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(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072；3.國家電力調(diào)度控制中心，北京100031）

目前，電網(wǎng)已經(jīng)往智能化方向發(fā)展，要求電網(wǎng)具備信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化，相應(yīng)的變電站也應(yīng)發(fā)展為智能變電站。

智能變電站是在傳統(tǒng)綜自變電站和數(shù)字化變電站基礎(chǔ)上的進(jìn)一步提升。從綜自變電站到數(shù)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(qiáng)。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將通信引入了一次設(shè)備和二次設(shè)備的過程之間，引起了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的巨大變化［1～3］。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定全站設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，最終推薦全站設(shè)備組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)通信代替?zhèn)鹘y(tǒng)裝置間的電纜連線，最大優(yōu)點(diǎn)在于信息共享，可以大大簡化全站設(shè)備和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全站信息標(biāo)準(zhǔn)化和實(shí)時(shí)監(jiān)視；但網(wǎng)絡(luò)的主要問題在于將全站設(shè)備綁定在一起，降低了變電站間隔設(shè)備（尤其是繼電保護(hù)設(shè)備）運(yùn)行的獨(dú)立性，使變電站的運(yùn)行維護(hù)較為困難。

我國繼電保護(hù)設(shè)備和回路系統(tǒng)一直按照間隔獨(dú)立設(shè)計(jì)。電網(wǎng)長期運(yùn)行實(shí)踐表明，繼電保護(hù)獨(dú)立運(yùn)行最大程度地保證繼電保護(hù)的可靠性和安全性、是從根本上解決因單一設(shè)備或回路故障影響大電網(wǎng)安全運(yùn)行的有效措施。

文獻(xiàn)［4］提出了繼電保護(hù)設(shè)備通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信直接采樣直接跳閘和不依賴于外部對(duì)時(shí)系統(tǒng)的規(guī)范，避免了網(wǎng)絡(luò)帶來的保護(hù)設(shè)備不獨(dú)立問題，大大提高了繼電保護(hù)設(shè)備的安全性和可靠性；但保護(hù)功能未完全獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)較為復(fù)雜。

現(xiàn)有的變電站通信結(jié)構(gòu)未能將保護(hù)功能和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)有效解耦，信息共享和保護(hù)獨(dú)立運(yùn)行是變電站通信應(yīng)用中的一對(duì)矛盾。本文將提出基于保護(hù)獨(dú)立和信息共享的變電站通信結(jié)構(gòu)，對(duì)全站通信結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使繼電保護(hù)功能間隔自治、完全獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)；并同時(shí)實(shí)現(xiàn)保護(hù)信息的完全共享，實(shí)現(xiàn)全站信息的共享和監(jiān)視。

1 變電站通信整體結(jié)構(gòu)和原則

1.1 變電站通信物理結(jié)構(gòu)

本文提出的通信結(jié)構(gòu)仍然遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的三層設(shè)備結(jié)構(gòu)，將變電站分為站控層、間隔層和過程層設(shè)備，站控層和間隔層設(shè)備之間的通信為站控層通信，間隔層和過程層設(shè)備之間的通信為過程層通信［5］。

本文的物理通信結(jié)構(gòu)采用效果良好的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和星型結(jié)構(gòu)［6］。站控層通信與現(xiàn)有的站控層通信相同，本文的研究主要針對(duì)過程層通信。

1.2 設(shè)備集成方案

目前智能變電站的直采直跳點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信結(jié)構(gòu)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(nèi)通信光纖數(shù)量較多，系統(tǒng)較為復(fù)雜。

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

（1）變電站結(jié)構(gòu)更加清晰。將合并單元和智能終端集成作為間隔一次設(shè)備的統(tǒng)一過程接口。

（2）簡化了站內(nèi)通信系統(tǒng)。比現(xiàn)有的直采直跳點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)節(jié)省了約一半光纖。

（3）提高了保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。將繼電保護(hù)系統(tǒng)簡化為智能終端、1根點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖和繼電保護(hù)裝置，減少了故障點(diǎn)。

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

1.3 設(shè)備配置方案

220kV及以上電壓每個(gè)間隔配置雙重化繼電保護(hù)設(shè)備和智能終端，110kV及以下電壓每個(gè)間隔配置一個(gè)繼電保護(hù)設(shè)備和智能終端，主變保護(hù)雙重化配置、各側(cè)間隔配置兩個(gè)智能終端［7～9］。

2 相關(guān)設(shè)備的通信接口設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)設(shè)備的獨(dú)立和全站信息的共享，本文提出將設(shè)備的通信接口分為站域信息接口、保護(hù)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(duì)不同的設(shè)備分別進(jìn)行闡述。

2.1 繼電保護(hù)設(shè)備的通信接口設(shè)計(jì)

繼電保護(hù)設(shè)備的通信接口定義如圖1所示。

（1）保護(hù)功能接口

用于實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的通信接口。應(yīng)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式與對(duì)應(yīng)的智能終端連接，傳輸實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能需要的各類信息（采樣值、跳閘、斷路器位置、隔離開關(guān)位置、啟動(dòng)和閉鎖等）。

（2）過程信息接口

用于實(shí)現(xiàn)過程信息傳輸?shù)耐ㄐ沤涌?，?yīng)采用網(wǎng)絡(luò)方式與過程層網(wǎng)絡(luò)連接，宜具有IEC61588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)功能。該接口除接收IEC61588的對(duì)時(shí)信息外，不接收其他信息僅發(fā)送信息。通過信息映射技術(shù)將所有保護(hù)功能接口的信息映射過來發(fā)送到過程層網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能接口信息的共享和監(jiān)視。當(dāng)保護(hù)功能網(wǎng)口失效時(shí)，再開啟該接口的接收功能，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能備用。

（3）站域信息接口

用于實(shí)現(xiàn)站域信息傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)接口。應(yīng)采用網(wǎng)絡(luò)連接與站控層網(wǎng)絡(luò)連接，傳輸與后臺(tái)通信的各類信息。

圖1 繼電保護(hù)設(shè)備的通信接口Fig.1 Communication interface of relay protection device

2.2 測控、錄波等設(shè)備的通信接口設(shè)計(jì)

測控、錄波等設(shè)備的重要程度相對(duì)低于繼電保護(hù)設(shè)備，因此無需保證其獨(dú)立性，將測控、錄波等設(shè)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(wǎng)絡(luò)方式與過程層網(wǎng)絡(luò)連接，與智能終端和其他間隔層設(shè)備交換信息（采樣值信息、保護(hù)動(dòng)作信息、四遙信息等），宜具有IEC61588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)功能。

（2）站域信息接口

與保護(hù)設(shè)備的站域信息接口功能類似，應(yīng)采用網(wǎng)絡(luò)方式與站控層網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)

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

（1）保護(hù)功能接口

僅實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，應(yīng)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式與對(duì)應(yīng)間隔的保護(hù)設(shè)備連接。傳輸實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能需要的各類信息（采樣值、跳閘、斷路器位置、隔離開關(guān)位置、啟動(dòng)和閉鎖等）。

（2）過程信息接口

應(yīng)采用網(wǎng)絡(luò)方式與過程層網(wǎng)絡(luò)連接，宜具有IEC61588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)功能。正常工作時(shí)傳輸與保護(hù)功能無關(guān)的信息，將相關(guān)采樣值和四遙信息傳輸給測控、錄波器、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視儀等裝置。該接口應(yīng)能將所有保護(hù)功能接口的信息映射過來，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能接口信息的監(jiān)視。當(dāng)保護(hù)功能網(wǎng)口失效時(shí)，再開啟該接口的接收功能，實(shí)現(xiàn)保護(hù)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(hù)設(shè)備信息交互技術(shù)

物理結(jié)構(gòu)是通信的外在表現(xiàn)，而信息處理則是通信的內(nèi)涵所在，對(duì)于通信實(shí)現(xiàn)有著重要的作用。

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信僅保證了保護(hù)設(shè)備在物理連接上的獨(dú)立性，目前跨間隔保護(hù)設(shè)備間的信息交互仍通過過程層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，還無法保證保護(hù)設(shè)備在邏輯連接上的獨(dú)立性。為了解決這一問題，本文提出過程信息服務(wù)器技術(shù)。

過程信息服務(wù)器技術(shù)是指利用某一設(shè)備作為過程層的信息服務(wù)器，保護(hù)設(shè)備之間的信息交互通過該服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。過程信息服務(wù)器應(yīng)選取現(xiàn)有設(shè)備，盡量不增加光纖連線。

由于智能終端與保護(hù)設(shè)備是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，且同一個(gè)智能終端會(huì)連接多個(gè)保護(hù)設(shè)備，因此將智能終端作為過程信息服務(wù)器是較為合適的。以220kV線路保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)母差失靈保護(hù)為例，說明過程信息服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)方式如圖4所示。

圖4 過程信息服務(wù)器實(shí)現(xiàn)方式Fig.4 Realizing method of process information server

智能終端通過保護(hù)功能接口1連接線路保護(hù)實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)的功能，通過保護(hù)功能接口2連接母差保護(hù)實(shí)現(xiàn)母差保護(hù)的功能。當(dāng)智能終端從保護(hù)功能接口1接收到線路保護(hù)跳閘命令后，對(duì)該命令進(jìn)行分析處理后，從保護(hù)功能接口2給母差保護(hù)發(fā)送啟失靈命令，從而實(shí)現(xiàn)了線路保護(hù)啟動(dòng)母差失靈這一功能。

該技術(shù)工程應(yīng)用時(shí)具體可以采用以下三種實(shí)現(xiàn)方式：

（1）透明轉(zhuǎn)發(fā)

智能終端對(duì)接收到的報(bào)文不做解析，直接轉(zhuǎn)發(fā)。該方式實(shí)現(xiàn)簡單、轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間快，但需要報(bào)文中增加相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)信息和增加不必要的通信流量。

（2）解析轉(zhuǎn)發(fā)

智能終端對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行解析，解析出相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。該方式不增加通信流量、不需在報(bào)文中增加轉(zhuǎn)發(fā)信息，但實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜、不能靈活配置。

（3）開入接點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)

智能終端對(duì)接收到的報(bào)文動(dòng)作出口繼電器，將出口繼電器的動(dòng)作接點(diǎn)作為智能終端的開入信息進(jìn)行采集轉(zhuǎn)發(fā)。該方式配置靈活、不增加網(wǎng)絡(luò)流量，但轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間較長。

該方法充分利用現(xiàn)有設(shè)備和光纖，不增加復(fù)雜性，同時(shí)保證了保護(hù)設(shè)備的邏輯獨(dú)立性。

4 變電站典型通信結(jié)構(gòu)

根據(jù)上文的描述，本文提出的通信結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 220kV線路保護(hù)間隔通信結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Communication structure of 220kV bay

圖5描述了典型的220kV線路間隔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。線路保護(hù)雙重化配置，對(duì)應(yīng)的智能終端也雙重化配置。線路保護(hù)A通過保護(hù)功能接口點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接到智能終端A，通過過程信息接口連接到過程層A網(wǎng)，線路保護(hù)B的連接與線路保護(hù)A相同，兩套保護(hù)及外部連接物理上均獨(dú)立。過程層網(wǎng)絡(luò)為SV／GOOSE／1588三網(wǎng)合一設(shè)計(jì)。

線路保護(hù)的保護(hù)功能接口接收智能終端上送的電流、電壓交流信息和開關(guān)跳位、閉鎖重合閘等開入開出信息，發(fā)送跳合閘命令給智能終端。線路保護(hù)的過程信息接口將保護(hù)功能接口對(duì)外發(fā)送的數(shù)據(jù)映射過來并發(fā)送到過程層網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)保護(hù)設(shè)備對(duì)外發(fā)送數(shù)據(jù)的監(jiān)視。正常情況下保護(hù)設(shè)備的過程信息接口不接收過程層網(wǎng)絡(luò)上的交流量和開入信息。

智能終端的保護(hù)功能接口接收保護(hù)下發(fā)的跳合閘命令，并將電流、電壓交流量和開關(guān)跳位、閉鎖重合閘等開入開出量發(fā)送給保護(hù)設(shè)備。智能終端的過程信息接口將其保護(hù)功能接口對(duì)外發(fā)送的數(shù)據(jù)映射過來并發(fā)送到過程網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)智能終端對(duì)外發(fā)送數(shù)據(jù)的監(jiān)視。正常情況下過程信息接口不接收過程層網(wǎng)絡(luò)上的開入信息。智能終端通過過程信息服務(wù)器技術(shù)實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)啟動(dòng)母差失靈功能。當(dāng)保護(hù)設(shè)備和智能終端的保護(hù)功能接口故障時(shí)，再開啟過程信息接口的接收功能，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能接口的備用。

(2)實(shí)踐體驗(yàn)階段.教師主要做的工作是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分組.學(xué)生以小組為單位合作搜集相關(guān)數(shù)據(jù)和資料，獲得資料的途徑有很多，可以通過實(shí)驗(yàn)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，通過觀察或者從書本、網(wǎng)絡(luò)等途徑獲得所需資料；然后根據(jù)問題需要來分析和處理這些數(shù)據(jù)和資料；通過歸納分析或者相互質(zhì)疑、討論和交流來形成問 題的初步論證或結(jié)論.在這一階段Moodle平臺(tái)不僅給學(xué)習(xí)者提供一個(gè)豐富的探究問題的資源環(huán)境，還給學(xué)習(xí)者之間提供了互相交流、討論以及教師實(shí)時(shí)給予學(xué)生提示和指導(dǎo)的交互式環(huán)境.

圖6描述了典型的110kV線路間隔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。與220kV間隔不同，110kV單重化配置，保護(hù)和測控一體化設(shè)計(jì)。線路保護(hù)通過保護(hù)功能接口點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接到智能終端，通過過程信息接口連接到過程層網(wǎng)。過程層網(wǎng)絡(luò)為SV／GOOSE／1588三網(wǎng)合一設(shè)計(jì)。

保護(hù)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(hù)間隔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Communication structure of 110kV bay

主變保護(hù)以及其他保護(hù)和安全自動(dòng)裝置的網(wǎng)絡(luò)連接與圖5和圖6類似，也不再贅述。

5 工程應(yīng)用難點(diǎn)分析

結(jié)合國內(nèi)已實(shí)施的數(shù)字化和智能變電站方案，下面對(duì)本文提出的變電站通信結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中的幾個(gè)難點(diǎn)進(jìn)行分析。

5.1 過程層網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)，按照每幀報(bào)文250字節(jié)計(jì)算，單間隔的流量為

（1）式中8為字節(jié)位數(shù)，50為電網(wǎng)頻率。

正常工作的GOOSE報(bào)文流量很小，主要考慮突發(fā)事件的情況。按照每幀GOOSE報(bào)文300字節(jié)和最小重發(fā)時(shí)間2ms計(jì)算，單間隔最大流量為

（2）式中500為GOOSE報(bào)文發(fā)送頻率?；谝陨戏治觯?dāng)變電站接入過程層網(wǎng)絡(luò)的間隔小于10個(gè)時(shí)，可采用100Mb／s帶寬。當(dāng)變電站接入過程層網(wǎng)絡(luò)的間隔大于10個(gè)時(shí)，應(yīng)采用1000Mb／s帶寬；如采用100Mb／s帶寬，應(yīng)增加相應(yīng)設(shè)備（如錄波器）的過程信息接口和合理劃分物理子網(wǎng)或虛擬子網(wǎng)（利用VLAN和GMRP技術(shù)）［10］。

5.2 1588應(yīng)用分析

1588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)通信回路實(shí)現(xiàn)硬件級(jí)的高精度對(duì)時(shí)功能，省去了另外敷設(shè)對(duì)時(shí)線纜的需要。但目前1588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)功能應(yīng)用尚不成熟，增加了設(shè)備的復(fù)雜度，成本較高。從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，可先采用B碼對(duì)時(shí)方式，待條件成熟時(shí)再采用1588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)功能。

5.3 過程信息服務(wù)器技術(shù)應(yīng)用分析

6 結(jié)語

本文提出的變電站通信結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）簡化了變電站通信系統(tǒng)

將合并單元和智能終端進(jìn)行集成，直采直跳通過一根光纖實(shí)現(xiàn)，相比現(xiàn)有直采直跳通過兩根光纖實(shí)現(xiàn)，通信系統(tǒng)可簡化一半。

（2）實(shí)現(xiàn)了保護(hù)設(shè)備物理連接上的獨(dú)立性

將裝置的接口分為站域信息接口、保護(hù)功能接口和過程信息接口，分別通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接保護(hù)功能接口、網(wǎng)絡(luò)連接過程信息接口和站域信息接口，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)設(shè)備物理連接上的獨(dú)立性。

（3）實(shí)現(xiàn)了保護(hù)設(shè)備保護(hù)功能的完全獨(dú)立性

提出在智能終端內(nèi)采用過程信息服務(wù)器技術(shù)，使保護(hù)功能完全獨(dú)立于過程層網(wǎng)絡(luò)。

（4）實(shí)現(xiàn)了保護(hù)功能數(shù)據(jù)的共享和監(jiān)視

過程信息接口通過映射技術(shù)將所有保護(hù)功能接口對(duì)外發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到過程層網(wǎng)絡(luò)上，從而實(shí)現(xiàn)了保護(hù)功能數(shù)據(jù)的共享和監(jiān)視，為繼電保護(hù)的故障診斷提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本文提出的變電站通信結(jié)構(gòu)兼顧了保護(hù)獨(dú)立和網(wǎng)絡(luò)信息共享兩方面的優(yōu)勢(shì)，是一種較好的變電站通信結(jié)構(gòu)，需要在工程實(shí)踐進(jìn)一步完善和細(xì)化。

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