數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)展

0網(wǎng)絡(luò)二次系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)過10多年的開發(fā)，整個變電站自動化系統(tǒng)已經(jīng)成熟，并在工程應(yīng)用上得到了廣泛的應(yīng)用。隨著IEC61850通信建模標準的頒布實施和光電互感器技術(shù)、智能開關(guān)技術(shù)、計算機通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,變電站自動化技術(shù)進入了數(shù)字化變電站時代,可以認為是繼微機保護替代傳統(tǒng)繼電器保護后的新一輪技術(shù)革命,從某種角度講,其影響和意義比上次技術(shù)革命還要深遠。目前國內(nèi)外對數(shù)字化變電站的技術(shù)應(yīng)用側(cè)重點有所差異:國外由于電子互感器技術(shù)和智能開關(guān)技術(shù)在IEC61850推出之前已經(jīng)得到應(yīng)用,所以其應(yīng)用主要集中在滿足IEC61850標準的設(shè)備間互連及互操作;國內(nèi)則更側(cè)重于過程層的建設(shè),因為這樣更容易看到成效,如大量節(jié)省二次電纜,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊,節(jié)省占地等。曾有技術(shù)文獻介紹基于分布式網(wǎng)絡(luò)的母線保護功能實現(xiàn),但要么不是基于IEC61850實現(xiàn),要么只是一個單保護裝置的實現(xiàn),都沒有從系統(tǒng)化的角度對網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)做出論述。也有技術(shù)從數(shù)字化變電站過程層組網(wǎng)的角度介紹了數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),但沒有對網(wǎng)絡(luò)化二次功能的實現(xiàn)進行展開介紹。本文在國內(nèi)外數(shù)字化變電站已有先進技術(shù)的基礎(chǔ)上,創(chuàng)造性地提出了變電站網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)的概念,將虛擬網(wǎng)VLAN(VirtualLocalAreaNetwork)技術(shù)首次在數(shù)字化變電站中應(yīng)用,并和IEC61850的GOOSE通信傳輸機制、SMV采樣值傳輸機制一起實現(xiàn)了各種網(wǎng)絡(luò)化的保護、控制、計量等二次功能,新的技術(shù)實現(xiàn)方式較傳統(tǒng)方式更加可靠和靈活,利用已有網(wǎng)絡(luò)資源,還易于實現(xiàn)各種擴展應(yīng)用功能。本文給出了變電站網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)的總體技術(shù)方案和主要關(guān)鍵技術(shù)的闡述,并在對這些關(guān)鍵技術(shù)進行了創(chuàng)新應(yīng)用的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了多項創(chuàng)新應(yīng)用功能。本文最后還結(jié)合某采用變電站網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)技術(shù)的數(shù)字化變電站工程項目,對其實際工程實施情況,社會經(jīng)濟綜合效益情況等進行了量化說明。1數(shù)字化變電站技術(shù)目前無論國外還是國內(nèi),對符合IEC61850的數(shù)字化變電站的研究、工程試點都是熱點,典型工程應(yīng)用如新寧光電公司在云南曲靖實施的110kV翠峰數(shù)字化變電站,重點實現(xiàn)了采用值的點對點傳輸,取消了采集電纜;南瑞公司在浙江外陳變重點實現(xiàn)了國內(nèi)外多個廠家(八家)的IEC61850設(shè)備的互連。但總體說來,這些技術(shù)應(yīng)用多是集中在站控層和間隔層部分的IEC61850-8-1通信實現(xiàn),或者是過程層采用點對點的串行光纖以太網(wǎng)連接,實現(xiàn)采樣值的數(shù)字化傳輸。歸納起來現(xiàn)有的數(shù)字化變電站技術(shù)水平具有下列特征:1)系統(tǒng)采用國際通用的變電站自動化IEC61850標準規(guī)約;2)用光電互感器取代常規(guī)電磁型互感器;3)用光纜取代了二次電纜;4)為斷路器等一次設(shè)備增加智能接口單元使之具有智能化特征。總體說來只是實現(xiàn)了數(shù)字化變電站的基本功能特點,并未進行更加深入的研究。真正基于GOOSE通信傳輸機制的網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)上進行深層次技術(shù)應(yīng)用的還未見到。2過程層網(wǎng)絡(luò)方式網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)采用數(shù)字化變電站三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),具體包括過程層、間隔層、站控層。各層及同層設(shè)備之間采用變電站通用的IEC61850標準通信規(guī)約,系統(tǒng)層間采用光纖以太網(wǎng)通信,各設(shè)備間采用光纖連接。在過程層,在目前常用的點對點串行廣播通信方式基礎(chǔ)上,通過采用簡潔的過程層網(wǎng)絡(luò)總線模式實現(xiàn)過程層設(shè)備(如PT、CT、斷路器等受控設(shè)備智能終端)間的數(shù)據(jù)共享、信息互通、即插即用。在間隔層,裝置通過過程層總線獲取過程層設(shè)備GOOSE信息實現(xiàn)對過程層的設(shè)備控制互鎖及互操作功能,圖1給出了網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。過程層網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)互聯(lián)互操作,各種操作與閉鎖命令等信息以IEC61850GOOSE標準格式傳送,以網(wǎng)絡(luò)方式實現(xiàn)保護聯(lián)跳、備自投等功能。取消專用的備自投裝置以及保護聯(lián)跳回路的硬件接線,借助于網(wǎng)絡(luò),通過備自投功能模塊所在裝置實現(xiàn),裝置直接從站層網(wǎng)絡(luò)采集母線的電壓、分接頭位置、開關(guān)刀閘位置等數(shù)據(jù),根據(jù)運行策略和當前的狀態(tài)決定母聯(lián)分段投切。3主要技術(shù)3.1vla劃分原則VLAN這一新興技術(shù)主要應(yīng)用于交換機和路由器中,但目前主流應(yīng)用還是在交換機之中。不過不是所有交換機都具有此功能,只有三層以上交換機才具有此功能。VLAN技術(shù)還支持IEEE802.1P優(yōu)先級,按照COS(ClassOfService)來使高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)優(yōu)先通過,保證數(shù)據(jù)的實時性。本文首次在數(shù)字化變電站中采用VLAN技術(shù),將局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備按網(wǎng)絡(luò)化保護功能邏輯劃分成若干個網(wǎng)段,保證了控制網(wǎng)段的實時性和安全性,并減少了網(wǎng)絡(luò)流量,降低了網(wǎng)絡(luò)負載,實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的安全隔離,提高了通信效率。遵循IEC61850標準中對過程層通信網(wǎng)絡(luò)的要求及變電站實際運行情況,采用如下的VLAN劃分原則:(1)按照間隔劃分這是最基本的劃分方法,每個間隔劃成一個VLAN。如果10kV線路的間隔比較多(例如50多個),而所用交換機支持的最大VLAN個數(shù)又比較有限(例如RuggedCom是64個),也就是說如果最后的總間隔數(shù)大于交換機所能支持的最大VLAN數(shù),可以將多個10kV間隔劃成一個VLAN,或者將一個10kV母線上的所有間隔劃成一個VLAN,以滿足交換機的性能要求。(2)按照特殊功能實現(xiàn)劃分數(shù)字化變電站使得系統(tǒng)間隔層原有的很多功能實現(xiàn)方式發(fā)生了重大變化,這些功能包括:備自投,低頻減載,低壓母線保護,主變差動保護,母線PT測控功能,防誤閉鎖等。為實現(xiàn)這些功能而進行VLAN劃分的基本依據(jù)就是將各相關(guān)過程層設(shè)備,如合并器,智能接口等和間隔層設(shè)備劃分到一個VLAN內(nèi),使得他們之間的信息交互可以通過過程層網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。各間隔交換機通過過程層主干交換機環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)配置的VLAN間的數(shù)據(jù)共享。圖2給出了采用了網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)技術(shù)的某數(shù)字化變電站的VLAN劃分示意圖。3.2vlan技術(shù)在變電站的應(yīng)用在數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)中,智能電子設(shè)備協(xié)同完成自動化功能的應(yīng)用場合越來越多,這些功能得以完成的重要前提是眾多電子智能設(shè)備之間通信的可靠性和實時性,為此,IEC61850標準體系中定義了通用變電站事件模型(GSE),它提供了快速和可靠的系統(tǒng)范圍內(nèi)傳輸輸入、輸出數(shù)據(jù)值?；诜植嫉母拍?GSE提供了一個高效的方法,利用多播/廣播服務(wù)向多個設(shè)備同時傳輸同一個通用變電站事件信息。GOOSE還提供了高效的信息優(yōu)先級及超時重傳機制,保證了信息傳輸?shù)膶崟r性。GSE用于DataAttribute集合值的交換,定義了兩種控制類和兩種報文結(jié)構(gòu):1)面向通用對象的變電站事件(GOOSE)支持由DataSet組成的公共數(shù)據(jù)的交換。2)通用變電站狀態(tài)事件(GSSE)傳輸狀態(tài)變化信息。在實際的產(chǎn)品應(yīng)用中,GOOSE通常用來實現(xiàn)間隔層設(shè)備間的快速信息傳遞,如狀態(tài)變化信息,跳合閘命令信息,操作邏輯聯(lián)閉鎖信息等,用以實現(xiàn)間隔層設(shè)備間通信,防誤閉鎖,網(wǎng)絡(luò)化業(yè)務(wù)功能,通過智能接口實現(xiàn)跳合閘等功能。GOOSE技術(shù)應(yīng)用解決方案是數(shù)字化變電站的亮點之一,它大量減少了裝置之間、控制屏之間硬連接線,使得I/O點配置和二次功能實現(xiàn)非常靈活。將VLAN技術(shù)用在變電站的GOOSE應(yīng)用中可以很好地實現(xiàn)間隔層設(shè)備在共享物理網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)分組,便于GOOSE信息的快速傳遞,有效避免網(wǎng)絡(luò)阻塞,提高網(wǎng)絡(luò)通信效率和信息的安全性。在本文的網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)中,將GOOSE通信傳輸機制應(yīng)用得淋漓盡致,恰到好處,實現(xiàn)了各種網(wǎng)絡(luò)化的快速信息傳輸和跳合閘操作,并基于此實現(xiàn)了多項二次應(yīng)用功能。3.3實現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化二次功能的技術(shù)支撐網(wǎng)絡(luò)化保護及控制技術(shù),就是采用數(shù)字化變電站中特有的過程層GOOSE機制、間隔層GOOSE機制,實現(xiàn)常規(guī)綜自站很難實現(xiàn),或依靠專用設(shè)備實現(xiàn)的保護及控制功能。網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)中對于GOOSE網(wǎng)絡(luò)機制的應(yīng)用體現(xiàn)在兩個方面:間隔層GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸和過程層網(wǎng)絡(luò)傳輸。采用間隔層GOOSE網(wǎng)絡(luò)機制,實現(xiàn)了變電站間隔層二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化信息交互,為變電站網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)各種應(yīng)用功能的實現(xiàn)提供了根本的技術(shù)支撐。采用過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)機制,實現(xiàn)了設(shè)備跳合閘命令信息的GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸,保證了網(wǎng)絡(luò)化保護動作的快速性和可靠性。圖3給出了基于GOOSE機制的網(wǎng)絡(luò)化保護控制技術(shù)示意圖。網(wǎng)絡(luò)化控制保護功能包括網(wǎng)絡(luò)化低頻低壓減載功能、網(wǎng)絡(luò)化備自投功能、網(wǎng)絡(luò)化母線保護功能、網(wǎng)絡(luò)化間隔層五防功能等,所有網(wǎng)絡(luò)化保護控制出口均采用基于GOOSE機制的跳合閘技術(shù),即跳合閘命令通過過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)到智能接口單元,實現(xiàn)跳合閘操作。3.4提高系統(tǒng)時鐘同步意識數(shù)字化變電站系統(tǒng)中,從過程層電子互感器輸出的數(shù)字信號直接通過光纖以太網(wǎng)送到間隔層測控設(shè)備,大量減少了二次電纜的鋪設(shè),并且通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)字化信息的單點發(fā)送,多點共享。這給變電站自動化系統(tǒng)帶來了革命性的變化的同時,也引入了一個新問題:電子互感器的同步采樣問題,同步采樣對故障判斷和系統(tǒng)穩(wěn)定分析及控制具有重要意義。此問題在傳統(tǒng)的電纜方式下不存在,而這些數(shù)字化的信息恰恰是數(shù)字化系統(tǒng)信息處理的根基,所以時鐘同步技術(shù)是數(shù)字化變電站必須要解決的重大技術(shù)問題之一。IEC61850標準體系中對系統(tǒng)的時鐘同步有著明確的要求:通過開放的通信網(wǎng)絡(luò)體系,采用NTP/SNTP(網(wǎng)絡(luò)對時協(xié)議)實現(xiàn)全站時鐘同步。在網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)的設(shè)備時鐘同步方案中,借鑒了西門子高壓直流輸電系統(tǒng)的時鐘同步技術(shù)解決方案,采用了“對時脈沖+SNTP”相互配合的方式,包括兩部分:1)站控層和間隔層對時2)過程層對時在具體的工程實施過程中,根據(jù)工程特點,網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)提供了三種實現(xiàn)模式,這里給出其中的一種實現(xiàn)模式,如圖4所示。圖4中,在主控室設(shè)置時鐘同步屏,安裝GPS時鐘裝置源設(shè)備、主備切換設(shè)備、電光轉(zhuǎn)換設(shè)備、光脈沖擴展設(shè)備;在各間隔小室,安裝光電轉(zhuǎn)換設(shè)備、電光轉(zhuǎn)換設(shè)備、光脈沖擴展設(shè)備。主控室對時系統(tǒng)以光脈沖形式將同步時鐘信息送至分散布置的各間隔小室,各間隔小室的對時系統(tǒng)輸出多路光脈沖給過程層設(shè)備。3.5網(wǎng)絡(luò)安全防護變電站網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)基于IEC61850通信體系,大大提高了變電站內(nèi)設(shè)備的互操作性和可互換性。但IEC61850通信協(xié)議本身并未對變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性做任何規(guī)定,同時協(xié)議本身的開放性和標準性給變電站的網(wǎng)絡(luò)安全帶來重大隱患,尤其是檢測和控制一次設(shè)備的二次回路通信網(wǎng)絡(luò)的安全性問題。因此必須考慮基于IEC61850網(wǎng)絡(luò)通信模式的IED及變電站自動化系統(tǒng)的信息安全防護問題,否則電網(wǎng)的安全將不可預(yù)料。在變電站網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)中,原來需要通過大量二次電纜來實現(xiàn)信息傳輸?shù)男畔鬏斀橘|(zhì)變成了光纖工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò),而且由于采用了基于IEC61850的信息統(tǒng)一建模,變電站內(nèi)各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)共享信息,避免了信息的重復采集和配置,各邏輯功能也相互交叉滲透。但是值得一提的是,隨著基于GOOSE機制的網(wǎng)絡(luò)化跳合閘方式的實際應(yīng)用,在使得網(wǎng)絡(luò)化二次應(yīng)用功能實現(xiàn)更加快捷,靈活的同時,也帶來了重大的安全隱患,這些都需要專門的網(wǎng)絡(luò)安全防護技術(shù)來保證電網(wǎng)的安全可靠運行。在變電站網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)中,參照IEC62351安全標準對基于IEC61850的IED產(chǎn)品進行了安全性設(shè)計。3.6監(jiān)視實現(xiàn)方式單一變電站網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)中大量的二次應(yīng)用功能都基于網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn),網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相當于整個系統(tǒng)的血液循環(huán)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工況監(jiān)視和故障診斷顯得非常重要。原來自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視實現(xiàn)方式一般采用私有協(xié)議方式,而且缺乏直觀的表現(xiàn)形式,對于新加入的設(shè)備,如智能交換機等不能實現(xiàn)即插即用級的安全監(jiān)視,系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全性不能得到保證。網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)中首次實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)電子眼功能,基于SNMP工業(yè)標準,可以對所有符合SNMP的智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)即插即用級的安全工況監(jiān)視,系統(tǒng)還開發(fā)了直觀的圖形監(jiān)控系統(tǒng),最大程度上保證了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性及整個網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)的安全可靠性。4網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備在二次系統(tǒng)中的創(chuàng)新功能基于以上關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用,變電站網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)實現(xiàn)了以下6項重點創(chuàng)新應(yīng)用功能:網(wǎng)絡(luò)化母線保護網(wǎng)絡(luò)化備自投網(wǎng)絡(luò)化低頻低壓減載網(wǎng)絡(luò)化間隔層五防功能可視化網(wǎng)絡(luò)及二次設(shè)備安全監(jiān)視4.1單位間隔保護與常規(guī)的母線保護相比,在不增加硬件設(shè)備,不重復采集交流資訊的前提下,將母線保護功能分散到各間隔保護單元中實現(xiàn),GOOSE線路即時鋒取各間隔故障資訊,然后將經(jīng)過線路交互過的資訊利用GOOSE服務(wù)發(fā)送至間隔層設(shè)備,由間隔層設(shè)備結(jié)合運行方式識別,綜合判定母線故障,發(fā)送跳閘命令,保證母線保護動作的快速性、選擇性、可靠性。4.2控制電路信息交互網(wǎng)絡(luò)化備自投是以網(wǎng)絡(luò)化方式在GOOSE網(wǎng)絡(luò)底層就地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化備自投,備自投功能直接利用過程層網(wǎng)絡(luò)集中采集的各級母線電壓、進線電流、相關(guān)開關(guān)刀閘位置等信息交互,結(jié)合當前運行方式,根據(jù)運行策略和當前的狀態(tài)以及功能邏輯判別,使測控裝置通過計算分析向過程層設(shè)備發(fā)送控制命令。與常規(guī)備自投裝置相比,取消了專用的備自投裝置及各保護之間的連接線,避免了各間隔信息的重復采集,網(wǎng)絡(luò)化采集和傳輸減少了信息傳輸環(huán)節(jié),提高了備自投動作的可靠性。4.3b減載信息邏輯判斷網(wǎng)絡(luò)化低頻低壓減載,是將母線運行信息通過網(wǎng)絡(luò)集中采集、集中處理、集中邏輯判斷,并將得出的減載信息通過GOOSE服務(wù)發(fā)送到各間隔層設(shè)備分散就地執(zhí)行。與常規(guī)的低周低壓減載裝置相比,減少了信息的重復采集和定值的分散重復整定,使動作邏輯更加簡潔,進一步減輕了整定校驗工作量。4.4分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化間隔層五防功能完全依據(jù)底層網(wǎng)絡(luò)信息共享和互操作,在間隔層網(wǎng)絡(luò)通過運行實時狀態(tài)識別及邏輯判斷綜合判斷決策,以分散型式在網(wǎng)絡(luò)底層實現(xiàn)變電站完整的五防操作邏輯閉鎖功能,取代了常規(guī)的專用五防系統(tǒng),消除了專用五防系統(tǒng)與綜自系統(tǒng)之間繁雜的信息校驗。4.5臺機界面上監(jiān)視系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全功能系統(tǒng)安全監(jiān)視可視化是通過網(wǎng)絡(luò)“電子眼”,在后臺機界面上監(jiān)視系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)運行狀況,迅速定位二次故障設(shè)備和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)故障節(jié)點,可有效縮短二次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及二次設(shè)備故障查找時間。5次系統(tǒng)功能模糊現(xiàn)狀及成效變電站網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)的研究成果對數(shù)字化變電站建設(shè),尤其是二次應(yīng)用功能實現(xiàn)具有重要意義。由于創(chuàng)新地應(yīng)用了三層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的一體化應(yīng)用技術(shù)、VLAN技術(shù)、GOOSE通信機制、基于SNMP的可視化網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)視技術(shù)等,并基于此創(chuàng)新實現(xiàn)了系列網(wǎng)絡(luò)化的二次應(yīng)用功能,研究成果得到工程應(yīng)用實施后,具有以下的顯著成效:1)以光纖取代大量的傳輸電纜,極大地簡化二次回路;可