林中時，吳 波，施 峰

（浙江省送變電工程公司，杭州 311232）

0 引言

變電站綜合自動化，是指將變電站的二次設備經(jīng)過功能組合和優(yōu)化設計，利用先進的電子技術、計算機技術和通信技術等，實現(xiàn)對變電站的主要設備和輸、配電的自動監(jiān)視、自動控制和保護以及調(diào)度通信等綜合性的自動化功能[1]。

數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)建立在各設備制造廠商的產(chǎn)品軟硬件標準化的基礎上，為實現(xiàn)自動化提供了一個開放的平臺，通過標準化的通信協(xié)議和抽象的邏輯接口，實現(xiàn)不同類型的保護裝置、測控裝置及其他智能電子設備間的集成和交互功能，實現(xiàn)變電站內(nèi)所有信息的傳輸和交換。

數(shù)字化變電站站內(nèi)信息在本地共享的同時，通過標準化的通信協(xié)議與遠動裝置通訊并經(jīng)遠動接口與各級調(diào)度系統(tǒng)進行信息共享和交互。

1 通信協(xié)議

數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)是由許多智能電子設備（IED）組成，各智能電子設備與自動化系統(tǒng)的關系如圖1所示。各智能電子設備間通過通道相互通訊，各IED均采用標準化的通信協(xié)議—IEC61850系列標準, 執(zhí)行諸多與自動化系統(tǒng)環(huán)境有相互作用的任務，如遙測、遙信、遙控和保護跳閘等功能。

IEC61850系列標準具有四大特點：信息分層、數(shù)據(jù)自描述、面向對象統(tǒng)一建模、使用抽象服務接口以及互操作性等[2]，它規(guī)范了變電站內(nèi)所有智能電子設備（IED）之間的通信行為和相關的系統(tǒng)要求，要求各制造廠商均按統(tǒng)一的標準協(xié)議實施，解決了以往因各制造廠商不同類型的IED之間通信協(xié)議并不完全兼容而導致的通信接口問題。

圖1 自動化系統(tǒng)及其環(huán)境的結構

2 自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

2.1 通信服務邏輯接口

從物理上看，數(shù)字化變電站還是分一次設備（智能化開關、光電式互感器等）和二次設備（測控、保護、通信設備等）兩個層面，但由于一次設備智能化、二次設備網(wǎng)絡化，所以數(shù)字化變電站一、二次設備之間的聯(lián)系較常規(guī)變電站更加緊密。

從邏輯上看，數(shù)字化變電站的結構自下而上分為三層，分別為：過程層、間隔層和變電站層，各層間的關系以及各邏輯接口之間的邏輯關系如圖2所示。

過程層功能包括所有涉及與過程層接口的功能，如電流電壓數(shù)據(jù)采集、設備狀態(tài)信息采集和控制命令發(fā)布等，這些功能均通過邏輯接口4、5與間隔層完成通訊。

圖2 變電站自動化系統(tǒng)的層和邏輯接口

間隔層功能：采用一個間隔的數(shù)據(jù)，并完成對該間隔一次設備的操作。如某220kV線路的測控裝置對該線路間隔一次設備的控制功能。間隔層功能是通過邏輯接口4、5與過程層通訊，而間隔層之間的設備則通過邏輯接口3完成通訊。

變電站層功能包括兩方面：一方面功能是采用多個間隔或整變電站的數(shù)據(jù)，并對該部分的一次設備進行監(jiān)視和控制，如母線保護、變電站級防誤閉鎖、設備操作程序化控制等，這部分功能主要通過邏輯接口8通訊；另一方面功能與站控層功能緊密相關，如自動化系統(tǒng)與遠方工程師工作站的接口這部分功能通過邏輯接口1、6并經(jīng)過邏輯接口7通訊；與各級調(diào)度端（遠方控制中心）的接口這部分功能則通過邏輯接口1、6并經(jīng)邏輯接口10通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

2.2 變電站網(wǎng)絡結構及數(shù)據(jù)交互

數(shù)字化變電站中信息的采樣、控制命令的形成是由網(wǎng)絡上多個CPU協(xié)同完成的，如：某回220kV線路的母線側電壓與線路側電壓分別由兩個不同的合并單元（MU）完成采樣處理及數(shù)據(jù)上送。這種情況下，如何控制好采樣的同步和控制命令的快速輸出就成了數(shù)字化變電站網(wǎng)絡系統(tǒng)的關鍵。顯然，現(xiàn)場總線技術肯定已不能勝任數(shù)字化變電站要求，所以，以太網(wǎng)就開始普遍應用于數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)。

通常，數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡拓撲有以下三種類型：即級聯(lián)、星型和環(huán)型網(wǎng)絡結構[3]。

1）級聯(lián)結構：網(wǎng)絡中所有的交換機均首尾串聯(lián)，每個交換機均通過一個端口連接至相鄰的交換機上。這種結構的優(yōu)點是接線最少，但也存在明顯的缺點即網(wǎng)絡冗余差。

2）星型結構：將網(wǎng)絡中某一交換機作為主交換機，連接其他所有的交換機，任意兩個交換機上的IED之間進行信息交互只需經(jīng)過主交換機即可。這種結構的優(yōu)點是等待時間很短，缺點是沒有冗余度，一旦主交換機故障，系統(tǒng)將失去所有IED的信息。

3）環(huán)型結構：在級聯(lián)結構的基礎上，首尾兩個交換機再相互連接形成一個閉環(huán)。這種結構中，IEEE 802.1D標準中所定義的生成樹協(xié)議可使交換機檢測環(huán)路，因此環(huán)型網(wǎng)絡具有環(huán)路中任何一點故障都有一定程度的冗余的優(yōu)點，但也存在系統(tǒng)等待時間長、網(wǎng)絡結構復雜等缺點。

在上述三種典型的網(wǎng)絡結構的基礎上，變電站建設實際應用中往往還會派生出一些可靠性更高的網(wǎng)絡結構，如雙星型、雙環(huán)型等冗余結構網(wǎng)絡。

如浙江省某已投產(chǎn)的220kV數(shù)字化變電站就采用了高可靠性的雙環(huán)型冗余結構的網(wǎng)絡結構，如圖3所示。

圖3 雙環(huán)型冗余結構網(wǎng)絡

在該變電站中，各智能電子設備（IED）通過交換機來完成設備間的水平通訊，實現(xiàn)各設備間的聯(lián)閉鎖、跳合閘命令傳輸、交流采樣信息交互等各種功能，從而滿足間隔層設備的安全生產(chǎn)需要。

同時，各智能電子設備通過該網(wǎng)絡以雙環(huán)型的方式與站控層設備通訊，完成與站控層的數(shù)據(jù)交互，從而使站控層設備實現(xiàn)了對變電站所有設備的信息采集、監(jiān)視和控制功能，滿足了變電站內(nèi)部的安全生產(chǎn)管理。

3 對外的數(shù)據(jù)交互

在滿足了數(shù)字化變電站內(nèi)部生產(chǎn)管理的前提下，變電站還需將該部分信息上送至生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)，同時從生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)接收調(diào)度控制命令等。變電站對外的數(shù)據(jù)交互通道共有三種，分別是：模擬通道、數(shù)字通道和網(wǎng)絡通道。

變電站遠動通信網(wǎng)絡結構及數(shù)據(jù)交互方式如圖4所示。

圖4 遠動通信網(wǎng)絡示意圖

變電站自動化系統(tǒng)與各級調(diào)度端系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸，包括變電站內(nèi)的實時監(jiān)測信息（如溫度、電流、電壓等）、設備異常及告警信息、設備狀態(tài)信息、各級調(diào)度端系統(tǒng)發(fā)送至變電站的控制命令等，這些信息對于調(diào)度監(jiān)視和控制是非常重要的，是滿足調(diào)度生產(chǎn)所必需的，因此，必須保證該部分信息傳輸?shù)目焖傩院透叨日_性。

4 結束語

數(shù)字化變電站在數(shù)字化、智能化、自動化和互操作性等多方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，已成為目前變電站建設的主流[4]。

自動化網(wǎng)絡系統(tǒng)是數(shù)字化變電站內(nèi)的神經(jīng)系統(tǒng)，選擇合適的網(wǎng)絡結構將對變電站的可靠性、穩(wěn)定性和安全性起著至關重要的作用。設計網(wǎng)絡結構時，既要考慮所有信息傳輸?shù)目焖傩约葱韬喕W(wǎng)絡，又要考慮信息傳輸?shù)目煽啃约葱柽m當增加網(wǎng)絡的冗余度。

在數(shù)字化變電站中，智能一次設備和二次設備分層組建，在IEC61850標準通信協(xié)議基礎上，實現(xiàn)各智能電子設備間信息交互和互操作，實現(xiàn)變電站與各級調(diào)度的信息交互。為變電站安全生產(chǎn)提供了技術保障，從而為更高效地管理變電站開辟了新空間。

[1] 黃益莊.變電站綜合自動化技術[M].中國電力出版社.2000.

[2] 任雁銘,秦立軍,楊奇遜.IEC61850通信協(xié)議體系介紹和分析[J].電力系統(tǒng)自動化.2000(8).

[3] 徐禮葆,劉寶志.開放式數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的討論[J].繼電器.2004(6).

[4] 高翔.數(shù)字化變電站應用展望[J].華東電力.2006(8).