王智東, 陳軍宏, 原呂澤芮, 劉振林, 梁 梅, 高 瑞, 鄧豐強(qiáng)

(1. 華南理工大學(xué) 電力學(xué)院, 廣東 廣州 510640； 2. 華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院, 廣東 廣州 5108003. 東莞供電局, 廣東 東莞 523000)

基于過(guò)程總線(xiàn)的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

王智東1,2, 陳軍宏1, 原呂澤芮1, 劉振林3, 梁 梅1, 高 瑞1, 鄧豐強(qiáng)1

(1. 華南理工大學(xué) 電力學(xué)院, 廣東 廣州 510640； 2. 華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院, 廣東 廣州 5108003. 東莞供電局, 廣東 東莞 523000)

為了研究繼電保護(hù)技術(shù)在智能變電站的應(yīng)用,參考標(biāo)準(zhǔn)IEC 61850重新構(gòu)建微機(jī)繼電保護(hù)裝置功能,并引入過(guò)程總線(xiàn)技術(shù)升級(jí)傳統(tǒng)電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),設(shè)計(jì)了PC控制的過(guò)程總線(xiàn)適配器,解決異構(gòu)通信端口的設(shè)備之間的通信難題;以GOOSE和SMV報(bào)文傳輸繼電保護(hù)指令為例,介紹了IEC 61850在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的應(yīng)用。借助該實(shí)驗(yàn)平臺(tái),學(xué)生可便利地實(shí)施智能變電站的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn),學(xué)習(xí)IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)。

繼電保護(hù)； 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)； 過(guò)程總線(xiàn)； IEC 61850

近年來(lái),智能電網(wǎng)和智能變電站的建設(shè)取得了突出的發(fā)展成就[1],大大拓展了傳統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)技術(shù)的內(nèi)涵。繼電保護(hù)信息通信作為智能變電站運(yùn)行[2]的重要組成部分,學(xué)生應(yīng)該熟練掌握其原理及應(yīng)用。目前,智能變電站的繼電保護(hù)技術(shù)應(yīng)用的重要方向是利用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)[3]對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行建模,并對(duì)其信息的流動(dòng)建立具有保密性的格式與規(guī)范。

為了緊跟科技發(fā)展,實(shí)施智能變電站框架下的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn),很多研究采用軟化的方法搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。文獻(xiàn)[4]提出了基于開(kāi)放平臺(tái)的過(guò)程總線(xiàn)繼電保護(hù)軟化試驗(yàn)方法,在PC平臺(tái)上直接采用網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序接口規(guī)范實(shí)現(xiàn)報(bào)文的收發(fā)；文獻(xiàn)[5]采用了PSCAD數(shù)字仿真系統(tǒng)與基于WinP cap數(shù)據(jù)包開(kāi)發(fā)的接口轉(zhuǎn)換單元構(gòu)建了純軟件保護(hù)裝置測(cè)試系統(tǒng)。這些方法較好地解決了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)資金不足和平臺(tái)功能擴(kuò)展等問(wèn)題,但無(wú)法利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)資源。此外,對(duì)于不遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)裝置,無(wú)法通過(guò)以太網(wǎng)通信,更難以實(shí)現(xiàn)IEC 61850協(xié)議涉及的較為復(fù)雜的內(nèi)容。

本文在文獻(xiàn)[6]基礎(chǔ)上,參考智能變電站的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61850，重新構(gòu)建了微機(jī)繼電保護(hù)裝置功能,并引用過(guò)程總線(xiàn)技術(shù)作為智能設(shè)備與實(shí)驗(yàn)臺(tái)連接的橋梁[7]。此外, 設(shè)計(jì)了PC控制的過(guò)程總線(xiàn)適配器,實(shí)現(xiàn)不同通信端口的實(shí)驗(yàn)臺(tái)與智能設(shè)備的無(wú)縫連接。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)[8]的“改造”,設(shè)計(jì)了基于以太網(wǎng)統(tǒng)一通信形式的過(guò)程總線(xiàn)系統(tǒng),使得不遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)裝置能夠方便接入到過(guò)程總線(xiàn)。最后,利用IEC 61850對(duì)繼電保護(hù)裝置和功能的建模,以GOOSE和SMV報(bào)文等格式傳送繼電保護(hù)指令為例,介紹實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用。

1 基于過(guò)程總線(xiàn)的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

過(guò)程總線(xiàn)在IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的分層結(jié)構(gòu)中,最接近電力一次系統(tǒng),是整個(gè)電力系統(tǒng)電氣量采集和開(kāi)關(guān)動(dòng)作的基礎(chǔ)。過(guò)程總線(xiàn)以通信網(wǎng)絡(luò)形式取代了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的“硬接線(xiàn)”,用于傳遞電力系統(tǒng)電氣量值和開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及命令等重要信息[8]。以過(guò)程總線(xiàn)為代表的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和對(duì)應(yīng)的IEC 61850協(xié)議,體現(xiàn)了電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平發(fā)展的新高度[9]。

1.1 基于IEC 61850的實(shí)驗(yàn)設(shè)備建模

當(dāng)前大多數(shù)微機(jī)繼電保護(hù)裝置包含了電氣量采集、開(kāi)關(guān)量輸入和輸出、邏輯判斷等諸多功能,與IEC 61850的分層思想并不一致。因此,首先對(duì)傳統(tǒng)電力微機(jī)裝置原有功能按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解析,進(jìn)而建模成實(shí)驗(yàn)過(guò)程所需的合并單元(merging unit,MU)、智能開(kāi)關(guān)(intelligent switch,ISW)、智能電子設(shè)備(intelligent electronic eevice,IED)。

當(dāng)前電力現(xiàn)場(chǎng)的微機(jī)裝置與一次系統(tǒng)聯(lián)系緊密,除了微機(jī)裝置,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)通常還包含一次系統(tǒng)模型。對(duì)包含傳統(tǒng)電力微機(jī)裝置在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行“改造”,充分利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)一次系統(tǒng)模型,在保留一次系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,將傳統(tǒng)電力微機(jī)裝置原先的功能[10]按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)重新劃分。基于IEC 61850的繼電保護(hù)裝置模型見(jiàn)圖1。

圖1 基于IEC 61850的繼電保護(hù)裝置模型

一次系統(tǒng)相關(guān)的模擬量采集、開(kāi)關(guān)狀態(tài)及其操作,事實(shí)上分別充當(dāng)了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的MU和ISW的角色,將微機(jī)裝置的上述功能分別建模為MU和ISW,這是在傳統(tǒng)電力微機(jī)裝置上體現(xiàn)的邏輯概念的MU和ISW功能,這里稱(chēng)為邏輯LMU(logical merging unit)和邏輯LISW (logical intelligent switch),以區(qū)別于遵循IEC 61850的MU和ISW實(shí)體裝置。傳統(tǒng)電力微機(jī)裝置的算法判斷功能,在IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中屬于間隔層IED的內(nèi)容,因此,將其建模為邏輯智能電子設(shè)備LIED(logical intelligent electronic device)。

1.2 基于過(guò)程總線(xiàn)的繼電保護(hù)通信設(shè)計(jì)

基于過(guò)程總線(xiàn)的繼保通信結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2,網(wǎng)絡(luò)控制平面包含基于PC的各種網(wǎng)絡(luò)通信卡及對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制平面,傳統(tǒng)電力微機(jī)裝置經(jīng)過(guò)程總線(xiàn)適配器接入該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；同時(shí)過(guò)程總線(xiàn)適配器經(jīng)PC通信卡驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電力微機(jī)裝置自定義報(bào)文的收發(fā)。

圖2 基于過(guò)程總線(xiàn)的繼保通信結(jié)構(gòu)

過(guò)程總線(xiàn)適配器作為整個(gè)過(guò)程總線(xiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心,起到“橋梁”作用,主要由網(wǎng)絡(luò)控制平面和IEC 61850協(xié)議實(shí)現(xiàn)平面構(gòu)成。采用PC機(jī)實(shí)現(xiàn)IEC 61850過(guò)程總線(xiàn)適配器功能,使得不具備以太網(wǎng)接口的傳統(tǒng)電力微機(jī)裝置通過(guò)該P(yáng)C機(jī)接入到基于以太網(wǎng)的過(guò)程總線(xiàn)。

針對(duì)傳統(tǒng)電力微機(jī)裝置具體的網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型,在PC機(jī)主板上插入該對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的通信卡,通過(guò)擴(kuò)展與傳統(tǒng)電力微機(jī)裝置相兼容的網(wǎng)絡(luò)接口,使得傳統(tǒng)電力微機(jī)裝置能與過(guò)程總線(xiàn)適配器實(shí)現(xiàn)物理層面的聯(lián)系。過(guò)程總線(xiàn)適配器一方面通過(guò)通信卡實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)電力微機(jī)裝置的報(bào)文交換；另一方面,PC通過(guò)自身的以太網(wǎng)接口,將傳統(tǒng)電力微機(jī)裝置的報(bào)文轉(zhuǎn)換為符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文后,經(jīng)交換機(jī)發(fā)送至過(guò)程總線(xiàn)。

2 基于過(guò)程總線(xiàn)的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

我院現(xiàn)有的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由5套DJZ型實(shí)驗(yàn)臺(tái)和1個(gè)控制臺(tái)工控機(jī)組成[11],可開(kāi)出線(xiàn)路保護(hù)、變壓器保護(hù)等實(shí)驗(yàn)。每套實(shí)驗(yàn)臺(tái)包含微機(jī)裝置、線(xiàn)路、變壓器、開(kāi)關(guān)和互感器等設(shè)備,通過(guò)微機(jī)裝置中的RS485總線(xiàn)與控制臺(tái)的工控機(jī)相連,形成一個(gè)通過(guò)RS485總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)與實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行信息交換的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)。微機(jī)裝置通過(guò)自定義的報(bào)文格式與工控機(jī)交換信息,實(shí)現(xiàn)電流和電壓等模擬量的具體數(shù)值信息以及開(kāi)關(guān)狀態(tài)和操作等簡(jiǎn)單信息在二者之間的傳遞。

充分利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)較為完整的電力一次系統(tǒng)功能以及RS485通信功能,將DJZ型實(shí)驗(yàn)臺(tái)微機(jī)裝置“改造”成LMU和LISW,保留微機(jī)裝置原先的電氣量采集、開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及操作功能,并剔除微機(jī)裝置原有的算法和邏輯判斷功能,完善RS485報(bào)文收、發(fā)功能,使其實(shí)現(xiàn)與工控機(jī)的信息實(shí)時(shí)交換。

實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)的工控機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心,通過(guò)軟件編程使其實(shí)現(xiàn)過(guò)程總線(xiàn)適配器的功能,如圖3所示。工控機(jī)利用主板插槽的RS485通信卡,與充當(dāng)LMU和LISW功能的微機(jī)裝置、通過(guò)RS485總線(xiàn)進(jìn)行報(bào)文信息交換。

圖3 基于過(guò)程總線(xiàn)的繼保實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

采用上述方法對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)臺(tái)改造,不但實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基本功能,還將功能獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)臺(tái)、通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)的方式緊密聯(lián)系起來(lái),從而可以實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模、情況更復(fù)雜的電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),無(wú)需額外設(shè)備開(kāi)銷(xiāo)便可實(shí)現(xiàn)更豐富的功能[12-15]。

3 繼電保護(hù)信息通信實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

過(guò)程總線(xiàn)所傳遞的核心信息是電力系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量和模擬量信息。為兼顧通用性、實(shí)時(shí)性和安全性等性能,IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)分別采用GOOSE報(bào)文和9-2LE格式的SMV報(bào)文作為開(kāi)關(guān)量和模擬量的傳輸載體。

3.1 IEC 61850解析的繼電保護(hù)信息通信設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)微機(jī)繼保裝置普遍采用自定義的報(bào)文格式,需先轉(zhuǎn)換成SMV和GOOSE等遵循IEC 61850報(bào)文。為了減少報(bào)文轉(zhuǎn)換難度,根據(jù)電力微機(jī)裝置所確定的功能,事先定義好SMV和GOOSE格式,并按照?qǐng)?bào)文信息直接映射的方法,產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的報(bào)文。通過(guò)IEC 61850協(xié)議實(shí)現(xiàn)平面,實(shí)現(xiàn)不符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文與過(guò)程總線(xiàn)的GOOSE和SMV核心報(bào)文的轉(zhuǎn)換。SMV報(bào)文采用當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的IEC 61850-9-2LE報(bào)文方式。采用映射和填充的方式,進(jìn)行報(bào)文的轉(zhuǎn)換。遵循IEC 61850功能的MU、ISW和IED,經(jīng)過(guò)程總線(xiàn)交換機(jī)后,直接接入過(guò)程總線(xiàn)。

工控機(jī)利用自身的以太網(wǎng)網(wǎng)卡接入到交換機(jī),遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的IED可以直接接入到該交換機(jī),形成過(guò)程總線(xiàn)。在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中,IED由PC機(jī)實(shí)現(xiàn),以GOOSE報(bào)文和SMV報(bào)文形式,分別接收來(lái)自于微機(jī)裝置的開(kāi)關(guān)信息和電氣量信息,微機(jī)裝置的算法和邏輯判斷功能移植到PC機(jī)中完成,PC機(jī)將邏輯判斷的結(jié)果(跳閘等命令)以GOOSE報(bào)文形式發(fā)送到過(guò)程總線(xiàn),并經(jīng)工控機(jī)轉(zhuǎn)換后發(fā)送到對(duì)應(yīng)的微機(jī)裝置中。同時(shí),過(guò)程總線(xiàn)中接入一臺(tái)PC機(jī)專(zhuān)門(mén)進(jìn)行報(bào)文捕捉和解析功能,PC機(jī)運(yùn)行Wireshark等報(bào)文捕捉軟件,通過(guò)直觀(guān)地觀(guān)察過(guò)程總線(xiàn)上所捕捉的報(bào)文,可進(jìn)一步分析整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 繼電保護(hù)信息通信實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方案

利用GOOSE和SMV報(bào)文實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)信息的通信,可按以下步驟進(jìn)行:

(1) 當(dāng)信息由傳統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)裝置流向過(guò)程總線(xiàn)時(shí),IEC 61850過(guò)程總線(xiàn)適配器接收來(lái)自各種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的報(bào)文,由PC機(jī)建立信息映射表,以微機(jī)繼電保護(hù)裝置發(fā)送的信息類(lèi)型為基礎(chǔ),進(jìn)行信息歸類(lèi)。若微機(jī)繼電保護(hù)裝置發(fā)送電力采集信息(即模擬量),則PC機(jī)將該信息映射為SMV報(bào)文,并定時(shí)發(fā)送；若微機(jī)繼保裝置發(fā)送的是斷路器等開(kāi)關(guān)信息,則映射為GOOSE報(bào)文,PC機(jī)同時(shí)實(shí)現(xiàn)GOOSE 報(bào)文不等長(zhǎng)報(bào)文發(fā)送機(jī)制。

(2) 收到微機(jī)繼電保護(hù)裝置的信息后,通過(guò)映射方式,將微機(jī)繼電保護(hù)裝置的功能轉(zhuǎn)換成GOOSE,并通過(guò)GOOSE的不等長(zhǎng)間隔機(jī)制發(fā)送到過(guò)程總線(xiàn)的交換機(jī)。當(dāng)信息由過(guò)程總線(xiàn)流向微機(jī)繼電保護(hù)裝置時(shí),與上述轉(zhuǎn)換過(guò)程類(lèi)似,將GOOSE或SMV報(bào)文經(jīng)過(guò)過(guò)程總線(xiàn)適配器轉(zhuǎn)換為微機(jī)繼電保護(hù)裝置自定義報(bào)文形式,再由PC機(jī)通過(guò)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口將信息傳遞至微機(jī)繼電保護(hù)裝置。

(3) 工控機(jī)接收來(lái)自微機(jī)繼電保護(hù)裝置的報(bào)文,首先通過(guò)報(bào)文源地址和目的地址,判斷出發(fā)送報(bào)文的微機(jī)裝置以及報(bào)文將要發(fā)送到的目標(biāo)裝置，然后判斷報(bào)文類(lèi)型,進(jìn)而通過(guò)映射方法將其轉(zhuǎn)化為9-2LE報(bào)文和GOOSE報(bào)文。由于GOOSE報(bào)文具有特殊的重發(fā)機(jī)制,工控機(jī)將微機(jī)裝置反映開(kāi)關(guān)狀態(tài)的一次性報(bào)文,轉(zhuǎn)換為不間斷發(fā)送的GOOSE報(bào)文。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置難以研究智能變電站下繼電保護(hù)技術(shù)的現(xiàn)狀,本文提出了基于過(guò)程總線(xiàn)的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。利用該平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備與傳統(tǒng)繼保設(shè)備的融合,深入研究繼保技術(shù)在智能變電站、智能電網(wǎng)發(fā)展中的應(yīng)用,有效地將產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合起來(lái)。將該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用到本科生的科研和競(jìng)賽活動(dòng)中,取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,提升了學(xué)生的興趣和實(shí)踐動(dòng)手能力。僅2015年度,運(yùn)用該平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)品方案多項(xiàng),獲得了第八屆全國(guó)大學(xué)生節(jié)能減排大賽三等獎(jiǎng)、第一屆下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新大賽華南地區(qū)一等獎(jiǎng)、ABB全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新大賽優(yōu)秀獎(jiǎng)等各類(lèi)獎(jiǎng)項(xiàng)。

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Development on experimental platform for relay protection based on process bus

Wang Zhidong1,2, Chen Junhong1, Yuan Lüzerui1, Liu Zhenlin3, Liang Mei1, Gao Rui1, Deng Fengqiang1

(1. School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China;2. School of Electrical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510800, China; 3. Dongguan Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Corporation, Dongguan 523000, China)

In order to research the application of relay protection technology in smart substation, and according to the standard IEC 61850, the function of microcomputer protection device is reconstructed, and the process bus technology is introduced to upgrade the traditional electrical protection experimental platform. The process bus adapter by PC control is designed, and the communication problems between the devices of heterogeneous communication ports are solved. Taking GOOSE and SMV message transmission relay as an example, the application of IEC 61850 on this experimental platform is introduced, and with the aid of this experimental platform, the students can conveniently implement the experiment on the relay protection of smart substation and study the IEC61850 standards.

relay protection; experimental platform; process bus; IEC 61850

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.025

2016-06-06 修改日期：2016-07-25

廣東省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(GDJG20142042)；廣東教育教學(xué)成果獎(jiǎng)(高等教育)培育項(xiàng)目；華南理工大學(xué)本科教研教改項(xiàng)目；華南理工大學(xué)“探索性實(shí)驗(yàn)”教學(xué)項(xiàng)目

王智東(1980—)，男，廣東海豐，博士，實(shí)驗(yàn)師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的科研和教學(xué)

E-mail：zdwang@scut.edu.cn

梁梅(1981—)，女，廣西梧州，碩士，實(shí)驗(yàn)師，從事電氣工程及其自動(dòng)化的實(shí)驗(yàn)教學(xué).

E-mail：eplm@scut.edu.cn

TM724；G484

: A

: 1002-4956(2016)12-0100-04