王曉虎
(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京市102206;2.江蘇省電力設(shè)計(jì)院,南京市211102)
智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)一般分為過程層、間隔層和站控層。過程層設(shè)備主要包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電流和電壓互感器等一次設(shè)備及其所屬的智能組件以及獨(dú)立的智能電子裝置。一次設(shè)備的選擇和基于此選擇的過程層網(wǎng)絡(luò)配置直接關(guān)系到變電站保護(hù)、測(cè)控、遠(yuǎn)動(dòng)功能的可靠實(shí)現(xiàn)。本文將結(jié)合220kV宜興智能變電站工程建設(shè),進(jìn)行過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。
主變壓器:遠(yuǎn)期3×240 MVA,電壓等級(jí)為220/110/10kV。本期建設(shè)2×180 MVA。
220kV線路側(cè):選用戶內(nèi)GIS設(shè)備,遠(yuǎn)期8回,本期建設(shè)4回,本期及遠(yuǎn)景均采用雙母線接線。
110kV線路側(cè):選用戶內(nèi)GIS設(shè)備,遠(yuǎn)期14回,本期建設(shè)8回,本期及遠(yuǎn)景均采用雙母線接線。
10kV線路側(cè):遠(yuǎn)期36回,本期20回,本期采用單母線4分段接線,遠(yuǎn)景采用單母線6分段接線。
(1)電流互感器(current transformer,CT)。220kV間隔、110kV間隔及主變高、中壓側(cè)采用全光纖型CT;10kV間隔及主變套管采用常規(guī)CT。
(2)電壓互感器(potential transformer,PT)。220、110kV母線均采用電容分壓型電子式PT;10kV母線采用常規(guī)PT,并采用帶模擬量插件的合并單元進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。
(1)保護(hù)、測(cè)控設(shè)備。每臺(tái)主變配置2套保護(hù)設(shè)備,1套測(cè)控設(shè)備;每回220kV線路(母聯(lián))配置2套保護(hù)設(shè)備,1套測(cè)控設(shè)備;每回110kV線路(母聯(lián))配置1套保護(hù)、測(cè)控合一裝置;220kV線路配置2套母線保護(hù)設(shè)備,110kV線路配置1套母線保護(hù)設(shè)備。
(2)故障錄波器。主變配置2套故障錄波器,220kV線路配置2套故障錄波器,110kV線路配置1套故障錄波器。
(3)合并單元。1)根據(jù)保護(hù)雙重化的需求,220kV線路、母聯(lián),主變各側(cè)合并單元按2套配置。2)110kV線路、母聯(lián)合并單元按1套配置。3)10kV線路、電容器、接地變CT不配置合并單元。4)220、110kV電壓等級(jí)母線PT合并單元按2套配置,含PT并列功能;10kV母線采用常規(guī)PT,分段開關(guān)聯(lián)接的2段母線配置雙套合并單元,要求合并單元帶模擬量采集插件,含PT并列功能。
(4)智能終端。220kV GIS設(shè)備:設(shè)置2套智能終端(母線間隔單套配置),統(tǒng)一控制間隔內(nèi)斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)。110kV GIS設(shè)備:設(shè)置1套智能終端,統(tǒng)一控制間隔內(nèi)斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)。主變低壓側(cè)分支:每個(gè)分支設(shè)置2套智能終端,統(tǒng)一控制間隔內(nèi)斷路器、手車、接地開關(guān)等。主變本體:每臺(tái)主變本體配置1臺(tái)智能終端。
根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)智能變電站信息傳輸“直采直跳”的要求,宜興變電站采樣值信息采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式傳輸,GOOSE信息采用網(wǎng)絡(luò)方式傳輸,保護(hù)出口采用直跳方式。
3.1.1 星型結(jié)構(gòu)
星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因交換機(jī)連接的各連接節(jié)點(diǎn)呈星狀分布而得名。在這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中有中央節(jié)點(diǎn)(公用交換機(jī))和其他節(jié)點(diǎn)(二次設(shè)備交換機(jī)),后者都與中央節(jié)點(diǎn)直接相連,這種結(jié)構(gòu)以中央節(jié)點(diǎn)為中心。
優(yōu)點(diǎn):網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單,易于布線;擴(kuò)展容易;便于維護(hù),任一臺(tái)間隔交換機(jī)故障,都可以方便隔離,不影響其他間隔;公用交換機(jī)故障,僅影響公用智能電子設(shè)備,不影響間隔智能電子設(shè)備;傳輸環(huán)節(jié)少、速度快,從任一設(shè)備到另一設(shè)備至多經(jīng)過3臺(tái)交換機(jī);報(bào)文延時(shí)固定;結(jié)構(gòu)上無廣播風(fēng)暴的風(fēng)險(xiǎn)。
缺點(diǎn):公用交換機(jī)負(fù)擔(dān)較大,檢修時(shí)將影響公用智能電子設(shè)備;交換機(jī)數(shù)量較多,成本相對(duì)較高,但間隔交換機(jī)所需端口最少,而端口數(shù)量影響交換機(jī)價(jià)格,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)成本應(yīng)結(jié)合工程具體情況分析確定。
3.1.2 環(huán)型結(jié)構(gòu)
環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由各交換機(jī)互相連接成閉環(huán)。
優(yōu)點(diǎn):網(wǎng)絡(luò)冗余度好,網(wǎng)線或光纖故障時(shí)采用快速生成樹協(xié)議(rapid spanning tree protocol,RSTP)自動(dòng)重新組態(tài),不影響交換機(jī)及設(shè)備運(yùn)行;交換機(jī)數(shù)量較少,成本相對(duì)較低,但間隔交換機(jī)所需端口最多,而端口數(shù)量影響交換機(jī)價(jià)格,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)成本應(yīng)結(jié)合工程具體情況確定。
缺點(diǎn):網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議復(fù)雜;擴(kuò)展困難,增加交換機(jī)設(shè)備時(shí),需要將網(wǎng)絡(luò)打開重新組環(huán);維護(hù)、隔離比較困難,任一交換機(jī)檢修,網(wǎng)絡(luò)變?yōu)榭偩€結(jié)構(gòu);報(bào)文延時(shí)不固定,網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)數(shù)量多時(shí)影響網(wǎng)絡(luò)速度;使用公有協(xié)議時(shí)自愈時(shí)間可能達(dá)到數(shù)百ms,將影響保護(hù)功能;使用私有協(xié)議時(shí)自愈時(shí)間減少到數(shù)10 ms,但不同廠家設(shè)備不能組網(wǎng);結(jié)構(gòu)上存在廣播風(fēng)暴的風(fēng)險(xiǎn)。
星型結(jié)構(gòu)過程層網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)性能上顯著占優(yōu),但該方案將導(dǎo)致交換機(jī)數(shù)量明顯增多;考慮到該方案中單臺(tái)交換機(jī)端口數(shù)與環(huán)型共享交換機(jī)相比略有減少,可免去網(wǎng)絡(luò)管理這部分軟、硬件成本并降低人員維護(hù)方面的成本。綜合來看,星型網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備綜合價(jià)未必會(huì)增加,推薦采用星型結(jié)構(gòu)構(gòu)建宜興變電站的過程層 GOOSE 網(wǎng)絡(luò)[1-2]。
GOOSE報(bào)文心跳間隔為系統(tǒng)配置的T0,對(duì)于保護(hù),取 T0=0.5 s。Qgoose=6 016 字節(jié)/幀 × 8 bit/字節(jié) × (1/0.5)/s=0.96 Mbit/s,其中,6 016 字節(jié)/幀是歸一化后的GOOSE數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度。
可見,每個(gè)間隔流量一般不超過1 Mbps。宜興變電站最大的數(shù)據(jù)流量將出現(xiàn)在110kV過程層中心交換機(jī)母差的端口。110kV母差保護(hù)遠(yuǎn)景間隔數(shù)量為14(線路)+3(主變)+1(母聯(lián))+2(母線PT)=20,GOOSE總帶寬不大于1 MB×20=20 MB,選用100 MB交換機(jī)可保證總帶寬在安全范圍(40%)內(nèi)。
目前,智能變電站采樣值傳輸協(xié)議主要有2種設(shè)計(jì)方案[3-8],方案1:基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式的IEC 60044-7/8標(biāo)準(zhǔn)(FT3)方案;方案2:基于網(wǎng)絡(luò)方式的IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)方案。
方案1的優(yōu)點(diǎn)是采樣值傳輸延遲固定,可以在接收端實(shí)現(xiàn)插值同步(不需要全站集中同步源)且通過FPGA實(shí)現(xiàn)硬件并行處理;缺點(diǎn)是不同廠家互操作困難(廠家可私有擴(kuò)展且使用專用硬件實(shí)現(xiàn)),不符合整體的IEC 61850智能變電站通信發(fā)展趨勢(shì)。
方案2采用以太網(wǎng)傳輸方式,它是從IEC 61850模型配置的角度出發(fā)而制定的采樣數(shù)據(jù)共享協(xié)議,其優(yōu)勢(shì)在于采樣值數(shù)據(jù)的自由配置和共享,但合并單元與保護(hù)測(cè)控裝置之間的數(shù)據(jù)匹配過程復(fù)雜,網(wǎng)絡(luò)帶寬和CPU編解碼的開銷較大,具有一定的實(shí)現(xiàn)難度(靈活性和效率之間的固有矛盾)。本方案體現(xiàn)了IEC 61850的復(fù)雜、通用和建模等方面的特點(diǎn),代表了技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。
推薦宜興變電站采樣值傳輸協(xié)議采用IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)。
3.3.1 總體方案
采樣值信息采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式傳輸,采樣值傳輸協(xié)議采用IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)。圖1為本工程采樣值信息傳輸示意(以1號(hào)主變220kV側(cè)A網(wǎng)為例)。
圖1 1號(hào)主變220kV側(cè)采樣值信息傳輸示意(A網(wǎng))Fig.1 Sampling value transmission of No.1 transformer at 220kV side(network A)
GOOSE網(wǎng)絡(luò)按電壓等級(jí)分別組網(wǎng):220kV過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)按2套物理獨(dú)立的單網(wǎng)配置;110kV過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)按單網(wǎng)配置;主變110kV側(cè)、10kV側(cè)過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)按2套物理獨(dú)立的單網(wǎng)配置,其中1套與110kV過程層網(wǎng)絡(luò)共網(wǎng);其余10kV不設(shè)獨(dú)立的過程層網(wǎng)絡(luò),其GOOSE信息利用站控層網(wǎng)絡(luò)傳輸。
過程層交換機(jī)采用面向間隔的原則配置,采用多間隔共用交換機(jī)方式,全站過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)均采用100 MB星型以太網(wǎng)。
3.3.2 過程層交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)配置
(1)220kV過程層交換機(jī)。
220kV過程層中心交換機(jī):雙網(wǎng)配置(A、B網(wǎng))。冗余配置4臺(tái)100 MB以太網(wǎng)交換機(jī)(A、B網(wǎng)各2臺(tái)),每臺(tái)帶16個(gè)100 MB多模光口(間隔過程層交換機(jī)級(jí)聯(lián)口8個(gè),中心交換機(jī)級(jí)聯(lián)口1個(gè),母線智能終端2個(gè),母線EVT合并單元、母線保護(hù)裝置、母線測(cè)控裝置、220kV故障錄波器、主變故障錄波器各1個(gè))。交換機(jī)本期及遠(yuǎn)景共計(jì)4臺(tái)。
220kV線路、母聯(lián)間隔交換機(jī):雙網(wǎng)配置(A、B網(wǎng))。每2個(gè)間隔冗余配置2臺(tái)100 MB以太網(wǎng)交換機(jī),每臺(tái)帶16個(gè)100 MB多模光口(每間隔保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、光學(xué)電流互感器(optical current transducers,OCT)合并單元、電子式電壓互感器(electronic voltage transformer,EVT)合并單元、智能終端各占1個(gè)光口,2個(gè)間隔共計(jì)10個(gè)光口,交換機(jī)級(jí)聯(lián)口占1個(gè)光口)。交換機(jī)本期共計(jì)6臺(tái),遠(yuǎn)景共計(jì)10臺(tái)。
主變220kV側(cè)間隔交換機(jī):雙網(wǎng)配置(A、B網(wǎng))。每間隔冗余配置2臺(tái)100 MB以太網(wǎng)交換機(jī)(A、B網(wǎng)),每臺(tái)帶16個(gè)100 MB多模光口(每間隔保護(hù)裝置、220kV側(cè)和本體測(cè)控裝置、220kV側(cè)OCT合并單元、本體繞組合并單元、EVT合并單元、220kV側(cè)智能終端、本體智能終端各占1個(gè)光口,交換機(jī)級(jí)聯(lián)口占1個(gè)光口)。交換機(jī)本期共4臺(tái),遠(yuǎn)景共6臺(tái)。
(2)220kV過程層網(wǎng)絡(luò)。按照宜興變電站遠(yuǎn)景規(guī)模,共需配置220kV過程層交換機(jī)20臺(tái)(A、B網(wǎng)各10臺(tái))。以A網(wǎng)為例,220kV過程層網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。
圖2 220kV過程層網(wǎng)絡(luò)示意(A、B網(wǎng)同)Fig.2 220kV process-level network(network A&B)
(3)110kV過程層交換機(jī)。
110kV過程層中心交換機(jī):雙網(wǎng)配置(A、B網(wǎng)),A網(wǎng)用于110kV線路、母聯(lián);B網(wǎng)僅用于主變110kV側(cè)。A網(wǎng)配置1臺(tái)100 MB以太網(wǎng)交換機(jī),帶16個(gè)100 MB多模光口(間隔過程層交換機(jī)級(jí)聯(lián)口8個(gè),母線智能終端2個(gè),母線EVT合并單元、母線保護(hù)裝置、母線測(cè)控裝置、110kV故障錄波器各1個(gè))。B網(wǎng)配置1臺(tái)100 MB以太網(wǎng)交換機(jī),帶16個(gè)100 MB多模光口(間隔過程層交換機(jī)級(jí)聯(lián)口3個(gè),母線智能終端2個(gè),母線EVT合并單元、母線和母聯(lián)測(cè)控裝置各1個(gè))。交換機(jī)本期及遠(yuǎn)景共計(jì)2臺(tái)。
110kV線路、母聯(lián)間隔交換機(jī):單網(wǎng)配置(A網(wǎng)),每3個(gè)間隔配置1臺(tái)100 MB以太網(wǎng)交換機(jī),每臺(tái)帶16個(gè)100 MB多模光口(每間隔保護(hù)測(cè)控裝置、OCT合并單元、EVT合并單元、智能終端各占1個(gè)光口,3個(gè)間隔共計(jì)12個(gè)光口,交換機(jī)級(jí)聯(lián)口占1個(gè)光口)。交換機(jī)本期共計(jì)3臺(tái),遠(yuǎn)景共計(jì)5臺(tái)。
主變110kV側(cè)間隔交換機(jī):雙網(wǎng)配置(A、B網(wǎng))。每間隔冗余配置2臺(tái)100 MB以太網(wǎng)交換機(jī)(A、B網(wǎng)各1臺(tái)),每臺(tái)帶16個(gè)100 MB多模光口(每間隔保護(hù)裝置、110kV側(cè)測(cè)控裝置、10kV分支1測(cè)控裝置、10kV分支2測(cè)控裝置、110kV側(cè)OCT合并單元、10kV分支1合并單元、10kV分支2合并單元、110kV側(cè)智能終端、10kV分支 1智能終端、10kV分支2智能終端各占1個(gè)光口,交換機(jī)級(jí)聯(lián)口占1個(gè)光口)。交換機(jī)本期共計(jì)4臺(tái),遠(yuǎn)景共計(jì)6臺(tái)。
(4)110kV過程層網(wǎng)絡(luò)。按照宜興變電站遠(yuǎn)景規(guī)模,共需配置110kV過程層交換機(jī)13臺(tái)(A網(wǎng)9臺(tái)、B網(wǎng) 4臺(tái))。110kV過程層 A、B網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。
圖3 110kV過程層網(wǎng)絡(luò)示意Fig.3 110kV process-level network
3.3.3 二次設(shè)備過程層網(wǎng)絡(luò)光口配置及要求
(1)光口配置。雙重化配置的二次設(shè)備,如主變保護(hù)裝置、220kV線路保護(hù)裝置、220kV故障錄波裝置、主變故障錄波裝置、智能終端、合并單元等分別采用單光口接入對(duì)應(yīng)的2套過程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。
單套配置的220kV測(cè)控(線路、主變220kV側(cè)、主變本體、母聯(lián)、母線)、220kV母線智能終端需具備雙光口,分別接入對(duì)應(yīng)的220kV過程層A、B網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。接入220、110kV 2個(gè)電壓等級(jí)過程層網(wǎng)絡(luò)的主變保護(hù)裝置需具備雙光口,分別接入對(duì)應(yīng)的220、110kV過程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。
單套配置的110kV故障錄波裝置、110kV保護(hù)測(cè)控裝置(線路、母聯(lián))、110kV母線智能終端、110kV合并單元等分別采用單光口接入對(duì)應(yīng)的110kV過程層A網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。單套配置的110kV母聯(lián)智能終端、110kV母線測(cè)控需具備雙光口,分別接入對(duì)應(yīng)的110kV過程層A、B網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。
(2)單裝置跨雙網(wǎng)要求。對(duì)于上述情形中涉及單裝置具備雙光口跨接雙網(wǎng)的,為防止其中一個(gè)光口發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴時(shí)影響到另一個(gè)光口,該裝置的A、B網(wǎng)口需進(jìn)行物理隔離。同時(shí)對(duì)信息上送和控制下行做以下處理,以確保上傳信息、下行控制、防誤閉鎖的唯一性和完整性[9-10]。
信息上送:雙機(jī)雙工,接收2臺(tái)過程層設(shè)備裝置上送數(shù)據(jù),依靠人工設(shè)定以1臺(tái)數(shù)據(jù)為主,比對(duì)發(fā)現(xiàn)2臺(tái)數(shù)據(jù)不一致時(shí)告警;比對(duì)數(shù)據(jù)不一致應(yīng)采用穩(wěn)態(tài)時(shí)的數(shù)值(若干s之內(nèi)無變化);1臺(tái)設(shè)備故障、1臺(tái)設(shè)備正常時(shí),自動(dòng)屏蔽故障設(shè)備數(shù)據(jù),以正常設(shè)備數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。
控制下行:不管采用哪一種切換方式,遙控均只下發(fā)1次,如果控制不成功也不會(huì)自動(dòng)在另外一臺(tái)上重試,而是把遙控權(quán)切換到另外一套過程層設(shè)備裝置上,等待操作人員下次重新操作。
過程層組網(wǎng)方案的選擇對(duì)智能變電站的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性有重要影響。本文對(duì)多種組網(wǎng)方案的利弊進(jìn)行了分析比較,結(jié)合具體工程給出合適的過程層網(wǎng)絡(luò)配置實(shí)例,為今后智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供參考。
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