王芝茗，張延鵬，趙志剛

（1.遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110000;

2.東北電力科學研究院有限公司，遼寧 沈陽 110000;3.沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

隨著IEC61850變電站網(wǎng)絡與通信協(xié)議標準的發(fā)展和廣泛應用，智能變電站實現(xiàn)了全站信息的數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡化以及信息共享標準化。IEC 61850將智能變電站自動化系統(tǒng)從功能邏輯上分為變電站層、間隔層和過程層三層結構，各層及邏輯接口的邏輯關系如圖1所示［1］。

過程層是智能變電站區(qū)別于傳統(tǒng)變電站的特點之一，智能變電站的過程層是一次設備與二次設備的結合面，能夠更加有效地解決設備易受干擾、高低壓無法有效隔離、信息不能共享等缺點。但是由于智能變電站的信息數(shù)據(jù)量龐大，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、實時性要求很高，過程層又大量應用了新設備、新技術，而相關設備和技術的運行業(yè)又不是很成熟，因此隨之產(chǎn)生的安全性和可靠性方面的問題不容忽視［2－3］。本文提出了幾種典型的過程層網(wǎng)絡構建方案，并結合實際案例分析研究了其中的關鍵性技術。

圖1 智能變電站自動化系統(tǒng)接口模型

1 智能變電站過程層的功能及其拓撲結構

智能變電站自動化系統(tǒng)三層結構之間用分層、分布、開放式網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)連接，過程層位于最底層，包含的設備有變壓器、斷路器、隔離開關等一次設備及其所屬的智能組件?？梢酝瓿蛇\行設備狀態(tài)的監(jiān)測、基本狀態(tài)量和模擬量的數(shù)字化輸入/輸出、操作控制命令的執(zhí)行以及實時運行電氣量的采集等功能［4］。

相應的信息經(jīng)由過程層網(wǎng)絡傳輸，包括SV（采樣值）網(wǎng)和GOOSE（面向通用對象的變電站事件）網(wǎng)，采用基于光纖通信的傳輸方式，多個智能電子設備之間通過GOOSE、采樣值傳輸機制傳遞信息，采集到包括變電站電力系統(tǒng)運行的暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)、動態(tài)以及變電站設備的運行狀態(tài)和圖像等電力系統(tǒng)的斷面全景數(shù)據(jù)［5］。

圖2 采用方案一的線路保護示意圖

2 過程層組網(wǎng)設計方案

2.1 方案一

本方案又被稱為常規(guī)互感器方案，即是利用采集單元幫助常規(guī)互感器實現(xiàn)采樣值的數(shù)字化。下面以線路保護為例來進行說明。該方案的實現(xiàn)與傳統(tǒng)變電站的電纜連接方式相似，點對點采用光纜直連，其結構示意圖如圖2所示［6－7］。整個過程層網(wǎng)絡的設計基于IEC61850標準，采集單元獨立配置是本方案的優(yōu)點，這方便后期工程進行改造，同時系統(tǒng)中的繼電保護裝置不必經(jīng)過交換機直接進行采樣，可通過GOOSE網(wǎng)絡直接跳斷路器，啟動斷路器失靈、重合閘。但是本方案有個缺點，就是增加了采集單元，這提高了過程層網(wǎng)絡的結構復雜度，同時常規(guī)電流互感器的飽和問題不易解決。

2.2 方案二

本方案建立在IEC61850標準基礎上，電壓、電流互感器采用電子式。優(yōu)點是傳輸延時固定，由繼電保護裝置利用插值法對數(shù)據(jù)進行同步，可以不依賴于外部時鐘。采樣值和信息傳輸采用網(wǎng)絡模式，按電壓等級進行組網(wǎng)分類。本過程層組網(wǎng)方案采用IEEE1588或IRIG－B碼方式對時，所有的保護都要求配置主后備功能。另外有幾點需要說明的是，變壓器中性點的電流和間隙電流要并入相應側MU;跳母聯(lián)、分段斷路器及閉鎖備自投和啟動失靈等變壓器保護采用GOOSE網(wǎng)絡傳輸。本方案不需要交換機環(huán)節(jié)，也不依賴于同步對時信號，真正實現(xiàn)了變電站信息傳輸?shù)臄?shù)字化和功能的集成化，不足是由于繼電保護和合并單元都需要較多的網(wǎng)口，使得系統(tǒng)發(fā)熱量很大，并且需要大量的光纜和交換機。

2.3 方案三

本方案采用 IEC61850－9－2標準的100Mbit/s光線以太網(wǎng)采樣信息、GOOSE信息、IEEE1588精確時鐘協(xié)議，實現(xiàn)對時信息的同網(wǎng)傳輸，是一種三網(wǎng)合一結構。如圖5所示，間隔層與過程層合并單元之間采用IEC61850－9－2標準，與智能終端的通信要遵循GOOSE通信協(xié)議。過程層的每個間隔需要單獨配置獨立交換機，而各間隔之間信息交換要通過主干網(wǎng)的交換機實現(xiàn)，其各間隔系統(tǒng)的結構圖如圖3所示。這種組網(wǎng)方案能夠實現(xiàn)信息共享最大化，網(wǎng)絡結構簡單、經(jīng)濟，維護方便。

圖3 配置方案三的示意圖

2.4 方案三的驗證及效果分析

為了更進一步的驗證三網(wǎng)合一技術方案是否能滿足智能變電站安全、穩(wěn)定運行的需要，本項目組在遼寧大石橋智能變電站應用該方案進行了多次專項測試。該變電站的220 kV和110 kV的電子式互感器全部采用光纖數(shù)字量輸出的形式，其余全部采用電流、電壓一體化小信號模擬量輸出的形式。本站的過程網(wǎng)絡主要分為四個部分:（1）22 kV過程層網(wǎng)絡:220 kV除主變高壓側外的所有間隔，采用雙星型拓撲結構;（2）110 kV過程層網(wǎng)絡:110 kV除主變中壓側外的所有間隔，采用單星型拓撲結構;（3）#2、#3主變壓器過程層網(wǎng)絡:包含主變三側及本體，采用雙星型拓撲結構;（4）35 kV GOOSE網(wǎng)絡，采用單星型拓撲結構。

測試采用RTDS實時數(shù)字仿真儀模擬一次系統(tǒng)，所有二次設備，包括智能終端、合并單元、繼電保護保護裝置都要與實時數(shù)字仿真儀相連。過程層網(wǎng)絡按三網(wǎng)合一方案搭建，各間隔層配置獨立的間隔交換機，每個交換機首尾依次相連，構成了環(huán)形網(wǎng)絡拓撲結構，采用千兆網(wǎng)口級聯(lián)的交換機實現(xiàn)了過程層網(wǎng)絡的信息共享。模擬實驗發(fā)現(xiàn)，當一次系統(tǒng)的母線發(fā)生故障時，信息報文經(jīng)由合并單元、多級交換機送達母線保護設備，母線保護設備根據(jù)對信息的處理，分析后判斷母線發(fā)生的情況，之后發(fā)送GOOSE報文給智能終端，由智能終端作出跳閘指令。多次類似的故障模擬實驗表明該系統(tǒng)的保護裝置動作時間比較穩(wěn)定，IEEE 1588對時應用以及GMRP組播協(xié)議的運行性能很好。在智能變電站采用三網(wǎng)合一技術方案，在正常負荷下能保證過程層網(wǎng)絡延時性能穩(wěn)定，千兆級聯(lián)的環(huán)形網(wǎng)絡拓撲結構下，跳閘延時每經(jīng)過一級交換機網(wǎng)絡將會延時增加5μs的時間。而全部動作時間的長短由繼電保護的動作時間和智能終端的動作時間決定。另外在模擬實驗中發(fā)現(xiàn)，當IEEE 1588報文駐留及鏈路延時的修正值出現(xiàn)與實際時間不一致的情況時，合并單元中的信息序號不連續(xù)，導致傳送到繼電保護裝置的報文丟失。為了解決這一問題，研究專家組探討應對策略，試驗驗證切實可行，很好地解決了這一問題。總之，多次的模擬試驗結果有利證明證明，在實際的智能變電站過程網(wǎng)網(wǎng)絡中采用三網(wǎng)合一技術是可行的，交換機、合并單元、繼電保護裝置等設備能夠滿足三網(wǎng)合一方案的運行要求。

3 結束語

過程層網(wǎng)絡是智能變電站區(qū)別于常規(guī)變電站的特點之一，也是智能變電站的中樞神經(jīng)。它以采樣數(shù)字化、信息網(wǎng)絡化為基礎完成了變電站信息的網(wǎng)絡傳輸，是控制技術的一次質的飛躍。本文列舉并分析了較為較典型的過程層組網(wǎng)方案，其中，三網(wǎng)合一組網(wǎng)方案采用SMV采樣信息、GOOSE網(wǎng)絡通信協(xié)議、IEEEl588對時信息共同組網(wǎng)的星形網(wǎng)絡模式，選用可靠性很高的網(wǎng)絡交換設備。采用基于IEC61439可顯著提高通信網(wǎng)絡可用度 的PRP并行冗余技術方案，通過實際測試、現(xiàn)場檢驗證明，該方案符合變電站的技術規(guī)范，滿足變電站的安全穩(wěn)定的運行需求，可以簡化變電站的過程層網(wǎng)絡，最大程度地實現(xiàn)信息共享，同時運維管理方便，可在智能變電站中廣泛推廣應用。

［1］王改云，蘇磊.35 kV數(shù)字化變電站設計方案探討［J］.現(xiàn)代電子技術，2009，33（21）:189 －192.

［2］朱炳銓，王松，李慧，等.基于IEC 61850 GOOSE技術的繼電保護工程應用［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33（8）:104 －107.

［3］王松，陸承宇.數(shù)字化變電站繼電保護的GOOSE網(wǎng)絡方案［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33（3）:51 －54.

［4］宋麗君，王若醒，狄軍峰，等.GOOSE機制分析、實現(xiàn)及其在數(shù)字化變電站中的應用［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37（14）:31－34.

［5］胡道徐，沃建棟.基于IEC 61850的智能變電站虛回路體系［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34（17）:78 －82.

［6］鐘連宏，梁異先.智能變電站技術與應用［M］.北京:中國電力出版社，2010:76－79.

［7］周春霞，李明，張維，等.針對500 kV數(shù)字化變電站過程層采樣的動模試驗及若干問題探討［J］.電網(wǎng)技術，2011，35（1）:219－223.