基于IEC61850 的高壓變電站自動化保護系統

吳雯

（國網江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇 常州 213000）

IEC61850由于運行可靠和成本效益高，具備智能診斷工具，并且可以降低維護成本、改善通信能力、易于測試及調試、減少終端點數目、縮短項目時間等優點，正逐漸得到變電站系統的應用。使用IEC61850的變電站在其數字布線方案中使用光纖（FO）和以太網電纜，并配有智能電子設備（IED）［1］。這些簡易裝置之間相互通信，并以微秒速度在各種保護裝置之間傳輸數據。然而，IEC61850協議有其自身的問題。當多廠商設備（如IED、交換機和合并單元（MU））在變電站自動化系統（SAS）中連接時，由于特色問題而造成延遲。傳輸數據包的通信或延遲可能進一步導致互操作性問題［2-3］。為了緩解這些問題，變電站需要投入額外的設備，使整個電路復雜化。

簡易IED裝置之間的通信通常是在使用FO電纜的以太網平臺上進行的，FO接線和連接在很大程度上減少了SAS網絡中的銅線使用。根據IEC61850標準，在測試過程中，預計不會出現單點故障，這可能導致SAS無法操作［4-5］。因此，本文研究和實驗特定拓撲結構下多設備IED中GOOSE 信息傳遞延遲時間的相關性能是非常有意義的。

1 站控總線技術分析

1.1 啟用IEC61850變電站的功能級別

一個典型的SAS有三個關鍵功能，如圖1所示。主要功能是控制、監測和保護，這是在一個具有IEC61850的數字高壓變電站中進行的，該變電站具有三個層次的功能層次，即站控層次、間隔層次、過程層次。

圖1 變電站自動化系統接口模型

在工藝層面，開關站儀表變壓器的模擬電流和電壓被輸入合并數據庫。模擬信號轉換成數字數據包，并通過局域網（LAN）上的FO電纜傳輸，用于間隔層水平的保護和控制設備。這些數字信號不斷地掃描網絡，并通過相關的IED裝置尋找跳閘、故障、可用、報警等事件。在站控級，對來自不同間隔層的數據進行處理和實現，并被集成以執行保護和控制功能。這種使用FO和以太網電纜的方法顯著降低了二次銅線的使用成本。在一個實際裝置中，以10/100Mbs/s 的局域網速度進行性能測試，從保護和可靠性的角度分析，這些性能測試足以符合在星型拓撲中的測試速度。

如圖2顯示了SAS 網絡中的星型拓撲結構。在此體系結構中，每個級別都使用以太網交換機直接連接到一個中心節點。這種拓撲通過使用節點設備交換機（如交換機、冗余盒等）的以太網鏈路進一步擴展，連接站控制器的以太網交換機。總體拓撲結構符合IEC61850標準的要求。

圖2 變電站自動化系統的星型架構

在基于IEC61850環境的實際場景中，典型的信息傳輸速率從類型1到類型5不等，傳輸數據包延遲從0到1000毫秒不等。時間關鍵信息是類型1，通常需要在變電站保護跳閘，并有二進制代碼包含數據、命令和簡單的信息。在變電站環境中，從保護的角度來看，跳閘時間是至關重要的，如表1中列出了典型的類型1消息跳閘時間。

表1 類型1信息的跳閘時間

1.2 基于OPNET的以太網體系結構

基于優化網絡工程工具（OPNET）模擬了一個典型的110/10kV 變電站的星型結構模型，在實驗室中，考慮了10-Mb/s和100-Mb/s 的局域網速度。不同類型信息的優先次序列于表2所示，為數字變電站內不同的IED裝置提供服務。在給定的星型體系結構中，SAS根據IEC61850-5協議，所有時間關鍵消息，即倍率為類型1的消息，聯鎖是類型2的信息等，按降序分配優先級。

表2 信息類型

2 仿真及結果分析

2.1 基于OPNET建模的變電站設計

一個典型的110/10kV區域變電站如圖3所示，其中兩個110kV的輸入端通過兩個額定為110/10kV，40-MVA 的電力變壓器以雙冗余n-1方案連接到2×10kV開關板上，2×10kV單節母線通過母線接頭連接，以便進行維護和停運。

圖3 110/10kV 區間變電站線路圖

圖4是一個基于OPNET實驗室的仿真，使用了星型拓撲結構，兩個單總線A1和A5之間的總線連接，在閉合條件下，一個星型拓撲中的兩個獨立的進程總線連接到路由器1。母線分別被指定為A1和A5，如線路圖3所示，并由一個10kV母線聯絡斷路器隔離。雙過程總線是指10kV電平的A1和A5母線接頭處于ON位置的總線。局域網速度為10Mb/s，總線連接為ON和OFF的參數結果見表3。

表3 局域網速度為10MB/s時，單進程和雙進程總線中延遲

圖4 斷開狀態下帶總線接頭的進程總線

表3展示了單進程和雙進程總線模式中的消息延遲，其采樣速度從每秒256個采樣到每秒960個采樣不等。它還顯示了從進程到站點服務器數據傳輸的平均和最大延遲。最大采樣速度960是具備文件設置和傳輸數據的數據包。可以觀察到，當局域網速度為10Mb/s 時，在X-Y坐標上的OPNET輸出模型中顯示了不同采樣速度下單雙進程總線的延遲，如圖5（a-b）中時間與速度曲線為單進程線仿真圖，圖6（a-b）所示為雙進程總線傳輸延遲。

圖5 局域網速度為10Mb/s時，單進程總線數據傳輸延遲

圖6 局域網速度為10Mb/s時，雙進程總線數據傳輸延遲

圖7展示了一個閉合狀態下的進程總線，總線接口為ON。在10kV水平上考慮了A1和A5總線的數據傳輸，延遲時間列于表4中。對100Mb/s 的局域網速度進行了模擬，如圖8（a-b）及圖9（a-b）所示。此數據符合在SAS環境中涉及IED和交換機的現實場景的理想選擇。

表4 局域網速度為100MB/s 時，單進程和雙進程總線延遲

圖7 總線接頭在開關ON位置雙線程

圖8 局域網速度為100Mb/s時，單進程總線數據傳輸延遲

圖9 局域網速度為100Mb/s時，雙進程總線數據傳輸延遲

3 結果分析

在110/10kV 數字化變電站中，采用OPNET模擬器對兩種局域網速度（10-Mb/s及100-Mb/s）進行仿真，觀察具有類型IED 的星型拓撲結構中GOOSE信息傳輸的性能。在整個模擬過程中，采樣速度不同，了解具有多類型IED、交換機和外圍設備的典型星型配置的SAS網絡的響應，同時評估IED之間數據傳輸的性能。

在局域網速度為10Mb/s時，單進程總線的局域網速度與雙進程總線的延遲時間大致相同。此外，還觀察到，10Mb/s的局域網速度下，容量足以確保網絡中的延遲盡可能保持最低。以采樣速度每秒960個為最大采樣，網絡中經歷的最大延遲為0.005ms。這個數字相當低，它顯示了嚴格的優先級調度在減少延遲方面的影響，優先級數據首先傳輸，以確保關鍵動作信號在盡可能短的時間內傳輸到最終目的地，實現最小延遲。

在10Mb/s的局域網速度下，網絡負載增加了960個采樣/s的最大量，信息傳輸的平均延遲時間增加了0.003ms。系統延遲一般是恒定的，因此，即使實施了嚴格的優先級調度，傳輸網絡也可以處理大量的數據加載，以減少網絡中的延遲。對于100Mb/s的局域網，系統表明它具有更高的穩定性，并顯示出0.002ms的最大提升速度。顯然，對于具有高電流容量的重要區域變電站，使用100Mb/s的總線連接開啟的雙隔間系統是有益的，因為它可以在盡可能小的延遲內傳輸數據。對于復雜的網絡，可能會出現較大的延遲量。通過對隊列中等待的數據包進行優先排序，從保護和可靠性的角度形成了一個關鍵的決策。

4 結論

總之，基于IEC61850的自動化保護系統以可靠的方式處理故障，同時又不影響保護速度。在數字通信平臺上對SAS網絡中的星形拓撲結構進行了性能評估。通過對星型拓撲中的IED進行性能測試，發現在100Mb/s 的局域網速度下，消息傳輸和延遲（包括功能問題和冗余） 問題能夠得到更好地解決。然而，為了獲得IEC61850的更廣泛應運，SAS網絡中所有組件的性能需要廣泛評估進行，并為變電站設備接受。本文通過OPNET仿真驗證了在間隔層和過程層通信時數據傳輸的速度和與數據包相關的延遲。模擬試驗結果為高壓變電站單、雙母線開、關母聯線保護和通信可靠性提供了依據，它解決了高壓變電站使用繼電保護的延遲問題，實驗結果驗證了多設備在高壓變電站保護網中的運行及其可操作性能。