紀(jì)南220 k V智能變電站實(shí)時(shí)通信分析

代 琴，邢 航，陳堂賢，李雙杰

（1.荊州供電公司，湖北 荊州434000；2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌443002）

0 引 言

1 紀(jì)南220 kV智能變電站概述

1.1 紀(jì)南220 k V智能站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

紀(jì)南220 k V智能變電站是湖北荊州地區(qū)的一座重要樞紐變電站，位于湖北省西電東送的大通道上，電網(wǎng)位置十分重要：現(xiàn)有1臺(tái)150 MVA和1臺(tái)180 MVA的主變；220 k V、110 k V均采用雙母線帶旁母接線方式；220 k V終期出線6回，已有出線5回；110 k V終期出線8回，已有出線5回；10 k V終期出線15回，已有出線15回。10 k V主變進(jìn)線回路采用分裂電抗器，兩組分裂電抗器的四段母線形成兩組單母線分段接線，兩臺(tái)主變壓器分列運(yùn)行，10 k V每段母線上接2組6 Mvar和1組8 Mvar電容無功補(bǔ)償裝置；變電站已有兩臺(tái)315 k VA干式變壓器，低壓380／220 V側(cè)采用單母線分段接線，兩臺(tái)站變正常同時(shí)工作，分列運(yùn)行，互為備用。＃1站變接入10 k V I段母線；＃2站變接入10 k V II段母線。

1.2 紀(jì)南220 kV智能站通信接口模型

基于IEC61850紀(jì)南220 k V智能變電站通信接口模型如圖1所示。其體系分層為：過程層 、間隔層、變電站層。

（1）過程層：主要指變電站中的變壓器、斷路器、PT／CT等一次、二次設(shè)備及其智能組件（MU+智能操作箱），能完成變電站運(yùn)行實(shí)時(shí)電氣量的檢測、設(shè)備狀態(tài)參數(shù)檢測及操作控制執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)等功能。

（2）間隔層：主要指保護(hù)、測控等二次設(shè)備，能采用該間隔的數(shù)據(jù)操作或控制該間隔的一次設(shè)備，且能與各種遠(yuǎn)方輸入／輸出、傳感器和控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（3）變電站層：主要指站域和站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、衛(wèi)星對(duì)時(shí)系統(tǒng)等，主要功能是監(jiān)視（數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制（SCADA）等）、控制（操作閉鎖等）、告警及信息交互（同步相量采集、電能量采集、保護(hù)信息管理等）等。

圖1 紀(jì)南220 kV智能變電站通信接口模型

智能變電站與傳統(tǒng)變電站比較主要優(yōu)勢表現(xiàn)在：智能傳感器保證了保護(hù)、測量系統(tǒng)的精度；光纖數(shù)字網(wǎng)絡(luò)傳輸簡化了二次接線的復(fù)雜程度，且解決了電磁干擾問題。

(4)已知SCl2的沸點(diǎn)為50℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將三頸燒瓶中混合物分離開的實(shí)驗(yàn)操作名稱是____。若反應(yīng)中消耗的Cl2的體積為896mL(標(biāo)準(zhǔn)狀況,SO2足量),最后得到純凈的SOCl26.76g,則SOCl2的產(chǎn)率為____(保留兩位有效數(shù)字)。

信息模型和通信接口按IEC61850標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一建立，保證設(shè)備“無縫連接”，解決了設(shè)備間互操作性問題。

1.3 紀(jì)南220 k V智能站通信聯(lián)接

紀(jì)南智能變電站的控制、保護(hù)、測量等功能是由多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)共同協(xié)調(diào)工作完成，邏輯節(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)幀交換的最小功能單元，如圖2所示，表述了兩個(gè)功能單元（F1、2）包含3個(gè)物理設(shè)備（PD1、2、3）的通信聯(lián)系。圖2中F1、2為實(shí)際功能單元；PD1、2、3為物理設(shè)備；F1有5個(gè)LN0（邏輯節(jié)點(diǎn)：LN1、2、3、4、5）；F2有3個(gè)LN0（邏輯節(jié)點(diǎn)：LN3、5、6）；PD1有3個(gè)LN0（邏輯節(jié)點(diǎn)：LN1、2、3）；PD2有2個(gè)LN0（邏輯節(jié)點(diǎn)：LN4、5）；PD3有1個(gè)LN0（邏輯節(jié)點(diǎn)：LN6）；PD1、PD2、PD3通信 PC（PC12、23、31）；邏輯通信LC（LC12、35、56、14、36）［2］。

圖2 功能單元與物理設(shè)備間通信聯(lián)系示意圖

2 紀(jì)南220 kV智能變電站通信的實(shí)現(xiàn)

2.1 IEEE 1588對(duì)時(shí)方式

紀(jì)南220 k V智能變電站采用IEEE1588對(duì)時(shí)方式，IEEE1588定義了一種應(yīng)用于分布式測量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)間協(xié)議PTP（precision time protocol）。PTP利用以太網(wǎng)為傳輸媒介，采用時(shí)間戳機(jī)制和主從時(shí)鐘方案，主時(shí)鐘和從時(shí)鐘之間周期交互包含時(shí)間編碼信息的報(bào)文，利用網(wǎng)絡(luò)鏈路的對(duì)稱性和時(shí)延測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)主從時(shí)鐘頻率和時(shí)間的同步。紀(jì)南220 k V智能變電站保護(hù)裝置的功能不依賴外部對(duì)時(shí)系統(tǒng)，但間隔層IED和過程層智能終端要產(chǎn)生SOE，需要達(dá)到SOE±1 ms的時(shí)標(biāo)精度要求，合并單元要考慮檢測信號(hào)角度誤差，精度要求不大于（1／6）ms，考慮正負(fù)誤差和可靠系數(shù)對(duì)時(shí)精度應(yīng)不大于50 us。IEEE1588對(duì)時(shí)可以達(dá)到亞微妙級(jí)，完全滿足紀(jì)南220 k V智能變電站合并單元對(duì)時(shí)的精度要求。

2.2 紀(jì)南220 kV智能站通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

紀(jì)南220 k V智能變電站通信如圖3所示。

圖3 紀(jì)南220 kV智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

紀(jì)南220 k V智能變電站的站控層及站控層網(wǎng)和常規(guī)綜自站基本一樣，主要區(qū)別在于過程層和間隔層及其之間的連接。智能變電站將原來的保護(hù)一分為三，形成了現(xiàn)在的保護(hù)單元、合并單元和智能終端，增加了過程層網(wǎng)，其主要目的一方面是共享信息的需要，減少采集硬件的重復(fù)配置，方便實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的聯(lián)閉鎖及其它高級(jí)應(yīng)用；另一方面也是今后智能開關(guān)、智能組合電器發(fā)展的需要。合并單元、智能終端必將組合到這些智能一次設(shè)備中去，今后一、二次設(shè)備間只需要用一根光纜連接。隨著智能變電站的發(fā)展，甚至保護(hù)單元也會(huì)組合到智能一次設(shè)備中去，就象現(xiàn)在的空開供電一樣，各間隔、各站所間依靠自身的復(fù)合光纜進(jìn)行通信。

2.3 紀(jì)南220 kV智能站通信報(bào)文端到端時(shí)延

紀(jì)南220 k V智能變電站通信報(bào)文端到端時(shí)延構(gòu)成如圖4所示。圖4中t是通信報(bào)文全部時(shí)延（源節(jié)點(diǎn)發(fā)出報(bào)文到目的節(jié)點(diǎn)接收到報(bào)文的時(shí)間）；ta是源節(jié)點(diǎn)處理和發(fā)出報(bào)文的時(shí)間（包括協(xié)議棧數(shù)據(jù)分段、協(xié)議封裝等處理開銷）；tb是報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)間（包括排隊(duì)時(shí)延、傳輸時(shí)延和傳播時(shí)延）；tc是目的節(jié)點(diǎn)接收到報(bào)文并

圖4 紀(jì)南220 kV智能變電站通信報(bào)文時(shí)延構(gòu)成圖

處理的時(shí)間（包括協(xié)議拆封、除包頭、拼裝數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)拷貝等處理開銷），式（1）表明這幾部分的時(shí)延關(guān)系。

排隊(duì)時(shí)延：指通信報(bào)文排隊(duì)開始到獲準(zhǔn)傳輸資格的時(shí)延，此時(shí)延決定于網(wǎng)絡(luò)的MAC。

傳輸時(shí)延：指傳輸鏈路上發(fā)送報(bào)文的第1位（比特）至發(fā)送報(bào)文的最后1位（比特）的時(shí)延，此時(shí)延決定于報(bào)文的長度和數(shù)據(jù)傳輸波特率。

傳播時(shí)延：指傳輸鏈路上發(fā)送報(bào)文的第某位（比特）時(shí)刻至該位（比特）到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)延，傳播時(shí)延決定于傳輸網(wǎng)絡(luò)的距離和網(wǎng)絡(luò)傳播速度。

2.4 紀(jì)南220 k V智能站通信的實(shí)時(shí)性

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)帶寬、控制網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問的方法、優(yōu)先級(jí)策略等共同決定智能變電站通信的實(shí)時(shí)性。以太網(wǎng)具備突出的帶寬優(yōu)勢，但以太網(wǎng)強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的平等和帶寬的共享，在智能變電站中的應(yīng)用具有實(shí)時(shí)性問題，解決智能變電站通信實(shí)時(shí)性問題的主要方法是通過合并單元減少節(jié)點(diǎn)數(shù)目、減少網(wǎng)絡(luò)流量、合理分配和整合網(wǎng)絡(luò)流量［3］。

2.4.1 合并單元改善紀(jì)南智能站的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

合并單元是智能變電站電子互感器、保護(hù)及測控設(shè)備的接口，可將12路電流、電壓通道的信息按IEC61850標(biāo)準(zhǔn)組幀合并，如圖5所示。

圖5中智能變電站合并單元主要包括同步時(shí)鐘信號(hào)、ECT（電子式電流互感器）／EVT（電子式電壓互感器）的接口、合并單元向間隔層設(shè)備光纖通信接口、數(shù)據(jù)的接收與處理、異常檢測與監(jiān)控管理等。

2.4.2 啟用以太網(wǎng)交換機(jī)提高智能變電站報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性能

對(duì)智能變電站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)啟用IEEE 802.1Q（VLAN協(xié)議），智能變電站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（報(bào)文）在N臺(tái)交換機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)中傳輸后產(chǎn)生的總時(shí)延如式（2）所示。

式中，N為以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)臺(tái)數(shù)；TS為單臺(tái)交換機(jī)存儲(chǔ)傳輸時(shí)間（TS≤5μs）；σ為端口阻塞的概率（0≤σ≤1）；Td為傳輸信息在隊(duì)列中傳輸?shù)臅r(shí)間；Lb為傳輸信息（報(bào)文）的長度（128 bytes等）；β為通信協(xié)議物理層添加常數(shù)（β=96 bytes）；Tt為實(shí)時(shí)傳輸信息（報(bào)文）點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸時(shí)間；Lt為實(shí)時(shí)傳輸信息（報(bào)文）的長度（256 bytes等）。智能變電站通信的實(shí)時(shí)性（時(shí)延）主要與Lt、Lb、N三參數(shù)密切相關(guān)，Lt、Lb、N越長，延遲越大，數(shù)據(jù)流量越大［4］。

圖5 合并單元改善紀(jì)南智能變電站的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.4.3 自適應(yīng)流量平滑器提高智能變電站報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性能

為了解決以太網(wǎng)如下缺陷：采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)采用查詢／發(fā)送機(jī)制；報(bào)文平均流量遠(yuǎn)小于以太網(wǎng)容量；具有突發(fā)性（bursty）的報(bào)文發(fā)送和產(chǎn)生，容易發(fā)生碰撞Seok-Kyu Kweon和Kang G.Shin兩學(xué)者提出了自適應(yīng)流量平滑器。該流量平滑器是以太網(wǎng)MAC協(xié)議和傳輸層協(xié)議的接口，自適應(yīng)流量平滑器的思路如下：

（1）將有實(shí)時(shí)要求的報(bào)文從本地節(jié)點(diǎn)中檢測出來，并將其設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)，避免本地節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的非實(shí)時(shí)報(bào)文競爭訪問網(wǎng)絡(luò)，從而提高以太網(wǎng)報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性能；

（2）在以太網(wǎng)MAC協(xié)議和傳輸層協(xié)議間設(shè)置緩沖區(qū)，并將具有突發(fā)性的以太網(wǎng)報(bào)文存儲(chǔ)到此緩沖區(qū)后，再以一個(gè)較低的速率（自動(dòng)確定實(shí)時(shí)報(bào)文的發(fā)送速率）發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，因而降低了以太網(wǎng)報(bào)文的突發(fā)性，降低了報(bào)文的碰撞率，提高以太網(wǎng)報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

3 OPNET仿真評(píng)估網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性

為了評(píng)估紀(jì)南220 k V智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能，將上述方法采用工具軟件OPNET進(jìn)行仿真。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 基于OPNET的紀(jì)南智能變電站仿真參數(shù)

OPNET采用三層建模機(jī)制建模，即最低層的進(jìn)程域（Process）模型，中間為節(jié)點(diǎn)域（Node）模型，最上層為網(wǎng)絡(luò)域模型。網(wǎng)絡(luò)域：智能變電站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)組建方案采用獨(dú)立總線的方式。每個(gè)保護(hù)單元設(shè)置雙網(wǎng)卡，分別接入站控層總線和過程層總線，兩條總線在物理結(jié)構(gòu)上均為星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；節(jié)點(diǎn)域：節(jié)點(diǎn)域建模的方法是基于節(jié)點(diǎn)模塊，每個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)行為的某一方面，多個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊的集合構(gòu)成功能完整的節(jié)點(diǎn)。在仿真過程中，來自客戶端的數(shù)據(jù)包被接收機(jī)接收（hub-rx-0-0），然后由下至上穿過協(xié)議棧到application模塊。經(jīng)過處理后，又沿原路返回至發(fā)送機(jī)hub-tx-0-0），最后被傳輸?shù)娇蛻舳恕７抡娼Y(jié)果如圖6、圖7所示。

模擬仿真30 min結(jié)果可以看出，過程級(jí)網(wǎng)絡(luò)端對(duì)端突發(fā)性報(bào)文最大時(shí)延為0.071 ms；站控級(jí)網(wǎng)絡(luò)端對(duì)端突發(fā)性報(bào)文最大時(shí)延不超過0.134 ms。可靠性方案的報(bào)文延時(shí)小于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)所要求的快速報(bào)文3 ms時(shí)延，驗(yàn)證了上述共享備用方案的可行性。

圖6 過程級(jí)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

圖7 站控級(jí)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

4 結(jié) 論

本文針對(duì)以太網(wǎng)智能變電站實(shí)時(shí)通信問題，結(jié)合湖北荊州220 k V紀(jì)南變電站智能化改造實(shí)際情況，采用以太網(wǎng)的新技術(shù)，研究增強(qiáng)智能變電站通信實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)方法。模擬仿真結(jié)果表明該方法的有效性。

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