數(shù)字化變電站過程總線通信關(guān)鍵技術(shù)研究

1、 第36卷第10期2008年10月Vol . 36No . 10Oct . 2008數(shù)字化變電站過程總線通信關(guān)鍵技術(shù)研究殷志良, 左文啟(上海電力公司超高壓輸變電公司, 200063摘要:介紹了過程總線這一新概念提出的主要前提條件, 、采樣同步、。關(guān)鍵詞:數(shù)字化變電站; I 作者簡介:, 男, , 。M62:B 文章編號:100129529(2008 1020083204Key technolog i es for process bus co mm un i ca ti on of d i g it a l subst a ti on sY I N Zhi 2liang, ZUO W en

2、2qi(Shanghai Extra H igh Voltage Power Trans m issi on Company, S MEPC, Shanghai 200063, China Abstract:Pr ocess bus communicati on is one of the key differences bet w een the digital substati on and current substa 2ti on aut omati on system. Some p reconditi ons of the p r ocess bus communicati on

3、are pointed out, and for the i m p lemen 2tati on of this ne w type communicati on, s o me key p r oble m s are analyzed, such as different standards about the trans 2m issi on of sa mp led values, synchr onizati on of the sa mp led values, and real 2ti m e and reliable trans m issi on of the tri p

4、signals .Key words:digital substati on; I EC 61850; merging unit; synchr onizati on當(dāng)前, 數(shù)字化變電站已成為變電站自動化領(lǐng)域的研究熱點。雖然對這種新型變電站尚無嚴(yán)格定義, 但一般認(rèn)為:數(shù)字化變電站是電子式互感器、智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備在I EC 61850通信協(xié)議基礎(chǔ)上分層構(gòu)建, 能夠?qū)崿F(xiàn)智能電子設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。I EC 61850按照變電站自動化系統(tǒng)所要實現(xiàn)的監(jiān)視、控制和繼電保護(hù)三大功能, 提出了信息分層的概念, 無論從邏輯上還是物理概念上, 都將數(shù)字化變電站的通信體系分為3層,

5、 即變電站層、間隔層和過程層1。按照標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展觀點, 變電站各個層次之間的聯(lián)系都將建立在串行通信的基礎(chǔ)上, 其中過程層與間隔層之間的串行通信又稱為過程總線通信。過程層和過程總線通信的提出, 是I EC 61850對過去變電站通信協(xié)議體系(如UCA2. 0 的重大突破之一, 也是數(shù)字化變電站區(qū)別于當(dāng)前變電站自動化系統(tǒng)的重要特征之一。過程總線上數(shù)據(jù)通信種類較多, 且這些數(shù)據(jù)流在不同運(yùn)行方式下有不同的傳輸響應(yīng)速度和優(yōu)先級要求, 采樣值和保護(hù)跳閘命令是其中最為重要的兩類信息。研究過程總線上這兩類信息的實時、可靠傳輸具有重要意義2。1過程總線通信實現(xiàn)的前提過程總線新概念的提出與高壓設(shè)備新技術(shù)的發(fā)展及其要

6、求是密不可分的。1. 1電子式電流/電壓互感器常規(guī)的電磁式互感器由于存在飽和、鐵磁諧振過電壓、絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點, 已越來越難以適應(yīng)電力系統(tǒng)的發(fā)展。在此背景下, 電力系統(tǒng)的科研工作者進(jìn)行了電子式互感器的研究, 并在最近幾年取得重大進(jìn)展。按照電子式互感器處于高壓的部分是否需要電源, 一般分為無源型和有源型2種。無源型電子式互感器包括基于法拉第效應(yīng)磁光變換原理和普拉克效應(yīng)電光變換原理, 其實用化需解決雙折射和光學(xué)材料溫度穩(wěn)定性問題。有源型電子式互感器包括無鐵心的空心線圈電流互感器、電阻分壓和阻容分壓的電壓互感器等。84(總12402008, 36(10 電子式互感器和保護(hù)、測控等設(shè)備一般來自于多個

7、生產(chǎn)廠商, 故設(shè)備之間數(shù)字化接口通信的標(biāo)準(zhǔn)化十分重要, 它是電子式互感器應(yīng)用于變電站自動化系統(tǒng)中亟待解決的重要問題。1. 2智能化斷路器高壓斷路器二次技術(shù)的發(fā)展趨勢是用微機(jī)、電力電子技術(shù)和新型傳感器建立新的斷路器二次系統(tǒng), 從而開發(fā)出新型智能斷路器。其主要特點是, 微機(jī)控制、, 壓波形控制跳、合閘角度、的時間; 數(shù)據(jù), ; 采用傳、分類和評估, 為設(shè)備維護(hù)、維修提供決策3。監(jiān)測信息量最大化、判定方式多樣化、綜合監(jiān)控手段和專家人工智能方法等可使故障的判定更加準(zhǔn)確和及時。采用網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù), 整體信息共享, 在開關(guān)與開關(guān)、開關(guān)與間隔層、變電站層的設(shè)備之間建立標(biāo)準(zhǔn)化的通信網(wǎng)絡(luò), 是改善和提高故障診斷和

8、狀態(tài)監(jiān)測性能的重要途徑之一。1. 3組合式開關(guān)設(shè)備與封閉式組合電器GI S 相比, 緊湊型組合式開關(guān)設(shè)備可大大節(jié)省占地面積和費(fèi)用。近幾年, 國外一些大公司均已推出此類產(chǎn)品, 具有代表性的是ABB 公司推出的插接式開關(guān)系統(tǒng)(P ASS, Plug And S witch Syste m 。P ASS 最為突出的特點的是在一次設(shè)備中采用了智能傳感器和微處理器設(shè)備, 它將一個間隔的全部設(shè)備, 如斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電流/電壓互感器等都集成在一個內(nèi)充SF 6氣體的金屬罩殼內(nèi)。所有一次的信息量通過信息接口(P I S A, Pr ocess I nterface for Sen 2s ors a

9、nd Actuat ors 與外部二次設(shè)備相連。雖然P ASS 具有很多優(yōu)點, 但由于其P I S A 采用了變電站自動化中未被廣泛接受的協(xié)議I EC 61375(MVB , 與其他廠家的保護(hù)、監(jiān)控設(shè)備接口存在規(guī)約轉(zhuǎn)換問題4, 這很大程度上限制了P ASS 的推廣。解決此問題的有效方法是使P I S A遵循I EC 61850的過程總線通信。2過程總線通信的關(guān)鍵問題分析采樣值和保護(hù)跳閘命令是過程總線通信中最為重要的兩類報文, 過程總線通信實現(xiàn)的關(guān)鍵, 從根本上而言, 還是解決這兩類報文傳輸所面臨的特殊問題。2. 1采樣值報文傳輸2. 1. 1報文內(nèi)容及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為規(guī)范電子式互感器數(shù)字化輸出, I

10、 EC6004428, 如圖1所示。、。圖1合并單元定義在I EC6004428中, 合并單元所傳輸?shù)牟蓸又祱笪膬?nèi)容主要包括12路電流、電壓信息, 以及反映采樣值是否有效的狀態(tài)信息、同步信息和設(shè)備維修信息等?！昂喜卧边@一概念在I EC61850中引用, 并在該標(biāo)準(zhǔn)的第9部分以邏輯設(shè)備(l ogic device 的形式出現(xiàn)。但是I EC61850并未完全照搬, 最大區(qū)別是:I EC6004428規(guī)范采樣值報文傳輸遵循I EC608702521的FT3格式, 鏈接服務(wù)類型為S1:SE ND /NOREP LY (發(fā)送/不回答 , 而I EC61850則采用了以太網(wǎng)。實際上, I EC6185

11、0起初推出的口號是“同一網(wǎng)絡(luò)、同一世界”, 其中同一網(wǎng)絡(luò)即指以太網(wǎng)?？紤]到站內(nèi)設(shè)備的互操作性, 建議遵循I EC61850實現(xiàn)采樣值傳輸, 但這并不意味摒棄I EC6004428, 因為后者還規(guī)范了傳感頭、電子式互感器輸出及測試等。此外, 值得注意的是:I EC61850規(guī)范了兩種采樣值傳輸映射實現(xiàn)方式, 分別在標(biāo)準(zhǔn)的921和922中定義1。兩者的根本區(qū)別在于是否支持與采樣值控制塊相關(guān)的3個服務(wù), 由于922在映射的完備性和靈活性方面均優(yōu)于921, 遵循922實現(xiàn)采樣值傳輸是發(fā)展趨勢。殷志良, 等數(shù)字化變電站過程總線通信關(guān)鍵技術(shù)研究85(總12412. 1. 2采樣同步對于采樣值同步的實現(xiàn),

12、I EC6004428提供了 2種方法:插值法和同步時鐘法, 而I EC618502921只支持時鐘同步法。圖2中, 合并單元收到外部同步時鐘輸入信號1(以下簡稱信號1 后, 給各路A /D發(fā)送同步轉(zhuǎn)換信號2(以下簡稱信號2 5。通常全站的合并單元共享信號1, 由于其頻率是1Hz, 保護(hù)測量的采樣要求, 信號2。信號2, 于距離保護(hù), 24點采樣, /s, 的頻率是1其幀格式及傳輸速率可自定義。 圖2遵循I EC61850的合并單元同步采樣值同步包含兩方面內(nèi)容:對于同一合并 單元, 它應(yīng)使其對應(yīng)的各路A /D能夠同步轉(zhuǎn)換; 對于不同合并單元, 應(yīng)使它們所發(fā)的同步信號2可以同步。后者對于各種差動

13、保護(hù)尤其重要。由此, 可以確認(rèn)采樣值同步主要包括以下3個功能:(1 快速、準(zhǔn)確、可靠的識別信號1; (2 給各路A /D發(fā)送高精度信號2; (3 異常情況處理5。圖3是通過光纖傳輸?shù)男盘?波形, 此同步信號可由GPS 接收機(jī)輸出的秒脈沖產(chǎn)生, 也可由其它精確的主時鐘產(chǎn)生。采樣值同步的同步手段不能單一, 以免因唯一的同步源(信號1 丟失而導(dǎo)致保護(hù)退出運(yùn)行。因此, 應(yīng)該考慮2種以上的同步源, 當(dāng)一種同步源丟失時能自動切換到另外的同步源。圖2中采樣值同步方法的有效性在一般情況下依賴于所接收到的秒脈沖信號正確可靠, 而此信號的獲取是通過單獨(dú)的硬接線方式實現(xiàn)的(如, 取消這種硬接線方同步, 具有重要意義

14、6。2002年底發(fā)布的I EEE1588是用于測量和自動化系統(tǒng)中的高精度網(wǎng)絡(luò)時鐘同步協(xié)議, 能夠達(dá)到亞微秒級同步精度?；贗 EEE1588實現(xiàn)過程總線采樣值同步具有良好應(yīng)用前景6。2. 2跳閘命令的傳輸針對變電站自動化功能的分布式實現(xiàn), I EC61850定義了面向通用對象的變電站事件(G OOSE 模型。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了間隔閉鎖和跳閘信號傳輸均通過G OOSE 報文傳輸實現(xiàn)。2. 2. 1GOO S E 報文傳輸?shù)膶崟r性跳閘命令傳輸?shù)目焖傩詫ο到y(tǒng)穩(wěn)定是大有益處的, I EC6185025規(guī)定G OOSE 報文傳輸延遲不得超過4m s。圖4G OOSE 報文傳輸?shù)膮f(xié)議堆棧為實現(xiàn)G OOSE 報文的

15、實時傳輸, 必須對協(xié)議堆棧傳輸進(jìn)行優(yōu)化, 與其它報文(如事件記錄、報告等 傳輸映射實現(xiàn)不同, G OOSE 報文的映射實現(xiàn)不經(jīng)TCP /I P 協(xié)議, 而僅僅只用了國際標(biāo)準(zhǔn)化組織開放系統(tǒng)互聯(lián)(I S O /OSI 中的4層, 即由應(yīng)用層傳輸表示層(AS N. 1編碼 后, 直接映射到底層(數(shù)據(jù)鏈路層和物理層 , 如圖4所示。在數(shù)據(jù)鏈路層中, 為了提高報文傳輸速度, 采用了I EC802. 1Q, 在數(shù)據(jù)中增加了優(yōu)先級內(nèi)容。為保證跳閘命令傳輸?shù)膶崟r性, 實際應(yīng)用中86(總12422008, 36(10 應(yīng)注意以下幾點:(1 構(gòu)建過程總線通信網(wǎng)絡(luò)時, 必須采用支持優(yōu)先級和虛擬局域網(wǎng)(VLAN 功能

16、的交換機(jī)?？紤]到過程層設(shè)備所處的惡劣電磁環(huán)境, 交換機(jī)應(yīng)是工業(yè)級的。(2 除了保護(hù)跳閘命令傳送采用G OOSE 報文外, 開關(guān)位置信號、一次設(shè)備狀態(tài)信號也同樣采用G OOSE 報文。因此在應(yīng)用I EEE802. 1Q 時, 對這些報文采用不同的優(yōu)先級, G OOSE , 優(yōu)先級。次高級, 狀態(tài)信號7。2. 2. 2GOO S E 報文傳輸?shù)目煽啃杂捎贕 OOSE 報文不經(jīng)T CP /I P 協(xié)議, 必須采取其它措施加強(qiáng)其可靠性。一個重要策略是重發(fā)機(jī)制。如圖5所示, 雖然G OOSE 報文傳輸是觸發(fā)機(jī)制, 但出于可靠性考慮, 即使外部狀態(tài)不再變化, 也應(yīng)重發(fā), 只是重發(fā)間隔逐漸拉長。 T 0:穩(wěn)

17、定狀態(tài)下報文重發(fā)(長時間內(nèi)無事件發(fā)生 ;(T 0 :由于事件發(fā)生導(dǎo)致時間間隔變短;T 1:事件發(fā)生后最短的重發(fā)時間間隔; T 2, T 3:重發(fā)直到再次回到穩(wěn)定狀態(tài);圖5G OOSE 報文傳輸時間此外, 還需注意以下幾點以加強(qiáng)報文傳輸?shù)目煽啃?(1 報文中應(yīng)攜帶“報文存活時間”(T AL 2Ti m e A ll owed t o L ive 和數(shù)據(jù)品質(zhì)等參數(shù)。如果接收端在2T AL 時間內(nèi)未收到任何報文(網(wǎng)絡(luò)中2個連續(xù)幀丟失 , 此時接收端認(rèn)為后續(xù)報文均是錯誤的。(2 精心設(shè)計網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無論星形網(wǎng)或環(huán)形網(wǎng), 都可傳輸G OOSE 報文, 些, , 。實(如需, I E D 、數(shù)據(jù)通信量多VL

18、AN 的劃分8。隨著過程層一次設(shè)備的智能化、數(shù)字化和集成化, 采用數(shù)據(jù)和信息的集中采集模式, 并基于I EC 61850建設(shè)過程層通訊網(wǎng)絡(luò), 實現(xiàn)過程總線上數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳送, 不同功能信息共享, 這已經(jīng)成為可能。本文針對過程總線上采樣值和跳閘命令這兩類最為重要的信息, 對采樣同步、跳閘命令實時和可靠傳輸?shù)汝P(guān)鍵問題進(jìn)行了較深入分析, 望能為過程總線通信的實用化作出一些貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn):1I EC 61850Communicati on net w orks and syste m in substa 2ti ons . 2005.2殷志良. 基于I EC 61850的變電站過程總線通信的研究D.北京:華北電力大學(xué), 2005.3林莘. 現(xiàn)代高壓電器技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.4孔偉彬. 采用ABB 公司的P ASS 一次設(shè)備與國產(chǎn)二次設(shè)備的接口問題J .繼電器, 2001, 29(19 :59262. 5殷志良, 劉萬順, 楊奇遜, 等. 一種遵循