智能變電站通信

智能變電站通信技術(shù)及其他 國電南自電網(wǎng)分公司 數(shù)字化變電站事業(yè)部 郭 樂 Tel13851619009 F 我的名片 主要內(nèi)容 IEC 61850與以太網(wǎng) 以太網(wǎng)交換技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)方案 其他問題 以太網(wǎng) 以太網(wǎng)（ Ethernet） o 以太網(wǎng)不是一種具體的網(wǎng)絡(luò)，是一種技術(shù)規(guī)范 o 由 Xerox公司創(chuàng)建并由 Xerox， Intel和 DEC公司聯(lián)合開發(fā)的局域網(wǎng)規(guī)范，后來被 IEEE作為 802.3標(biāo)準(zhǔn)所采納 o 典型特征：使用 CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測 )技術(shù) o 共享式以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng) IEC 61850與以太網(wǎng) o IEC 61850特點：應(yīng)用與通信相分離 o IEC 61850特定通信服務(wù)映射 IEC 61850-8-1：在 8802.3上映射到 MMS IEC 61850-9-1：基于串行單方向多路點對點鏈接的采樣值傳輸 IEC 61850-9-2：基于 8802.3上的采樣值傳輸 IEC 61850在以太網(wǎng)協(xié)議棧映射 電站環(huán)境 發(fā)電廠 中壓 /高壓變電站 電磁場 靜電釋放 高頻瞬態(tài)電流 高能電涌 接地故障引起地電勢升高 天氣變化 : 溫度和濕度 地震 / 振動 空氣污染 : 灰塵 , 金屬塵埃 , 凝露 , 太陽幅射 電站環(huán)境的 EMI和環(huán)境特點 變電站和電站中的 EMI 現(xiàn)象 連續(xù)現(xiàn)象 幅射干擾 傳導(dǎo)干擾 電源頻率，電磁場 緩慢的電壓變化 諧波和間諧波 直流電源紋波 電壓周期變化 瞬態(tài)現(xiàn)象 (高發(fā)生率 ) 靜電釋放 電壓突降 雷電沖擊 高壓開關(guān)切換 （操作沖擊 ） 無功負(fù)載切換 瞬態(tài)現(xiàn)象 (低發(fā)生率 ) 電源頻率變化 電源系統(tǒng)故障 Short Duration Power Freq. Magnetic Fields 變電站和電廠環(huán)境中的設(shè)備必須能克服連續(xù)和瞬態(tài)的 EMI現(xiàn)象。 通信標(biāo)準(zhǔn) IEEE 1613 (2003) “Standard Environmental and Testing Requirements for Communications Networking Devices in Electric Power Substations” 變電站中通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境和測試要求 IEC 61850-3 (2002) “Communications networks and systems in substations” 變電站中的通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng) IEC 61850-3: 抗電磁干擾 T E S T T e s t L e v e l s S e v e r i t y L e v e l s+ / - 6 k V 3+ / - 8 k V 3 I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 3 1 0 V / m 3+ / - 4 k V 2 . 5 k H z x+ / - 4 k V 4+ / - 4 k V 4+ / - 4 k V 4+ / - 4 k V l i n e - t o - e a r t h , + / - 2 k V l i n e - t o - l i n e 4+ / - 2 k V l i n e - t o - e a r t h , + / - 1 k V l i n e - t o - l i n e 3+ / - 4 k V l i n e - t o - e a r t h , + / - 2 k V l i n e - t o - l i n e 410V 310V 310V 310V 3I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 8 4 0 A / m c o n t i n u o u s , 1 0 0 0 A / m f o r 1 s N / A3 0 % f o r 0 . 1 s , 6 0 % f o r 0 . 1 s , 1 0 0 % f o r 0 . 0 5 s N / A3 0 % f o r 1 p e r i o d , 6 0 % f o r 5 0 p e r i o d s N / AI E C 6 1 0 0 0 - 4 - 1 1 1 0 0 % f o r 5 p e r i o d s , 1 0 0 % f o r 5 0 p e r i o d s2N / A2 . 5 k V c o m m o n , 1 k V d i f f e r e n t i a l m o d e 1 M H z 32 . 5 k V c o m m o n , 1 k V d i f f e r e n t i a l m o d e 1 M H z 32 . 5 k V c o m m o n , 1 k V d i f f e r e n t i a l m o d e 1 M H z 33 0 V C o n t i n o u s , 3 0 0 V f o r 1 s 43 0 V C o n t i n o u s , 3 0 0 V f o r 1 s 4I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 1 7 10% 3D e s c r i p t i o nESDE n c l o s u r e C o n t a c tE n c l o s u r e A i rI E C 6 1 0 0 0 - 4 - 5 S u r g eS i g n a l p o r t sD . C . P o w e r p o r t sA . C . P o w e r p o r t sI E C 6 1 0 0 0 - 4 - 6 I n d u c e d ( C o n d u c t e d ) R F IS i g n a l p o r t sD . C P o w e r p o r t sA . C . P o w e r p o r t sE a r t h g r o u n d p o r t s3M a g n e t i c F i e l d E n c l o s u r e p o r t sR i p p l e o n D . C . P o w e r S u p p l y D . C . P o w e r p o r t sD . C . P o w e r p o r t sV o l t a g e D i p s & I n t e r r u p t sD . C . P o w e r p o r t sA . C . P o w e r p o r t sI E C 6 1 0 0 0 - 4 - 2 9A . C . P o w e r p o r t sD . C . P o w e r p o r t sI E C 6 1 0 0 0 - 4 - 1 2 D a m p e d O s c i l l a t o r yS i g n a l p o r t sS i g n a l p o r t sI E C 6 1 0 0 0 - 4 - 1 6 M a i n s F r e q u e n c y V o l t a g eE a r t h g r o u n d p o r t s3B u r s t ( F a s t T r a n s i e n t )I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 4U T I L I T Y I E C 6 1 8 5 0 - 3 ( 6 1 0 0 0 - 6 - 5 ) C o m m u n i c a t i o n s N e t w o r k s a n d S y s t e m s I n S u b s t a t i o n s ( J a n 2 0 0 2 )R a d i a t e d R F I E n c l o s u r e p o r t sS i g n a l p o r t sD . C . P o w e r p o r t sA . C . P o w e r p o r t s I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 2 變電站環(huán)境抗電磁干擾的要求 比工業(yè)環(huán)境抗電磁干擾的水平更高 按照繼電保護 IED（智能電子設(shè)備）的要求進(jìn)行測試 IEC 61850-3: 性能 C on t i no us ph e no m e naTra ns i e nt ph e no m e naw i t h hi gh oc c ura nc eTra ns i e nt ph e no m e naw i t h l ow oc c ura nc ePr o te c ti o n a n d te l e p r o te c ti o nO n- l i ne proc e s s i ng a ndr e gu l a t i onM e t e r i ngC om m a nd a nd C on t r ol S h o r t d e l a yS up e r v i s i onT e m p o r a r y l o s s , s e l fr e c o v e r e dM a n- m a c hi ne i nt e r f a c e S t o p a n d r e s e tA l a r mD a t a t r a ns m i s s i on a ndt e l e c om m un i c a t i onN o l o s s , p o s s i b l e b i te r r o r r a t e d e g r a d a t i o nT e m p o r a r y l o s sD a ta a c q u i s i ti o n a n d s to r a g eM e a s ure m e ntO f f - l i ne proc e s s i ng T e m p o r a r y d e g r a d a t i o n T e m p o r a r y l o s s a n d r e s e tP a s s i v e m on i t ori ng T e m p o r a r y d e g r a d a t i o n T e m p o r a r y l o s sS e l f - di a gn os i sI E C 6 1 0 0 0 - 6 - 5 T a b l e 7 - P e r f o r m a n c e C r i t e r i a f o r t h e m o s t r e l e v a n t f u n c t i o n s( i n de s c e nd i ng orde r of c r i t i c a l i t y )T e m p o r a r y d e g r a d a t i o n , s e l f r e c o v e r e dT e m p o r a r y l o s s , s e l f r e c o v e r e dFu nc t i on a l r e qu i r e m e nt s v e r s us e l e c t r om a gn e t i c ph e no m e naFu nc t i on sS h o r t d e l a y , t e m p o r a r y w r o n g i n d i c a t i o nT e m p o r a r y d e g r a d a t i o n* * N o D e l a y s o r D a ta L o s s * *IEC 61850-3 環(huán)境指標(biāo) 四類應(yīng)用場合 : 1.Class A: 空調(diào)環(huán)境 (室內(nèi) ) 2.Class B: 帶加熱和冷卻的密閉空間 3.Class C: 室內(nèi)無空調(diào)環(huán)境 4.Class D: 室外環(huán)境 Class C 工作溫度范圍 : 1.Class C1: -5 to +45 C 2.Class C2: -25 to +55 C 3.Class C3: -40 to +70 C 4.Class Cx: 特殊范圍 (取決于制造商 ) 光纖 vs. 銅纜 : EPRI研究 EPRI 對 UCA(用戶通訊結(jié)構(gòu) )采用的銅纜的研究(1997) 變電站中常見的 EMI現(xiàn)象產(chǎn)生的瞬態(tài)過程對屏蔽和非屏蔽五類線的影響 結(jié)果表明，出現(xiàn)很大的數(shù)據(jù)幀丟包率 : 32% 1kV 66% 2kV 75% -2kV 結(jié)論 在不允許發(fā)生通信故障的實時控制應(yīng)用中需要采用光纖 主要內(nèi)容 IEC 61850與以太網(wǎng) 以太網(wǎng)交換技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)方案 其他問題 IEC 61850交換機的網(wǎng)絡(luò)管理功能 o 重要 優(yōu)先級和 VLAN(802.1p/Q) GMRP (Generic Multicast Registration Protocol)組播自動配置 o 不重要 IGMP (Internet Group Messaging Protocol) Snooping 鏈接聚合 (IEEE 802.3ad) 三層交換 o 可選 網(wǎng) 絡(luò)狀態(tài)顯示 , 統(tǒng)計 , 故障分析功能 (SNMP) Rapid Spanning Tree (IEEE 802.1w) 用于容錯環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu) IEEE 802.1p 優(yōu)先級 Class of Service (CoS) Quality of Service（ Qos） 高優(yōu)先級數(shù)據(jù)優(yōu)先通過 多個出口數(shù)據(jù)隊列，較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)可以先被發(fā)送 對實時數(shù)據(jù)（如聲音 /GOOSE），減少抖動和網(wǎng)絡(luò)延遲 與 802.1Q VLAN共享標(biāo)簽字節(jié) 1 2 2 2 1 2 2 1 1 組播處理 重要性 :過程層通信 (GOOSE和采樣值 )均依賴組播！ 裝置組播過濾方案 o 普通交換機把組播向所有端口轉(zhuǎn)發(fā)（當(dāng)廣播處理） o 以太網(wǎng)卡硬件依靠 Hash算法進(jìn)行過濾 o 很可能誤收?。?8-1附錄 B、 9-2附錄 C） 用 VLAN來劃分組播 o 手工劃分廣播域（繁瑣且不便管理） 自動組播管理協(xié)議 o IGMP只適用于 IP組播，對 GOOSE、 SMV不適用 o GMRP二層組播管理協(xié)議，唯一可用！ VLAN (802.1Q) Virtual LAN: 一個獨立的以太網(wǎng)，它與其它網(wǎng)絡(luò)共用相同的硬件 每個 VLAN作為一個獨立的廣播域 邏輯分割而非物理分割 劃分原則：基于端口、 MAC地址、 IP地址 裝置和交換機都需要配置 IEEE 802.1Q 標(biāo)準(zhǔn)定義了 tagged幀格式 VLAN示意圖 21 GMRP GARP Multicast Registration Protocol GARP的一個具體應(yīng)用 報文格式為 802格式 兩個組播地址： GMRP用地址、用戶用地址 二層組播協(xié)議 22 要接收某個組數(shù)據(jù)的設(shè)備需發(fā)送Declaration 組播數(shù)據(jù)發(fā)送者、轉(zhuǎn)發(fā)者需 Register 轉(zhuǎn)發(fā)者重新組織發(fā)送 Declaration 長時間無 Declaration時會終止組播的發(fā)送 組播運作步驟 23 組播數(shù)據(jù)流 24 共享網(wǎng)絡(luò)可以直接監(jiān)視數(shù)據(jù)幀 交換網(wǎng)絡(luò)無法直接監(jiān)視數(shù)據(jù)，必須開啟。 可以分別監(jiān)視輸入、輸出 PORT MIRRORING 25 PORT MIRRORING 26 端口速率限制是后備保護 可以限制所有、廣播、組播 使用時需要計算、估算數(shù)據(jù)流，避免干擾正常通信 PORT RATE LIMITATION 主要內(nèi)容 IEC 61850與以太網(wǎng) 以太網(wǎng)交換技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)方案 其他問題 IEC 61850組網(wǎng)原則 IEC 61850: 要使用者根據(jù)可行性、可靠性和重要性等因素綜合分析！ 站控間隔層網(wǎng)絡(luò) o 功能和綜自站相同 o 多套用成熟方案（國外單環(huán)網(wǎng)，國內(nèi)單 /雙星） 過程層網(wǎng)絡(luò) o 目前尚無定論 o 組網(wǎng) vs 點對點 o 采樣值、 GOOSE、采樣同步、 MMS，誰和誰合？ o 是否采取雙網(wǎng)？ 環(huán)網(wǎng)和星型網(wǎng)對比 交換機環(huán)網(wǎng) : 利用 RSTP協(xié)議，交換機之間通過帶內(nèi)管理報文獲得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，決定冗余鏈路在何處解環(huán)。 環(huán)型網(wǎng)絡(luò)（國外應(yīng)用較多） o 具有一定的冗余特性（對隨機性的數(shù)據(jù)流效果較好） o 有因為交換機軟件 bug導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的風(fēng)險 IED IED IED IED 需要采用 RSTP 實現(xiàn)備用連接 IED冗余接線增強網(wǎng)絡(luò)彈性 環(huán)網(wǎng)和星型網(wǎng)對比（續(xù)） 星型網(wǎng)絡(luò)（國內(nèi)應(yīng)用較多） o 簡單、經(jīng)濟、可靠，無冗余鏈路不會造成廣播風(fēng)暴 o 和變電站的主接線及數(shù)據(jù)流天然一致 o 冗余需采用雙套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，且需設(shè)備支持 IED IED IED IED 多級星型網(wǎng) 通信帶寬 16個間隔，極限情況為 30M 站控層 GOOSE和 MMS共網(wǎng) 2009年，點對點方案 GOOSE網(wǎng)絡(luò) 單網(wǎng)雙網(wǎng)之爭 o 裝置單網(wǎng)： 單網(wǎng)單源 網(wǎng)絡(luò)隨設(shè)備雙重化 簡單清晰，雙重化系統(tǒng)間無公共耦合 o 裝置雙網(wǎng)： 雙網(wǎng)單源 利用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)雙重化：實現(xiàn)特殊應(yīng)用需求 多一倍網(wǎng)絡(luò)投資，實際增加了故障點 GOOSE網(wǎng)絡(luò) 秒脈沖（ PPS）采樣同步網(wǎng) o 必須在過程層構(gòu)建獨立的采樣同步網(wǎng)，增加了設(shè)備投資。同時增加了故障發(fā)生點，降低了系統(tǒng)的整體可靠性指標(biāo)； o 不同廠家的合并單元對秒脈沖的處理機制不同會產(chǎn)生誤差； o 該同步機制只能做到相對時間同步，不能做到絕對時間的對時，因此合并單元的數(shù)據(jù)不能被某些需要絕對時間標(biāo)簽的裝置使用，比如 PMU。 采樣同步網(wǎng) IEEE 1588 精密對時協(xié)議 o 硬件對時精度在 ns級別，滿足計量需要； o 與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)合一，減少了故障點，增加了系統(tǒng)的 可靠性 o 支持絕對時間； o 與 GPS信號的配合關(guān)系； o 保護、測控裝置不需要采用硬件 1588對時，光纖縱差保護除外。 采樣同步網(wǎng) 過程層合網(wǎng)的可能性 采樣值、 GOOSE、采樣同步三網(wǎng)合一將大大提高系統(tǒng)可靠性。 IEC 60044-8/FT3實際上是采樣值和采樣同步合網(wǎng) GOOSE和采樣值合網(wǎng) o 帶寬上具有可行性 (穩(wěn)定流量和突發(fā)性流量配合 ) o 降低了成本 o 9-2可采用 48點 /周波供保護測控， 9-1用 200點 /周波點對點供計量 o 9-2、 48點 /周波， 16回達(dá)到 80Mbit/s 以太網(wǎng)時鐘 同步與采樣網(wǎng)合一 o IEEE 1588v2，硬件參與， ns級對時，滿足計量要求 o 提高了采樣數(shù)據(jù)的可靠性 數(shù)字化 /智能變 電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) I 變電站層設(shè)備間隔層設(shè)備間隔 1間隔層設(shè)備間隔 2間隔層設(shè)備間隔 N.互感器間隔 1.開關(guān)間隔 1互感器間隔 2開關(guān)間隔 2互感器間隔 N開關(guān)間隔 N100 M 交換以太網(wǎng)100 M 交換以太網(wǎng)100 M 交換以太網(wǎng)母差等跨間隔的間隔層設(shè)備100 M 交換以太網(wǎng)100 M / 10 M 交換以太網(wǎng)變電站層設(shè)備間隔層設(shè)備過程層設(shè)備站控間隔層網(wǎng)絡(luò)過程層網(wǎng)絡(luò)藍(lán)色線 ： 雙絞線以太網(wǎng)黑色線 ： 光纖以太網(wǎng)各種連線顏色示例 ：綠色線 ： 光纖 （ FT 3 協(xié)議 ）數(shù)字化 /智能 變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) II 數(shù)字化 /智能 變電站過程層網(wǎng)絡(luò) III 數(shù)字化變電站過程層網(wǎng)絡(luò) 計量數(shù)據(jù) 帶寬 保護數(shù)據(jù) 帶寬 GOOSE 帶寬 保護裝置 帶寬 MU 帶寬 線路間隔 15M 12M 2.4 14.4M 21M 主變大間隔 15M 18M 6M 24M 21M 母線保護 （ 12個單元） 82M 30M 112M 過程層通信帶寬 o 采用 GMRP技術(shù)； o 保護數(shù)據(jù)為 80點、計量數(shù)據(jù) 200點； o GOOSE考慮極端情況 主要內(nèi)容 IEC 61850與以太網(wǎng) 以太網(wǎng)交換技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)方案 其他問題 非常規(guī) CT對保護裝置的影響 o 互感器特性對保護的影響； o 由于各通信環(huán)節(jié)的可靠性問題帶來的保護影響； o 不同保護對采樣同步的依賴性區(qū)別； o IEC 61850檢修狀態(tài)的影響 o 保護試驗的方案 技術(shù)層次的影響 互感器特性對保護的影響 o 電子式互感器暫態(tài)電流型式試驗情況； o 互感器對一次電流的還原程度； * 硬件積分：固有角差、離散度 * 軟件積分：收斂性、去直流特性 o 采樣點數(shù) +截至頻率：抗混疊的問題； 技術(shù)層次的影響 C-0.12s-O-0.45s-C-0.