涉及變電站的多個間隔信息，如：各間隔的采樣值、GOOSE和對時信息等。因此對過程層通信系統(tǒng)有著較高的要求，包括網(wǎng)絡(luò)流量、網(wǎng)絡(luò)延遲。本文以某220 kV典型配置為例進(jìn)行分析。

（1）網(wǎng)絡(luò)流量分析

根據(jù)文獻(xiàn)[9]所述的計(jì)算方法，對于采樣值流量，按照20個模擬量通道，以典型的每周波80點(diǎn)采樣、每幀1個ASDU進(jìn)行計(jì)算；再加上GOOSE流量最大約為1.2 Mb/s，可以計(jì)算出每個間隔流量可達(dá)到8.33 Mbps。220 kV側(cè)按9個間隔、110 kV側(cè)13個間隔、35 kV側(cè)3個間隔，共25個計(jì)算，可得到總帶寬達(dá)到208.2 Mbps。若帶寬占有率不超過40%，過程層交換機(jī)帶寬需達(dá)到520.5 M。對于220 kV電壓等級(含35 kV等級)，可以得到帶寬為99.96Mbps，對于110 kV間隔，總帶寬為108.29 Mbps，需要多百兆網(wǎng)口或采用千兆網(wǎng)絡(luò)。

（2）網(wǎng)絡(luò)時延分析

根據(jù)文獻(xiàn)[10]所述的計(jì)算方法，以圖3所示的交換機(jī)配置方案，間隔交換機(jī)采用百兆光口，主干交換機(jī)采用千兆光口，考慮最極端的情況，站域保護(hù)裝置連接的間隔數(shù)為25個來計(jì)算網(wǎng)絡(luò)時延。

圖 3某220 kV變電站站域保護(hù)典型網(wǎng)絡(luò)組成示意圖

一個IEC 61850-9-2 SV采樣數(shù)據(jù)幀的最好和最壞情況下延時、抖動分別是27.992 μs、71.24 μs和43 μs；一個GOOSE數(shù)據(jù)幀的最好和最壞情況延時、抖動分別是22.448 μs、48.56 μs和26 μs。文獻(xiàn)[11]規(guī)定微波通道（光纖通道參照執(zhí)行）傳輸主保護(hù)信息時傳輸時延應(yīng)不大于5 ms。對于保護(hù)裝置來講，這樣的延時和抖動在可接受的范圍內(nèi)。

因此，從網(wǎng)絡(luò)流量分析和網(wǎng)絡(luò)時延分析兩方面確定：對于一個典型的220 kV的變電站，站域保護(hù)按全站配置或按照電壓等級配置均可；但對于電壓等級較高或者間隔較多的變電站來說，可采用按電壓等級配置站域保護(hù)的方式，以保證充分的網(wǎng)絡(luò)帶寬。且在兩種情況下，百兆口都難以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅鶓?yīng)采用千兆口以滿足全站數(shù)據(jù)采集的需求。同時，由于就地保護(hù)已經(jīng)備有主后備功能完善的保護(hù)，因此站域保護(hù)只需單配即可。

2.2廣域保護(hù)

廣域保護(hù)裝置涉及多個變電站的信息，如：參與廣域差動的各間隔的采樣值、GOOSE和對時信息等。因此對廣域通信系統(tǒng)有著更高的要求。按照本文的層次化保護(hù)系統(tǒng)方案，廣域保護(hù)通過站域保護(hù)間接接收采樣值信息，且站域保護(hù)將站內(nèi)數(shù)據(jù)打包以24點(diǎn)上送到廣域網(wǎng)絡(luò)。本文仍然從網(wǎng)絡(luò)流量與網(wǎng)絡(luò)延遲兩方面進(jìn)行分析。它們與廣域保護(hù)監(jiān)管范圍大小直接相關(guān)。本文以圖4所示的區(qū)域范圍為例進(jìn)行分析。

圖 4某區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

（1）網(wǎng)絡(luò)流量分析

廣域保護(hù)實(shí)現(xiàn)基于差動原理和方向比較原理的站與站之間的后備保護(hù)。因此，它只需要接入差動區(qū)域內(nèi)各個變電站與其他變電站相連間隔的信息形成廣域保護(hù)的信息來源。

接入廣域網(wǎng)絡(luò)的間隔數(shù)量= 220 kV站A 3個間隔+220 kV站B 6個間隔+110 kV站A 1個間隔+110 kV站B 2個間隔+110 kV站C 1個間隔+110 kV站D 2個間隔+110 kV站E 2個間隔+110 kV站F 1個間隔=18個。按上節(jié)描述的計(jì)算方法，每個間隔的采樣值流量=223字節(jié)×8 bit/字節(jié)×50周波/s×24幀/周波=2.14 Mbps。GOOSE流量最大約為1.2 Mb/s。每個間隔的總流量為3.34Mbps。按照18個間隔計(jì)算，廣域網(wǎng)絡(luò)的總流量可達(dá)到60.12 Mbps。

（2）網(wǎng)絡(luò)時延分析

由于站域保護(hù)送出的數(shù)據(jù)已根據(jù)廣域時鐘系統(tǒng)的時間將采樣信息打上時間標(biāo)簽，然后通過廣域通信網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至廣域保護(hù)系統(tǒng)。因此，在計(jì)算網(wǎng)絡(luò)時延時只需要計(jì)算從站域保護(hù)裝置—廣域保護(hù)裝置之間的網(wǎng)絡(luò)時延。此時，以平均傳輸100 km，經(jīng)過一級交換機(jī)設(shè)備計(jì)算。同樣按照參考文獻(xiàn)[10]所述的計(jì)算方法，可得網(wǎng)絡(luò)延遲，計(jì)算結(jié)果滿足廣域保護(hù)對延時的技術(shù)要求。

綜上所述，從網(wǎng)絡(luò)流量分析和網(wǎng)絡(luò)時延分析兩方面確定：按照每個間隔3.34 Mbps流量分析，廣域保護(hù)宜采用千兆網(wǎng)絡(luò)。同時，由于廣域保護(hù)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時延主要體現(xiàn)在各變電站信息的遠(yuǎn)距離傳輸上，在選擇廣域保護(hù)控制系統(tǒng)的配置地點(diǎn)時應(yīng)考慮全局物理距離最近的變電站或調(diào)控中心。

3 網(wǎng)絡(luò)報(bào)文時延可測技術(shù)及應(yīng)用

站域保護(hù)、廣域保護(hù)需要采集多個間隔甚至整個變電站模擬量和相關(guān)開關(guān)量信息，宜采用網(wǎng)采網(wǎng)跳的實(shí)現(xiàn)方案。常見的同步解決方案是，跨間隔保護(hù)依賴于統(tǒng)一的外部時鐘來保證采樣數(shù)據(jù)的同步性，當(dāng)失去外部時鐘時，跨間隔保護(hù)將退出運(yùn)行甚至誤動，這也是網(wǎng)采方案被質(zhì)疑的重要原因。

根據(jù)交換機(jī)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)特性，報(bào)文進(jìn)入交換網(wǎng)絡(luò)由交換機(jī)根據(jù)資源情況進(jìn)行隨機(jī)交換，交換路徑隨時可能發(fā)生變化，物理資源的競爭增加了報(bào)文在交換網(wǎng)絡(luò)中時延的不確定性，難以滿足同步的要求。如果交換機(jī)可以測量傳輸延時并將此延時發(fā)送給保護(hù)裝置，保護(hù)裝置再基于該延時通過軟件重新采樣來實(shí)現(xiàn)各路模擬量的同步，就可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置不依賴于對時實(shí)現(xiàn)裝置同步的目標(biāo)。

3.1交換延時的計(jì)算方法

本文提出一種傳輸延時可測的技術(shù)，可準(zhǔn)確獲得交換機(jī)的延時，并寫入SV報(bào)文，站域保護(hù)、廣域保護(hù)可進(jìn)行讀取并補(bǔ)償。以圖3所示的間隔1的數(shù)據(jù)到達(dá)站域保護(hù)為例說明該技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方式，如圖5所示。

圖5傳輸時延可測技術(shù)實(shí)現(xiàn)示例

交換機(jī)擁有硬件接收時間戳記錄模塊、硬件發(fā)送時間戳記錄模塊和駐留時間計(jì)算模塊，用于記錄報(bào)文接收和發(fā)送時的時間點(diǎn)和報(bào)文在當(dāng)前交換機(jī)的駐留時間。

當(dāng)間隔1的報(bào)文第一比特進(jìn)入間隔交換機(jī)1的P1端口時，交換機(jī)的硬件接收時間戳記錄模塊記錄下此時的時間，然后硬件發(fā)送時間戳記錄模塊記錄下此比特離開間隔交換機(jī)1的P2端口時的時間，駐留時間計(jì)算模塊求得此時的駐留時間?=-，并寫入該報(bào)文中；同理，可得到該報(bào)文在過程層主干交換機(jī)中的駐留時間?=-，并將其與在間隔交換機(jī)1中的駐留時間?疊加得到當(dāng)前報(bào)文總傳輸時延?=?+?。此時終端的保護(hù)裝置可解析報(bào)文，從而得到網(wǎng)絡(luò)總時延，并根據(jù)此時延計(jì)算出采樣報(bào)文的原始時刻，然后通過重采樣進(jìn)行同步。多級交換機(jī)級聯(lián)情況如上述步驟依次疊加報(bào)文在新交換機(jī)的駐留時間值并轉(zhuǎn)發(fā)，直到報(bào)文到達(dá)保護(hù)或測控裝置。

3.2交換延時的標(biāo)記位置

智能變電站采樣值報(bào)文采用以太網(wǎng)幀格式承載，交換延時的標(biāo)記位置有兩種方案，如圖6所示。

圖6 9-2報(bào)文中交換延時標(biāo)記位置示意圖

（1）采樣值報(bào)文的保留字段（方案1）

根據(jù)最新發(fā)布的第二版IEC61850協(xié)議規(guī)定，在報(bào)文中，SV和GOOSE報(bào)文以太網(wǎng)幀格式有4個字節(jié)的保留字段，分別為Reserved1和Reserved2，其中保留位1（Reserved 1）0字節(jié)的第8個比特已經(jīng)被定義，本方案使用了其余31個保留位之中的30個，因此可在不影響規(guī)范中定義的功能的基礎(chǔ)上，使用該保留字段存儲報(bào)文網(wǎng)絡(luò)傳輸時延數(shù)值。存儲方法是將?t值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)值，由最低位向最高位依次寫入傳輸時延數(shù)值，如圖7所示。該方案所存儲的延時數(shù)值位置相對固定，交換機(jī)無需對整幀報(bào)文解碼，資源開銷小，不影響交換機(jī)的性能指標(biāo)，但未來可能會與IEC62351標(biāo)準(zhǔn)的使用產(chǎn)生沖突。

圖7 9-2報(bào)文中保留字段使用示意圖

（2）通道延時的品質(zhì)位（方案2）

如圖6所示，在報(bào)文中SavPdu中有4個字節(jié)的通道延遲品質(zhì)位。本方案將延時值報(bào)文按照相同的方式寫入報(bào)文中。但由于采樣值不固定，導(dǎo)致延時數(shù)值的位置不固定，交換機(jī)需要對每個報(bào)文解碼，資源開銷大，但可通過改善交換機(jī)的性能來滿足對時精度10 μs的要求。

本文推薦方案2，它具有更好的靈活性，且不會與IEC62351標(biāo)準(zhǔn)的使用產(chǎn)生沖突。

4 結(jié)語

本文剖析了層次化保護(hù)控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、各層功能定位和配合關(guān)系，對層次化保護(hù)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)流量和網(wǎng)絡(luò)時延進(jìn)行了分析，提出了一種應(yīng)用于新一代智能變電站的網(wǎng)絡(luò)通信方案，該方案基于網(wǎng)絡(luò)報(bào)文時延可測交換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)裝置可不依賴于對時實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，推進(jìn)了新一代智能變電站的信息共享和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)發(fā)展。

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Research of hierarchical protection & control system and its communication technology

ZHANG Xin-chang, ZHANG Xiang-an

(XJ Group Corporation, Xuchang 461000, China)

Thehierarchical protection & control system in new generation smart substation aims at realizing optimal protection & control strategy based on different intervals and different substations. Sharing information and high-reliable network scheme are the important supporting technology. This paper dissects architecture and function location of hierarchical protection & control system, analyzes network flow and time delay in its communication system, and puts forward an optimal network communication scheme in new generation smart substations. This scheme bases on a measurable network message time-delay technology. This technology overcomes the limits that desynchronized message cannot implement networking transfer, makes the protection devices realize protection function independent of uniform time hack, and advances information sharing and network transmission technology of new generation smart substation.

hierarchical protection & control; communication system; network flow; network time delay; measurable time-delay

TM77

A

1674-3415(2014)19-0129-05

2013-12-27

張新昌（1962-），男，高級工程師，研究方向?yàn)橹悄茏冸娬炯半娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)等；E-mail: yyh6006@163.com

張項(xiàng)安（1968-），男，高級工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)負(fù)荷建模及電網(wǎng)規(guī)劃等。