馮彥釗,王晨,龔石林,張兆云,陳衛(wèi),曾臻

(1.云南電網(wǎng)公司,昆明 650011；2.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,華中科技大學(xué),武漢 430074)

智能變電站母差保護(hù)數(shù)據(jù)接收優(yōu)化

馮彥釗1,王晨2,龔石林1,張兆云2,陳衛(wèi)2,曾臻2

(1.云南電網(wǎng)公司,昆明 650011；2.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,華中科技大學(xué),武漢 430074)

智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為全站的數(shù)據(jù)共享提供了更有效的途徑,如何利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化其他智能電子設(shè)備的功能值得研究。針對(duì)智能變電站中現(xiàn)有的過程層冗余通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提出了一種基于并行冗余網(wǎng)絡(luò)的母差保護(hù)數(shù)據(jù)接收延時(shí)優(yōu)化方案,并給出了理論計(jì)算分析。

智能變電站；并行冗余網(wǎng)絡(luò)；母差保護(hù)；時(shí)延特性

0 前言

隨著非常規(guī)互感器、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能斷路器技術(shù)的不斷發(fā)展,基于IEC61850協(xié)議的智能變電站二次系統(tǒng)日益完善。IEC61850 Ed2廢除了采樣值點(diǎn)到點(diǎn)傳輸方案,基于IEC61850-9-1[1]的過程總線技術(shù)正向IEC61850-9-2[2]網(wǎng)絡(luò)化傳輸方式過渡,對(duì)過程層采集的電氣量及狀態(tài)量信息進(jìn)行數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化處理。過程總線技術(shù)通常采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單獨(dú)運(yùn)行,網(wǎng)絡(luò)流量較低。過渡到IEC61850-9-2后,采樣測(cè)量值 (SMV)、跳閘指令及斷路器隔離開關(guān)狀態(tài)量 (GOOSE)傳輸于由交換機(jī)組成的過程總線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),通信技術(shù)成為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵[3-5],數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)的可靠性也顯得尤為重要。

目前,智能變電站電壓等級(jí)越來越高,對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求也隨之更高,通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)報(bào)文的優(yōu)先權(quán)配置等都可能影響到過程總線及其繼電保護(hù)方案的可靠性。由于繼電保護(hù)本身的速動(dòng)性和可靠性要求以及保護(hù)雙重化配置的推廣應(yīng)用,導(dǎo)致目前智能變電站普遍采用雙網(wǎng)絡(luò)的冗余通信方案：文獻(xiàn) [6-8]對(duì)采用星形和總線型環(huán)形的雙網(wǎng)互備組網(wǎng)形式進(jìn)行了分析比較；文獻(xiàn) [9]研究了不同冗余技術(shù)在智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的可能性；文獻(xiàn) [10]研究了一種基于并行冗余協(xié)議的智能變電站高可靠性過程總線通信。然而這些文獻(xiàn)都只是對(duì)冗余網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了探討,冗余網(wǎng)絡(luò)的目的也只限于提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性,充分利用冗余結(jié)構(gòu)來優(yōu)化、改善智能變電站的網(wǎng)絡(luò)通信性能等方面的研究鮮有涉及。

由于母差保護(hù)需要收集多間隔電流、電壓信息,并且要求數(shù)據(jù)的同步性、實(shí)時(shí)性和有效性,尤其是實(shí)時(shí)性要求至關(guān)重要,越早獲取所需數(shù)據(jù)信息就能越早判斷出故障并及時(shí)做出反應(yīng),以保證變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本文基于智能變電站過程層的冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提出了一種母差保護(hù)數(shù)據(jù)接收延時(shí)優(yōu)化方案,并針對(duì)一般的智能變電站結(jié)構(gòu)對(duì)方案進(jìn)行了相應(yīng)的理論分析。

1 并行冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

IEC62439高實(shí)用性自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的冗余提供了標(biāo)準(zhǔn)化支持.它給出了4種冗余協(xié)議：基于環(huán)網(wǎng)的媒介冗余協(xié)議 MRP (Media Redundancy Protocol based on a ring topology)；并行冗余協(xié)議 PRP(Parallel Redundancy Protocol)交叉冗余協(xié)議CRP(Cross-network Redundancy Protocol)以及信號(hào)冗余協(xié)議BRP(Beacon Redundancy Protocol)[11]。由于PRP實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)冗余的同時(shí)可以完成GOOSE報(bào)文的雙網(wǎng)同時(shí)發(fā)送且經(jīng)過的交換機(jī)跳數(shù)較少,經(jīng)濟(jì)性好,因此比較適合在現(xiàn)有技術(shù)條件下的智能變電站中應(yīng)用。

并行冗余系統(tǒng)采用兩個(gè)獨(dú)立的局域網(wǎng)A、B實(shí)現(xiàn)。在網(wǎng)絡(luò)中,可以根據(jù)連接網(wǎng)絡(luò)的鏈路數(shù)劃分兩類節(jié)點(diǎn)：①DAN(Doubly Attached Nodes)節(jié)點(diǎn)：通過兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口連接到雙網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)；②SAN(Single Attached Nodes)節(jié)點(diǎn)：通過一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口連接到單網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)。如圖1所示。

圖1 PRP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

并行冗余網(wǎng)絡(luò)是通過DAN節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。DAN節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)使用相同MAC地址和IP地址的網(wǎng)絡(luò)適配器和一個(gè)鏈路冗余實(shí)體 (Link Redundancy Entity,LRE)。兩個(gè)適配器與兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)A、B連接。上層應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)接口通過LRE連接。LRE層實(shí)現(xiàn)報(bào)文的雙發(fā)雙收,LRE收到上層應(yīng)用傳來的發(fā)送報(bào)文,將報(bào)文加上網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符后復(fù)制成兩份,然后從A網(wǎng)、B網(wǎng)的物理層發(fā)出,這樣在兩個(gè)局域網(wǎng)中會(huì)有相同的報(bào)文被轉(zhuǎn)發(fā),在一個(gè)局域網(wǎng)失效時(shí),另一個(gè)局域網(wǎng)也會(huì)將報(bào)文送達(dá)。接收節(jié)點(diǎn)從A網(wǎng)、B網(wǎng)的物理層先后收到報(bào)文,LRE對(duì)標(biāo)識(shí)進(jìn)行判別,丟棄后到的報(bào)文而先到的報(bào)文去除網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)后傳送給上層應(yīng)用[12]。節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PRP終端節(jié)點(diǎn)冗余功能結(jié)構(gòu)

2 母差保護(hù)數(shù)據(jù)接收優(yōu)化方案

在基于IEC61850的智能變電站過程層采用組網(wǎng)方式作為報(bào)文傳輸方式的模式下,報(bào)文端到端延時(shí)特性是通信網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo),采樣值報(bào)文網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的大小也將影響到間隔層保護(hù)的動(dòng)作特性。母差保護(hù)由于要匯集連接到母線的各線路的實(shí)時(shí)電氣量信息,信息量大且涉及到采樣值報(bào)文的跨間隔傳輸,因此報(bào)文端到端的延時(shí)大,不利于母差保護(hù)的快速動(dòng)作。基于并行冗余協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)提供了可靠的熱備份,同時(shí)在空間上也拓寬了信息的傳輸途徑,本文在并行冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,研究一種母差保護(hù)接收跨間隔網(wǎng)絡(luò)報(bào)文優(yōu)化方案。

2.1 智能變電站網(wǎng)絡(luò)延時(shí)分析

基于IEC61850的智能變電站實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸著不同的數(shù)據(jù)流信息,根據(jù)不同的功能要求,各種數(shù)據(jù)流端到端的延時(shí)特性也有差異?；谝蕴W(wǎng)的智能變電站報(bào)文端到端時(shí)延構(gòu)成如圖3所示。

圖3 智能變電站報(bào)文通信時(shí)延構(gòu)成

報(bào)文時(shí)延主要包括源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送端處理延時(shí)ta、網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)tb、和目的節(jié)點(diǎn)的接收端處理延時(shí)tc,即總延時(shí)t=ta+tb+tc。延時(shí)ta、tc主要取決于幀的長度和以太網(wǎng)的通信速率；網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)tb主要包括交換機(jī)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延、交換機(jī)交換時(shí)延、光纜傳輸延時(shí)、排隊(duì)時(shí)延,其中排隊(duì)延時(shí)是由于交換機(jī)發(fā)生幀沖突時(shí)采用排隊(duì)方式順序傳送,這也是導(dǎo)致報(bào)文端到端延時(shí)不確定性的主要原因,研究減少報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)tb是改善智能變電站信息實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵。

2.2 母差保護(hù)數(shù)據(jù)接收優(yōu)化方案

基于并行冗余的智能變電站的過程層星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示,采用并行冗余通信網(wǎng)絡(luò),工作時(shí),合并單元 (Merging Unit,MU)同時(shí)向兩個(gè)獨(dú)立的過程層A、B網(wǎng)絡(luò)發(fā)送采樣值信息,A網(wǎng)和B網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完全相同。接收端 (保護(hù)及測(cè)控裝置或母差保護(hù)單元)同時(shí)從A網(wǎng)和B網(wǎng)獲取采樣值報(bào)文,優(yōu)先利用先收到的采樣值信息,另一個(gè)則丟棄,如果收不到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息就告警。當(dāng)A網(wǎng)和B網(wǎng)的結(jié)構(gòu)相似,且布線路徑相近時(shí),A網(wǎng)和B網(wǎng)具有相同或相近的網(wǎng)絡(luò)性能。當(dāng)數(shù)據(jù)擁塞時(shí),兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)同時(shí)發(fā)生擁塞,此時(shí)將導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收延時(shí)增大。

圖4 基于并行冗余的智能變電站的過程層星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖5 母差保護(hù)優(yōu)化方法

母差保護(hù)單元必須在接收到A網(wǎng)或B網(wǎng)中傳輸?shù)乃芯€路間隔的電氣量信息后才能進(jìn)行母線保護(hù)運(yùn)算,只是在其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)才會(huì)利用另一個(gè)冗余網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息,而不是充分利用兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中先到的電氣量信息,因此在智能變電站中采用并行冗余協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)并沒有提升過程層通信網(wǎng)絡(luò)的性能尤其是母差保護(hù)的快速動(dòng)作特性。

在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出一種智能變電站的母差保護(hù)優(yōu)化方法,見圖5.

3 母差保護(hù)端口延時(shí)分析

在智能變電站中各設(shè)備通過劃分VLAN可以將數(shù)據(jù)流量較好地限制在各個(gè)間隔內(nèi),因此大多數(shù)保護(hù)功能的流量均可較為穩(wěn)定地在過程層網(wǎng)絡(luò)中傳輸。在80點(diǎn)12路采樣模式下,一個(gè)合并單元發(fā)送的采樣值數(shù)據(jù)量約為5 Mbps,則一個(gè)100 Mbps的通信網(wǎng)絡(luò)理論上可支持19個(gè)合并單元設(shè)備。即使考慮到合理的網(wǎng)絡(luò)性能,仍然可以支持5個(gè)合并單元設(shè)備。因此在線路保護(hù)等間隔內(nèi), 100 Mbps網(wǎng)絡(luò)可以滿足通信需求。

假設(shè)某智能變電站具有一條母線,母線上具有6條出線,其通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖及采樣值報(bào)文接收順序如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級(jí)設(shè)置及采樣值報(bào)文到達(dá)母差保護(hù)順序

每條進(jìn)出線上具有斷路器和合并單元,合并單元將采樣值數(shù)據(jù)發(fā)送到母差保護(hù),母差保護(hù)對(duì)同一時(shí)刻的各條線路電流進(jìn)行運(yùn)算從而判斷出故障。假設(shè)中心交換機(jī)為線速交換機(jī),即其交換總線帶寬大于等于所有端口帶寬之和。同時(shí)假設(shè)光纖線路上的延時(shí)基本忽略,各端口處理速度相同。由于所有合并單元會(huì)在同一時(shí)刻向母差保護(hù)發(fā)送采樣值,因此在采樣值發(fā)送時(shí)刻,母差保護(hù)端口會(huì)形成短時(shí)間擁塞。此時(shí),6個(gè)合并單元當(dāng)前的采樣值數(shù)據(jù)將依次排列在母差通信端口,且PRP雙網(wǎng)上的順序相同。

以每個(gè)采樣值報(bào)文長度為159 byte計(jì)算,6個(gè)采樣值報(bào)文在100 Mbps的鏈路上全部接收到的時(shí)間為74.53 us。

當(dāng)采用優(yōu)先級(jí)分組方式發(fā)送采樣值數(shù)據(jù)后,母差保護(hù)的兩個(gè)端口排列方式如下圖所示。由于PRP協(xié)議防止重復(fù)報(bào)文原理的存在,母差保護(hù)將同時(shí)分別從兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口收到a1-a3和b1-b3的采樣值數(shù)據(jù),并拋棄掉之后接收到的低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)。以每個(gè)采樣值報(bào)文長度為159 byte計(jì)算,6個(gè)采樣值報(bào)文在100 Mbps的鏈路上全部接收到的時(shí)間為37.27 us,延時(shí)特性得到了很大程度的優(yōu)化。

4 結(jié)束語

優(yōu)先級(jí)分組方法通過在基于并行冗余協(xié)議的雙網(wǎng)通信方式中引入以太網(wǎng)優(yōu)先級(jí),將設(shè)備的數(shù)據(jù)通過優(yōu)先級(jí)的方式分別分到兩個(gè)通信網(wǎng)鏈路中。在經(jīng)優(yōu)先級(jí)分組后的PRP雙網(wǎng)冗余通信鏈路上,網(wǎng)絡(luò)延時(shí)顯著降低,尤其在數(shù)據(jù)匯聚端口和發(fā)生數(shù)據(jù)擁塞的情況下性能改善明顯。同時(shí)等效增大了交換機(jī)端口緩沖區(qū),進(jìn)一步降低了丟包率。同時(shí),優(yōu)先級(jí)分組方法完全與以太網(wǎng)協(xié)議和PRP協(xié)議兼容,對(duì)智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供了一種參考。

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Research on Optimization Scheme for Data Reception of Busbar Differential Protection in Smart Substations Based on PRP

FENG Yanzhao1,WANG Chen2,GONG Shilin1,ZHANG Zhaoyun2,CHEN Wei2,ZENG Zhen2
(1.YUNNAN Power Grid Corporation,Kunming 650011,China；2.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

A more efficient way is provided for data sharing in smart substations with the development of ethernet technology in communication network,How to optimize the function of other intelligent electronic devices by using the existing network structures is worth studying.Aiming at the existing structure of the process layer redundant communication network in smart substations,this paper proposes an optimization scheme for data reception of busbar differential protection and gives the theoretical analysis.

smart substation；PRP；busbar differential protection；time delay characteristic

TM76

B

1006-7345(2015)01-0018-04

2014-09-10

馮彥釗 (1968),男,工程師,云南電網(wǎng)公司,從事電力系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備投運(yùn)工作 (e-mail)yxsw＠263.net。

王晨 (1988),男,碩士研究生,華中科技大學(xué),從事智能變電站、微機(jī)繼電保護(hù)與控制研究 (e-mail)328162722＠qq.com。

龔石林 (1979),男,工程師,云南電網(wǎng)公司,從事電力系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備投運(yùn)工作 (e-mail)8323072＠qq.com。