陰玉婷，楊明玉，鄭永康

(1.華北電力大學 電力系統保護與動態(tài)安全監(jiān)控教育部重點實驗室，河北 保定 071003，2.國網四川省電力科學研究院，四川 成都 610042)

0 引言

二十世紀九十年代初，變電站自動化系統(Substation Automation System，SAS)開始在我國應用，目前已得到全面推廣。隨著技術的進步和運行水平的提高，常規(guī)SAS逐漸暴露出一些不足[1]41[2]，主要表現在以下四個方面:(1)二次設備之間互操作性差;(2)系統可擴展性差;(3)信息難以實現共享;(4)系統可靠性受二次電纜影響，二次回路安全隱患多。而智能變電站具有“一次設備網絡化、全站信息數字化、信息共享標準化、高級應用互動化”等重要特征，它的出現，能很好的解決常規(guī) SAS所存在的上述問題。正是由于智能變電站的數字化特征，其大多數自動化功能的實施都依賴于通信，因此變電站通信網絡成為 SAS的核心[3－4]。

IEC 61850是國際電工委員會為了實現不同設備之間的互操作和信息共享而制定的系列標準，該標準規(guī)范了變電站內智能電子設備(Intelligent Electronic Device，IED)之間的通信行為和系統要求，實現了互操作性、功能自由配置、良好的擴展性三個方面的目標，是未來變電站自動化領域的唯一國際標準，也是智能變電站的基礎[5]。按 IEC 61850標準要求，智能變電站劃分為三層:過程層、間隔層、站控層。全站采用電子式電流電壓互感器(Electronic Current Votage Transformers，EVCT)并以光纜代替模擬電纜，在二次系統中增加智能終端，使一次設備具有智能化操作特性，采用IEC 61850標準規(guī)約進行通信，實現了過程層的數字化，二次設備間實現了信息互通和共享[6]。

1 過程層的網絡化

傳統的SAS采用“間隔層+站控層”兩層結構，過程層功能在間隔層設備中實現。隨著電子式電流電壓互感器和合并單元的工程應用，越來越多的間隔層功能下放到過程層中，IEC 61850將傳統的兩層結構分成了“過程層+間隔層+站控層”三層結構。根據IEC 61850規(guī)定，由面向通用對象的變電站事件GOOSE傳輸變電站內IED之間重要的實時性信號，如跳閘信號、閉鎖信號等，采樣值(Sampled Value，SV)用于傳輸采樣值及相關服務，如電流信號、電壓信號[7]。

1.1 過程層網絡拓撲結構

IED在智能變電站中大量應用，采用何種網絡拓撲結構來連接這些IED，成為 IEC 61850標準應用遇到的首要問題。文獻[8]從SV、GOOSE是否組網角度分析比較了過程層的網絡拓撲結構，指出只有SV、GOOSE均組網建設才符合IEC 61850標準要求。文獻[9－10]討論了實現GOOSE組網的具體拓撲結構，包括總線型、環(huán)型、星型和混合型;文獻[9]指出星形結構是過程層組網的最佳結構;文獻[10]從實時性、可靠性、安全性和經濟性考慮，提出應按電壓等級確定拓撲結構，110kV變電站使用環(huán)形結構，220kV及以上變電站使用星形結構;文獻[11]提出根據系統一次接線形式及繼電保護配置特點合理規(guī)劃繼電保護GOOSE網絡方案的方法;文獻[12]分析了SV、GOOSE共網后的網絡拓撲結構。

1.2 GOOSE、SV 組網

智能變電站建設過程中許多變電站采取將SV網和GOOSE網從物理上分開[13]178，過程層網按電壓等級分成多個物理網的方式，來提高保護裝置反應電力系統故障和異常工作狀態(tài)的正確性和快速性，保證模擬量傳輸、GOOSE跳閘和GOOSE開關量的獲取不受干擾，減少網絡流量，提高實時性和可靠性。但是如此一來，間隔層的裝置至少要提供三組以太網口，一組給(Multimedia Messaging Service，MMS)網，一組給SV網，一組給GOOSE網，使得變電站網絡架構復雜化，并且對于母線差動保護和變壓器保護等需要和多個間隔交互信息的設備而言，SV和GOOSE分網帶來了很多麻煩。GOOSE、SV共網傳輸不僅可以簡化網架結構，實現過程層信息高度共享，還可以使輔助信息的傳輸和輔助功能的實現更加便捷。文獻[12－14]詳細探討了SV、GOOSE共網的實現方法，不僅如此，文獻[15]中還對SV、GOOSE以及網絡精確對時IEEE 1588“三網合一”的組網方案進行了測試，提出了一種基于IEC 61439的PRP并行冗余技術方案。

1.3 可過程層 GOOSE網的實時性和可靠性

GOOSE技術要實現保護跳閘和邏輯閉鎖等重要報文的傳送，因此對實時性和可靠性要求高，而GOOSE通信受到多方面的約束，包括網絡交換機性能約束、嵌入式系統性能約束、應用功能范圍約束、運行系統可靠性約束、工程方案可操作性約束、運行系統可維護性約束[16]。因此，要提高 GOOSE網的實時性和可靠性，必須考慮各種約束的影響。文獻[17－18]討論了GOOSE網存在的問題以及解決方法。在實時性方面，一般采用無連接傳輸模式、GOOSE報文帶上優(yōu)先級標簽、采用OSI七層協議中的四層協議等方法;在提高可靠性方面，采用重發(fā)機制、引入數據流的控制參數、采用詢問－應答模式。文獻[19]提出在發(fā)送端、交換機和接收端全方位實現 GOOSE報文傳輸實時性。文獻[20]分析了VxWorks操作系統內核的特點，提出了基于 VxWorks的 IEC 61850 GOOSE發(fā)布的實現方案來提高GOOSE網的可靠性。文獻[21]將GCM(伽羅華/計數器模式)加密認證算法用于加密智能變電站的網絡報文，驗證了此加密算法能夠保證報文的實時性，從而論證了GCM算法可以提高網絡報文的可靠性。文獻[22]認為對網絡流量的優(yōu)化管理可以提高過程層網絡工作的穩(wěn)定性和可靠性，在比較了多種流量管理方法的基礎上，提出了靜態(tài)組播管理是適合現階段過程層網絡應用的管理方式。文獻[23]以全站邏輯閉鎖功能為例建立了馬爾科夫狀態(tài)模型，討論了GOOSE應用的可靠性。

2 智能變電站網絡結構

2.1 智能變電站早期網絡結構

在變電站智能化發(fā)展過程中，出現了多種智能化程度不同的變電站，國內的專家學者也對此進行了諸多研究。早期的智能化變電站利用IEC 61850協議將變電站設備模型化，僅實現間隔層和站控層設備的網絡化，過程層設備仍為傳統模擬信號設備，此類變電站通信網絡簡單，但是智能化程度很低，網絡結構如圖1。文獻[24]提出了一種基于點對點技術的智能變電站，這種變電站同樣采用IEC 61850協議、電子式互感器及智能終端，不同的是它放棄了過程層的網絡化，而是采用可靠性更高的點對點模式，這種模式對于間隔設備較少的變電站具有較強的示范作用，也是對智能變電站技術的一種新的探索，但是它網絡化程度不高。網絡結構如圖2所示。

圖1 早期智能變電站網絡結構

圖2 采用點對點技術的網絡結構

2.2 智能變電站理想網絡結構

較理想的智能變電站網絡系統采用智能開關設備、EVCT等智能設備，構成雙網冗余結構的獨立過程網絡，實現變電站信息采集、傳輸、處理、輸出過程全部數字化，滿足設備智能化、通信網絡化、模型和通信協議統一化、運行管理自動化等基本特征，具有很高的經濟性和可靠性，如圖3所示。文獻[25]對理想的智能變電站網絡結構進行了進一步改進，它根據站級網絡與過程網絡是否聯通，提出了獨立過程網絡和全站唯一網絡兩種智能變電站通信網絡組建方案。獨立過程網雖然具有很多優(yōu)點，但是它的缺點也不容忽視，比如，間隔之間無法共享過程層數據;網絡設備較多，設備投資增加;站級網絡和過程網絡冗余受到間隔層IED網口限制等。而全站唯一網絡使得變電站內所有智能設備(包括EVCT)都接入同一個網，任意智能設備之間，都能直接通過該網絡交互信息，使過程層數據得到最大程度的共享。這種組網方式，目前的技術水平還較難實現，但是它將是智能變電站通信網絡的最終形態(tài)，如圖4所示。文獻[26]也提出了類似的建立全站唯一網的觀點。

圖3 較理想智能變電站網絡結構

圖4 全站唯一網網絡結構

2.3 智能變電站實用網絡結構

由于目前技術條件的限制，主要是智能開關設備還未投入工程應用，理想的智能變電站無法實現，只能采用智能終端與傳統開關二次回路連接，作為現階段智能開關的解決方案，這種通信網絡數字化程度高，適應現階段變電站硬件的智能化，也有利于二次狀態(tài)監(jiān)測的實現。實際應用中，國家電網公司考慮到保護測控裝置的實時性和可靠性，除了過程層組網外，采用將一路采樣值和跳閘信號直接接入保護測控裝置的“直采直跳”方案，即實現了過程層信息共享，又保證了保護測控裝置安全可靠，因此也是目前使用最廣泛的一種網絡結構，如圖5。

另外，文獻[27]還對采用無線通信技術彌補現有有線通信靈活性不足做了研究和設計。

圖5 智能變電站實用網絡結構

3 二次網絡在線監(jiān)測系統的發(fā)展

常規(guī)變電站通過微機型保護及微機型故障錄波器等二次設備的自檢和通訊功能，實現對逆變電源、電流、電壓回路、采樣數據合理性、保護定值完整性、保護的輸入輸出節(jié)點、保護數據通信環(huán)節(jié)、執(zhí)行回路可靠性等的監(jiān)視[1]41。但是，這種常規(guī)的方法，存在二次回路無法在線監(jiān)測的瓶頸問題，并且連接片(壓板)狀態(tài)監(jiān)測困難，大量銅纜的使用，也使回路絕緣狀況的監(jiān)測也十分繁瑣，經濟性與可靠性不高。智能變電站采用光纜代替電纜，保護測控裝置的輸入輸出均為數字信號，現場的采樣數據、開關狀態(tài)信息實現基于IEC 61850標準的統一信息建模，能在全站甚至廣域范圍內共享，為二次網絡在線監(jiān)測系統的發(fā)展提供了技術基礎。

3.1 二次網絡在線監(jiān)測系統早期探索

文獻[28]利用集控站監(jiān)控系統將各變電站保護用網絡聯系起來，監(jiān)控保護運行工況，從而實現二次設備狀態(tài)檢修。該方法不涉及網絡報文的監(jiān)控，僅僅利用設備自檢信息進行狀態(tài)監(jiān)測。隨著通信網絡在智能變電站的廣泛使用，針對現階段廣泛使用的智能變電站“三層兩網”結構，學者們在網絡在線監(jiān)測方面做了更多有益的嘗試。文獻[29－30]開發(fā)的GOOSE報文捕獲工具，能夠捕獲網絡報文并進行存儲，當網絡發(fā)生堵塞或其他問題時，可以調取日志進行事故分析和診斷，類似于變電站故障錄波裝置，但是它不具有GOOSE在線分析和報文回放測試等功能。文獻[31]中描述的網絡通信黑匣子，能夠重現變電站自動化系統網絡通信的全過程，準確定位和分析變電站自動化系統的故障原因，但是同樣不具備在線分析功能。

3.2 二次網絡在線監(jiān)測系統現狀

近年來，出現了一些較為成熟的網絡分析儀。文獻[32]中的規(guī)約分析儀，可以實現過程層網絡上所有GOOSE報文的接收，并對這些報文進行實時分析，記錄報文內容，檢查報文的語法，提取報文的傳輸特征，利用這些信息分析、監(jiān)視IED設備和通信網絡的運行狀況，這種分析儀僅能對過程層GOOSE報文進行監(jiān)視。文獻[33]中設計的通信在線監(jiān)視分析系統實現了對智能變電站通信網絡中通信報文的實時偵聽和記錄，實現網絡報文IEC 61850一致性分析、MMS通信過程、GOOSE通信過程、GOOSE事件以及GOOSE實時監(jiān)測結果等基本功能，實時GOOSE報文異常過程統計、實時報文間隔統計典型功能。記錄儀采用連續(xù)循環(huán)存儲方式，存儲通信網絡的原始數據。文獻[34－36]采用將網絡通信記錄分析系統分為記錄儀和分析儀兩個子系統的方案，實現變電站內網絡通信的在線監(jiān)視、記錄和各種分析，除了能對GOOSE、MMS、SV報文進行在線分析外，由于記錄了過程層和站控層網絡的信息，還能分析潛在的網絡故障，并對網絡性能進行評估。面對海量報文信息，文獻[35]采用特殊設計的智能網卡，提高了網卡吞吐量，從而提高了記錄儀可接入的合并單元數量。常用網絡結構如圖6所示。

圖6 網絡分析儀常用接入結構

3.3 二次網絡在線監(jiān)測系統存在的不足

智能變電站中二次設備主要通過接收數據的異常情況進行二次回路的監(jiān)視，當某個設備異常時，可能造成多個連接設備發(fā)出鏈路異常信號，運行人員看到大量的鏈路出錯信息之后，可能會無所適從，所以，需要通過高級應用智能報警功能對這些鏈路異常信息進行分析匯總，通過相關信息的數據挖掘，形成一個最終的異常原因展示給運行人員，以便下一步的工作進行。另外，網絡在線監(jiān)測系統記錄數據量大，有用、無用、可用、可不用的信息均被記錄。根據現場對網絡在線監(jiān)測系統的調試情況看，記錄數據量大，會給事后分析、故障查找?guī)砣缦聨讉€問題:

(1)網絡在線監(jiān)測系統僅按設備記錄信息，不便于信息分類查找。

(2)網絡在線監(jiān)測系統不具備指令追蹤查找能力，無法快速定位信息流轉波及片段數據。

(3)網絡在線監(jiān)測系統不具備直接定位異常、故障信息的能力，只是大而全的顯示全部事件信息，沒有給調試、運行、維護人員帶來工作效率的提升。

4 結束語

智能變電站的出現，使變電站信息通過通信網絡實現了共享。如何簡化網絡結構，實現全站信息最大限度的共享，提高智能變電站的二次系統網絡化程度，充分挖掘和利用豐富的網絡信息，也成為近年來的研究熱點。但是，由于技術條件的限制、運行經驗不足以及受到智能變電站運行的可靠性和實時性的限制，智能變電站二次系統網絡化建設還在不斷地探索過程中，而目前對網絡數據的挖掘和利用，也遠遠不夠?，F有的網絡分析儀，雖然能夠實現報文在線監(jiān)測和網絡潛在故障分析，對于繼電保護裝置存在的隱性故障卻無能為力。要通過狀態(tài)監(jiān)測判斷隱性故障元件，需要對變電站的穩(wěn)態(tài)數據、暫態(tài)數據、狀態(tài)數據、動態(tài)數據等全站信息進行充分挖掘和高度整合，形成智能變電站的全景信息中心，在此基礎上可實現故障分析定位等高級應用，最終實現智能變電站二次系統的狀態(tài)監(jiān)測。

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