基于保護獨立和信息共享的變電站通信結構

徐 科，陳玉濤，張勝祥，黃 毅，楊曉靜

（1.天津市電力公司，天津300010；2.天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072；3.國家電力調度控制中心，北京100031）

目前，電網已經往智能化方向發展，要求電網具備信息化、自動化、互動化，相應的變電站也應發展為智能變電站。

智能變電站是在傳統綜自變電站和數字化變電站基礎上的進一步提升。從綜自變電站到數字化變電站，再到智能變電站，通信在變電站中的作用日以增強。IEC61850標準將通信引入了一次設備和二次設備的過程之間，引起了變電站自動化系統的巨大變化［1～3］。

IEC61850標準規定全站設備通過網絡進行通信，最終推薦全站設備組成一個網絡。網絡通信代替傳統裝置間的電纜連線，最大優點在于信息共享，可以大大簡化全站設備和系統，實現全站信息標準化和實時監視；但網絡的主要問題在于將全站設備綁定在一起，降低了變電站間隔設備（尤其是繼電保護設備）運行的獨立性，使變電站的運行維護較為困難。

我國繼電保護設備和回路系統一直按照間隔獨立設計。電網長期運行實踐表明，繼電保護獨立運行最大程度地保證繼電保護的可靠性和安全性、是從根本上解決因單一設備或回路故障影響大電網安全運行的有效措施。

文獻［4］提出了繼電保護設備通過點對點通信直接采樣直接跳閘和不依賴于外部對時系統的規范，避免了網絡帶來的保護設備不獨立問題，大大提高了繼電保護設備的安全性和可靠性；但保護功能未完全獨立于網絡和系統較為復雜。

現有的變電站通信結構未能將保護功能和網絡實現有效解耦，信息共享和保護獨立運行是變電站通信應用中的一對矛盾。本文將提出基于保護獨立和信息共享的變電站通信結構，對全站通信結構進行優化，使繼電保護功能間隔自治、完全獨立于網絡；并同時實現保護信息的完全共享，實現全站信息的共享和監視。

1 變電站通信整體結構和原則

1.1 變電站通信物理結構

本文提出的通信結構仍然遵循IEC61850標準的三層設備結構，將變電站分為站控層、間隔層和過程層設備，站控層和間隔層設備之間的通信為站控層通信，間隔層和過程層設備之間的通信為過程層通信［5］。

本文的物理通信結構采用效果良好的點對點和星型結構［6］。站控層通信與現有的站控層通信相同，本文的研究主要針對過程層通信。

1.2 設備集成方案

目前智能變電站的直采直跳點對點通信結構中，合并單元和智能終端分別配置，采樣光纖和跳合閘光纖分開布置，站內通信光纖數量較多，系統較為復雜。

本文提出將合并單元和智能終端集成，作為間隔一次設備的統一過程接口，仍稱作智能終端，同時采樣光纖和跳合閘光纖合并為一根光纖。具有如下優點：

（1）變電站結構更加清晰。將合并單元和智能終端集成作為間隔一次設備的統一過程接口。

（2）簡化了站內通信系統。比現有的直采直跳點對點通信系統節省了約一半光纖。

（3）提高了保護系統的可靠性。將繼電保護系統簡化為智能終端、1根點對點光纖和繼電保護裝置，減少了故障點。

（4）簡化了設備功能實現。集成后的智能終端可以直接采集母線電壓信號和刀閘位置，實現電壓切換功能，簡化了電壓切換方案。

1.3 設備配置方案

220kV及以上電壓每個間隔配置雙重化繼電保護設備和智能終端，110kV及以下電壓每個間隔配置一個繼電保護設備和智能終端，主變保護雙重化配置、各側間隔配置兩個智能終端［7～9］。

2 相關設備的通信接口設計

為了實現保護設備的獨立和全站信息的共享，本文提出將設備的通信接口分為站域信息接口、保護功能接口和過程信息接口，三種通信接口采用不同的通信控制器，在物理上完全隔離。下文將針對不同的設備分別進行闡述。

2.1 繼電保護設備的通信接口設計

繼電保護設備的通信接口定義如圖1所示。

（1）保護功能接口

用于實現保護功能的通信接口。應采用點對點方式與對應的智能終端連接，傳輸實現保護功能需要的各類信息（采樣值、跳閘、斷路器位置、隔離開關位置、啟動和閉鎖等）。

（2）過程信息接口

用于實現過程信息傳輸的通信接口，應采用網絡方式與過程層網絡連接，宜具有IEC61588網絡對時功能。該接口除接收IEC61588的對時信息外，不接收其他信息僅發送信息。通過信息映射技術將所有保護功能接口的信息映射過來發送到過程層網絡，實現保護功能接口信息的共享和監視。當保護功能網口失效時，再開啟該接口的接收功能，實現保護功能備用。

（3）站域信息接口

用于實現站域信息傳輸的通信網絡接口。應采用網絡連接與站控層網絡連接，傳輸與后臺通信的各類信息。

圖1 繼電保護設備的通信接口Fig.1 Communication interface of relay protection device

2.2 測控、錄波等設備的通信接口設計

測控、錄波等設備的重要程度相對低于繼電保護設備，因此無需保證其獨立性，將測控、錄波等設備通信接口如圖2所示，分為過程信息接口和站域功能接口。

（1）過程信息接口

通過網絡方式與過程層網絡連接，與智能終端和其他間隔層設備交換信息（采樣值信息、保護動作信息、四遙信息等），宜具有IEC61588網絡對時功能。

（2）站域信息接口

與保護設備的站域信息接口功能類似，應采用網絡方式與站控層網絡連接。

圖2 測控錄波裝置的通信接口Fig.2 Communication interface of measurement and control device

2.3 智能終端的通信接口設計

智能終端不直接連接站控層設備，通信接口分為保護功能接口和過程信息接口，如圖3所示。

（1）保護功能接口

僅實現保護功能，應采用點對點方式與對應間隔的保護設備連接。傳輸實現保護功能需要的各類信息（采樣值、跳閘、斷路器位置、隔離開關位置、啟動和閉鎖等）。

（2）過程信息接口

應采用網絡方式與過程層網絡連接，宜具有IEC61588網絡對時功能。正常工作時傳輸與保護功能無關的信息，將相關采樣值和四遙信息傳輸給測控、錄波器、網絡監視儀等裝置。該接口應能將所有保護功能接口的信息映射過來，以實現保護功能接口信息的監視。當保護功能網口失效時，再開啟該接口的接收功能，實現保護功能備用。

圖3 智能終端的通信接口Fig.3 Communication interface of smart termination

3 保護設備信息交互技術

物理結構是通信的外在表現，而信息處理則是通信的內涵所在，對于通信實現有著重要的作用。

點對點通信僅保證了保護設備在物理連接上的獨立性，目前跨間隔保護設備間的信息交互仍通過過程層網絡實現，還無法保證保護設備在邏輯連接上的獨立性。為了解決這一問題，本文提出過程信息服務器技術。

過程信息服務器技術是指利用某一設備作為過程層的信息服務器，保護設備之間的信息交互通過該服務器實現。過程信息服務器應選取現有設備，盡量不增加光纖連線。

由于智能終端與保護設備是點對點連接，且同一個智能終端會連接多個保護設備，因此將智能終端作為過程信息服務器是較為合適的。以220kV線路保護動作啟動母差失靈保護為例，說明過程信息服務器的實現方式如圖4所示。

圖4 過程信息服務器實現方式Fig.4 Realizing method of process information server

智能終端通過保護功能接口1連接線路保護實現線路保護的功能，通過保護功能接口2連接母差保護實現母差保護的功能。當智能終端從保護功能接口1接收到線路保護跳閘命令后，對該命令進行分析處理后，從保護功能接口2給母差保護發送啟失靈命令，從而實現了線路保護啟動母差失靈這一功能。

該技術工程應用時具體可以采用以下三種實現方式：

（1）透明轉發

智能終端對接收到的報文不做解析，直接轉發。該方式實現簡單、轉發時間快，但需要報文中增加相應的轉發信息和增加不必要的通信流量。

（2）解析轉發

智能終端對接收到的報文進行解析，解析出相應的轉發信息進行轉發。該方式不增加通信流量、不需在報文中增加轉發信息，但實現較為復雜、不能靈活配置。

（3）開入接點轉發

智能終端對接收到的報文動作出口繼電器，將出口繼電器的動作接點作為智能終端的開入信息進行采集轉發。該方式配置靈活、不增加網絡流量，但轉發時間較長。

該方法充分利用現有設備和光纖，不增加復雜性，同時保證了保護設備的邏輯獨立性。

4 變電站典型通信結構

根據上文的描述，本文提出的通信結構示意圖如圖5所示。

圖5 220kV線路保護間隔通信結構示意圖Fig.5 Communication structure of 220kV bay

圖5描述了典型的220kV線路間隔網絡結構示意圖。線路保護雙重化配置，對應的智能終端也雙重化配置。線路保護A通過保護功能接口點對點連接到智能終端A，通過過程信息接口連接到過程層A網，線路保護B的連接與線路保護A相同，兩套保護及外部連接物理上均獨立。過程層網絡為SV／GOOSE／1588三網合一設計。

線路保護的保護功能接口接收智能終端上送的電流、電壓交流信息和開關跳位、閉鎖重合閘等開入開出信息，發送跳合閘命令給智能終端。線路保護的過程信息接口將保護功能接口對外發送的數據映射過來并發送到過程層網絡上，實現保護設備對外發送數據的監視。正常情況下保護設備的過程信息接口不接收過程層網絡上的交流量和開入信息。

智能終端的保護功能接口接收保護下發的跳合閘命令，并將電流、電壓交流量和開關跳位、閉鎖重合閘等開入開出量發送給保護設備。智能終端的過程信息接口將其保護功能接口對外發送的數據映射過來并發送到過程網絡上，實現智能終端對外發送數據的監視。正常情況下過程信息接口不接收過程層網絡上的開入信息。智能終端通過過程信息服務器技術實現線路保護啟動母差失靈功能。當保護設備和智能終端的保護功能接口故障時，再開啟過程信息接口的接收功能，以實現保護功能接口的備用。

(2)實踐體驗階段.教師主要做的工作是引導學生進行分組.學生以小組為單位合作搜集相關數據和資料，獲得資料的途徑有很多，可以通過實驗獲得相關數據，通過觀察或者從書本、網絡等途徑獲得所需資料；然后根據問題需要來分析和處理這些數據和資料；通過歸納分析或者相互質疑、討論和交流來形成問 題的初步論證或結論.在這一階段Moodle平臺不僅給學習者提供一個豐富的探究問題的資源環境，還給學習者之間提供了互相交流、討論以及教師實時給予學生提示和指導的交互式環境.

圖6描述了典型的110kV線路間隔網絡結構示意圖。與220kV間隔不同，110kV單重化配置，保護和測控一體化設計。線路保護通過保護功能接口點對點連接到智能終端，通過過程信息接口連接到過程層網。過程層網絡為SV／GOOSE／1588三網合一設計。

保護功能接口和過程信息接口的工作方式與圖5完全相同，不再贅述。

圖6 110kV線路保護間隔網絡結構示意圖Fig.6 Communication structure of 110kV bay

主變保護以及其他保護和安全自動裝置的網絡連接與圖5和圖6類似，也不再贅述。

5 工程應用難點分析

結合國內已實施的數字化和智能變電站方案，下面對本文提出的變電站通信結構在工程應用中的幾個難點進行分析。

5.1 過程層網絡流量和通信帶寬分析

SV目前采樣速率一般采樣每周波80點，按照每幀報文250字節計算，單間隔的流量為

（1）式中8為字節位數，50為電網頻率。

正常工作的GOOSE報文流量很小，主要考慮突發事件的情況。按照每幀GOOSE報文300字節和最小重發時間2ms計算，單間隔最大流量為

（2）式中500為GOOSE報文發送頻率。基于以上分析，當變電站接入過程層網絡的間隔小于10個時，可采用100Mb／s帶寬。當變電站接入過程層網絡的間隔大于10個時，應采用1000Mb／s帶寬；如采用100Mb／s帶寬，應增加相應設備（如錄波器）的過程信息接口和合理劃分物理子網或虛擬子網（利用VLAN和GMRP技術）［10］。

5.2 1588應用分析

1588網絡對時協議通過網絡通信回路實現硬件級的高精度對時功能，省去了另外敷設對時線纜的需要。但目前1588網絡對時功能應用尚不成熟，增加了設備的復雜度，成本較高。從工程應用的角度出發，可先采用B碼對時方式，待條件成熟時再采用1588網絡對時功能。

5.3 過程信息服務器技術應用分析

6 結語

本文提出的變電站通信結構具有如下優點：

（1）簡化了變電站通信系統

將合并單元和智能終端進行集成，直采直跳通過一根光纖實現，相比現有直采直跳通過兩根光纖實現，通信系統可簡化一半。

（2）實現了保護設備物理連接上的獨立性

將裝置的接口分為站域信息接口、保護功能接口和過程信息接口，分別通過點對點連接保護功能接口、網絡連接過程信息接口和站域信息接口，實現了保護設備物理連接上的獨立性。

（3）實現了保護設備保護功能的完全獨立性

提出在智能終端內采用過程信息服務器技術，使保護功能完全獨立于過程層網絡。

（4）實現了保護功能數據的共享和監視

過程信息接口通過映射技術將所有保護功能接口對外發送的數據發送到過程層網絡上，從而實現了保護功能數據的共享和監視，為繼電保護的故障診斷提供了堅實的基礎。

本文提出的變電站通信結構兼顧了保護獨立和網絡信息共享兩方面的優勢，是一種較好的變電站通信結構，需要在工程實踐進一步完善和細化。

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