【摘要】通信是變電站自動化系統(tǒng)的關鍵，通信網(wǎng)絡信息傳輸?shù)膶崟r性、確定性和可靠性決定了變電站自動化系統(tǒng)的可用性。本篇論文分析了變電站自動化系統(tǒng)的構成、通信過程、工業(yè)以太網(wǎng)應用于數(shù)字化變電站系統(tǒng)目前存在的問題及相關解決辦法。

【關鍵詞】工業(yè)以太網(wǎng);變電站自動化系統(tǒng);通信網(wǎng)絡

1.引言

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大以及電站自動化系統(tǒng)的日趨復雜，傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)通信速率低，標準不統(tǒng)一，很難實現(xiàn)對機電保護裝置各方面特性的全面測試，已不能滿足需求，需要使用新的高性能的通信技術。為了避免重復投資，實現(xiàn)信息資源的共享，應對電力系統(tǒng)進行規(guī)范和綜合考慮。工業(yè)以太網(wǎng)應用廣泛，通信速率高，價格低廉，標準開放，已成為變電站自動化系統(tǒng)過程總線的首選。

2.變電站自動化系統(tǒng)的構成

變電站自動化采用自動控制和計算機技術，實現(xiàn)變電站二次系統(tǒng)的部分或全部功能，并利用多臺微型計算機和大規(guī)模集成電路組成的自動化系統(tǒng)。變電站自動化系統(tǒng)體系由“數(shù)據(jù)采集和控制”、“繼電保護”、“直流電源系統(tǒng)”三大塊構成其基礎?！巴ㄐ趴刂乒芾怼笔菢蛄?，聯(lián)系變電站內部各部分之間、變電站與調度控制中心之間使其相互交換數(shù)據(jù)。

變電站主計算機系統(tǒng)對整個綜合自動化系統(tǒng)進行協(xié)調、管理和控制。變電站自動化系統(tǒng)改變常規(guī)的繼電保護裝置不能與外界通信的缺陷。通過對自動化技術、計算機技術和通信技術在變電站的綜合應用，采集到比較齊全的數(shù)據(jù)和信息，利用計算機的高速計算能力和邏輯判斷能力，從而方便地監(jiān)控變電站內各種設備的運行和操作。

3.變電站自動化系統(tǒng)的通信

變電站綜合自動化系統(tǒng)包括微機監(jiān)控、微機保護、電能質量控制等多個子系統(tǒng)。其通信任務一方面是實現(xiàn)站內通信功能，完成對全站一、二次設備和裝置運行情況的數(shù)據(jù)通信采集和控制命令的傳輸;另一方面完成與上級調度或集控中心的通信，向上傳送變電站運行的實時信息、接受和執(zhí)行上級下達的控制命令。

（1）變電站內的數(shù)據(jù)通信

圖1 基于以太網(wǎng)的變電站自動化系統(tǒng)結構

④⑤用于過程層和間隔層之間通信，①③⑥⑨用于間隔層內部及與變電站層的通信，⑧是間隔層之間通信。對于網(wǎng)絡結構，決不是短期內就可以實現(xiàn)的，它需要電力一次、二次設備生產(chǎn)商共同努力才能實現(xiàn)。針對目前的情況，一次設備的智能化雖然已有學者開展研究，但還沒有帶網(wǎng)絡接口的產(chǎn)品出現(xiàn)，所以建議采用兩種漸進的方式，首先過程層仍采用硬線連接，而間隔和廠站采用以太網(wǎng)通信，另外可在一次設備和二次設備之間加入智能I/O單元，來實現(xiàn)接口④⑤。定義了7種類型報文，即：快速報文、中速報文、低速報文、原始數(shù)據(jù)報文、文件傳輸報文、時間同步報文和具有訪問控制的命令報文。通過分析和研究，從時域的角度，把上述變電站自動化系統(tǒng)中7種類型的報文分為3 種類型通信：周期性通信、隨機性通信、突發(fā)性通信。在具有變電站層一單元層一設備層的分層分布式自動化系統(tǒng)中，需要傳輸?shù)男畔⒂腥缦聨追N。

a.問隔層與設備層間的通信

間隔層的設備有控制測量單元或繼電保護單元，或兩者都有。設備層的高壓斷路器可能有智能傳感器和執(zhí)行器，可以自由地與間隔層交換信息。間隔層的設備大多數(shù)需要從設備層的電壓和電流互感器采集正常和事故情況下的電壓值和電流值，采集設備的狀態(tài)信息和故障診斷信息，這些信息包括：斷路器和隔離開關位置，主變壓器分接頭位置，變壓器、互感器、避雷器的診斷信息以及斷路器操作信息。

b.間隔層內部的通信

間隔層內部的通信是在一個間隔層內部相關的功能模塊間，即繼電保護和控制、監(jiān)視、測量之間的數(shù)據(jù)交換。這類信息有測量數(shù)據(jù)、斷路器狀態(tài)、器件的運行狀態(tài)、同步采樣信息等。

c.間隔層之間的通信

不同間隔層之間的數(shù)據(jù)交換有主、后備繼電保護工作狀態(tài)、互鎖，相關保護動作閉鎖，無功補償綜合控制等信息。

d. 間隔層和變電站層的通信

間隔層和變電站層的通信內容較為豐富，概括起來共3類。

e.變電站層的內部通信

變電站層的不同設備之間的通信.要根據(jù)各設備的任務和功能的特點，傳輸所需的測量信息、狀態(tài)信息和操作命令等。

（2）變電站與調度中心的通信

變電站自動化系統(tǒng)應具有與電力系統(tǒng)調度中心通信的功能，不另設獨立的遠動裝置，而由通信控制器執(zhí)行遠動功能，把變電站所需測量的模擬量、電能量、狀態(tài)信息和SOE（事件順序記錄）等信息傳送至調度中心。變電站不僅要向調度中心發(fā)送測量和監(jiān)視信息，而且要從上級調度中心接收數(shù)據(jù)和控制命令。

4.工業(yè)以太網(wǎng)應用于數(shù)字化變電站系統(tǒng)

工業(yè)以太網(wǎng)應用廣泛，通信速率高，價格低廉，標準開放，已成為變電站自動化系統(tǒng)過程總線的首選。數(shù)字化變電站以新型互感器代替了常規(guī)繼電保護、測控等裝置的I/O部分，以交換式以太網(wǎng)和光纜組成的網(wǎng)絡通信系統(tǒng)代替了以往的二次回路及其線纜;基于微電子技術的IED設備實現(xiàn)了信息的集成化應用，以功能、信息的冗余代替了常規(guī)變電站裝置的冗余，系統(tǒng)可實現(xiàn)分層分布設計;一次設備智能化技術的實現(xiàn)使得控制回路實現(xiàn)了數(shù)字化應用，常規(guī)變電站部分功能可以直接在底層實現(xiàn)，整個變電站可以實現(xiàn)小型化、緊湊化的設計與布置。

5.目前存在的問題

（1）各層之間及層內的通信系統(tǒng)不統(tǒng)一

由于各種原因。數(shù)字化變電站的各層之間及同層內的通信系統(tǒng)不統(tǒng)一，造成多種通信系統(tǒng)混用的情況。這樣的系統(tǒng)不易維護且易發(fā)生通信故障。

（2）工業(yè)以太網(wǎng)通信標準眾多且互不兼容

目前基于工業(yè)以太網(wǎng)的國際通信標準有十幾種之多，且相互不能兼容。因此如何選取合適的通信標準是一個重要問題。在數(shù)字化變電站自動化領域，采用統(tǒng)一的IEC 61850標準的呼聲很高，這對于變電站通信系統(tǒng)的發(fā)展是十分有利的。

（3）IEC 61850標準有待完善

IEC 61850標準自誕生之日起就存在多個不同的版本，不同廠家基于IEC 61850標準的產(chǎn)品也不能100% 兼容。同時，IEC 61850自身也在不斷完善，不斷有新的版本推出。因此，盡快完善IEC 61850標準并使各廠家在統(tǒng)一的標準下開發(fā)相關設備是十分必要的。

6.目前存在問題的解決辦法

（1）解決各層之間及層內的通信系統(tǒng)不統(tǒng)一問題的辦法

網(wǎng)絡通信方案是構成變電站自動化系統(tǒng)至關重要的環(huán)節(jié)，由于變電站的特殊環(huán)境和自動化系統(tǒng)的要求，并且受到性能、價格、硬件、軟件、用戶策略等諸多因素的影響，其通信網(wǎng)絡方案的選擇很難一概而論，不同類型的變電站對自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡有不同的要求，變電站自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信方案選擇和設計應遵循下列基本原則：通信網(wǎng)絡具有合理的分層式結構;各層之間和層內選擇適當?shù)耐ㄐ欧绞?高可靠性和快速實時響應能力;優(yōu)良的電磁兼容性能。

（2）解決工業(yè)以太網(wǎng)通信標準眾多且互不兼容問題的辦法

由于多個制造商提供的IEC 61850系列標準兼容裝置不僅分布在變電站，而且分布在電網(wǎng)各處，故這些裝置所用的時間標志應有統(tǒng)一的格式。時間模型和格式要求規(guī)定如下：

a.精度不同應有不同時間精度要求。

b.時間標志應基于現(xiàn)有的時間標準（UTC通常被作為基準時間）。

c.時間模型應能跟蹤閏秒，并提供足夠的信息，使得使用者可計算跨過閏秒邊界的成對時間時間差。

d.時間模型應提供足夠的信息，是的客戶無需附加信息，例如從起始時間至當前的閏秒數(shù)，計算日期和時間。

e.時間標記信息應容易從商業(yè)可用時間資源中獲得。

f.總的時間模型應包括可計算當?shù)貢r間的信息。

g.時間模型應允許偏離當?shù)貢r間半小時。

h.時間模型應指示夏時制是否有效。

i.時標格式至少維護使用100年。

j.時間格式應緊湊，計算機易操作。

這些基本時間要求是系統(tǒng)要求，但系統(tǒng)是由裝置組成的，因此，若需要的話，裝置應支持這些要求。

（3）IEC 61850標準的完善

IEC 61850協(xié)議是變電站自動化系統(tǒng)建設的依據(jù)，故完善IEC 61850標準并使各廠家在統(tǒng)一的標準下開發(fā)相關設備是解決其問題的關鍵。

7.結束語

變電站自動化系統(tǒng)正逐漸在向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、集成化方向發(fā)展。數(shù)字化變電站采用新型電流和電壓互感器，智能斷路器等技術，利用高速以太網(wǎng)構成變電站數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)，并實現(xiàn)基于IEC 61850標準的統(tǒng)一信息建模。因此。數(shù)字化變電站在常規(guī)變電站自動化技術的基礎上實現(xiàn)了巨大的跨越。

參考文獻

[1]陳磊.從現(xiàn)場總線到工業(yè)以太網(wǎng)的實時性問題研究[D].浙江大學，2004年

[2]陸明浩.現(xiàn)場總線的發(fā)展趨向——工業(yè)以太網(wǎng)的應用[J].IB智能建筑與城市信息，2004年10期.

[3]趙聯(lián)祥.基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制系統(tǒng)的研究與應用[D].浙江大學，2004年.

[4]譚文恕.變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)協(xié)議IEC61850介紹[J].電網(wǎng)技術，2001年09期.

[5]彭杰，應啟戛.交換式以太網(wǎng)用于工業(yè)實時通信的分析[J].低壓電器，2007年01期.

[6]陳原子.數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡構架研究[D].浙江大學，2011年.

[7]張浩.變電站自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡構建[J].安徽電氣工程職業(yè)技術學院學報，2005年01期.

[8]所旭，張萍.無線通信技術應用于變電站自動化的探討[J].電力系統(tǒng)自動化，2004年17期.

[9]任雁銘.變電站計算機通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)的研究[D].華北電力大學，2000年.

[10]朱世欣.工業(yè)以太網(wǎng)新一代的工業(yè)現(xiàn)場總線技術[J].甘肅科技，2005年12期.

作者簡介：范璇（1992—），遼寧北票人，女，研究方向：測控技術與儀器。