試論數(shù)字化變電站中通信解決方案的研究
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論文關(guān)鍵詞 IEC61850 數(shù)字化變電站 通信 方案
論文摘 要 數(shù)字化變電站是電力業(yè)的發(fā)展方向，在過(guò)去一段時(shí)期，因?yàn)榻y(tǒng)一的通信保準(zhǔn)缺乏，數(shù)字化變電站的發(fā)展受到了一定的制約，近年來(lái)，在多項(xiàng)新技術(shù)的合力推動(dòng)下，數(shù)字變電站通信解決方案得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，本文基于IEC61850數(shù)字變電站，對(duì)其通信關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)分層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)字化變電站模式等進(jìn)行了分析。
1 通信是數(shù)字化變電站的顯著特征
通信是數(shù)字化變電站的特征之一，所有數(shù)字化變電站均以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建變電站的通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)信息可靠傳輸。數(shù)字化變電站IED大多基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，并以此作為信息交互的標(biāo)準(zhǔn)。此外，輸變電設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)信息也作為變電站信息的一部分被處理和分析?？梢?，數(shù)字化變電站設(shè)備通過(guò)需要通過(guò)數(shù)字化信息交互以及IED之間互操作性功能，實(shí)現(xiàn)高、低壓電氣設(shè)備的電氣隔離。
2 IEC6P 850標(biāo)準(zhǔn)及其技術(shù)要點(diǎn)
IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在通信解決方案中占有極重要的作用，IEC61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是以美國(guó)的UCA2．0標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的，是數(shù)字化變電站的首個(gè)比較完備的通信標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的推行為數(shù)字化變電站的通信網(wǎng)的建設(shè)提供了堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)，IEC61850國(guó)際也被引入到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 860之中。該標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：能夠提供符合電力系統(tǒng)特征的相關(guān)通信服務(wù)，信息對(duì)象在所處的信息源位置惟一定義，相應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)象建模是統(tǒng)一的。能夠?qū)崿F(xiàn)面向設(shè)備和對(duì)象的建模，能夠?qū)崿F(xiàn)面向應(yīng)用的自我描述。采取抽象通信的服務(wù)接口，在網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層中的協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)傳輸層的協(xié)議都是獨(dú)立的。與傳統(tǒng)通信協(xié)議相比具有以下特點(diǎn)L1)：采用分層體系；信息傳輸采用與網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立的抽象通信服務(wù)接口(ACSI)和特定通信服務(wù)接口(SCSI)；信息模型采用面向?qū)ο蟆⒚嫦驊?yīng)用的自描述；具有互操作性。
3 數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
過(guò)去由于通信的不確定，使以太網(wǎng)進(jìn)入控制領(lǐng)域有著一定的障礙，然而今年來(lái)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)變得不斷成熟，這就使嵌入式的以太網(wǎng)在控制領(lǐng)域有了更加廣泛的應(yīng)用，技術(shù)成熟的以太網(wǎng)完全能夠滿足數(shù)字化變電站的通信需求。
3.1 應(yīng)用層
選擇MMS規(guī)范作為應(yīng)用層協(xié)議完成和變電站控制系統(tǒng)之間的通信。基于IEC61850建立的對(duì)象以及服務(wù)模型全部被映射為通用的服務(wù)，比如數(shù)據(jù)對(duì)象的創(chuàng)建、讀寫、定義等。MMS支持面向?qū)ο髷?shù)據(jù)，這就使數(shù)據(jù)自描述完全能夠?qū)崿F(xiàn)，徹底改變了過(guò)去面向點(diǎn)的描述方法。由于數(shù)據(jù)本身有著說(shuō)明，所以傳輸可以不受其限制，使數(shù)據(jù)管理和維護(hù)工作得到了簡(jiǎn)化。以太網(wǎng)通信與MMS的有機(jī)結(jié)合，再加入IEC61850的應(yīng)用，這些都使數(shù)字化變電站成為了更加開放的系統(tǒng)。
3.2 傳輸層
站內(nèi)IED的高層接口選擇了標(biāo)準(zhǔn)的TCP／IP協(xié)議，完成了站內(nèi)IED的網(wǎng)絡(luò)化，讓站內(nèi)IED的數(shù)據(jù)收發(fā)全部能夠通過(guò)丁CP／／P方式進(jìn)行。監(jiān)控主站以及遠(yuǎn)方調(diào)度中心通過(guò)丁CP／IP協(xié)議就能夠通過(guò)WAN得到變電站內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)。使用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式就能夠?qū)崿F(xiàn)站內(nèi)IED較好的互操作性。
3.3 物理層
選擇以太網(wǎng)作為通信系統(tǒng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的主要原因是以太網(wǎng)在技術(shù)和市場(chǎng)上已處于主流地位。構(gòu)建站級(jí)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中應(yīng)該對(duì)變電站層的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行分析。以減少網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的交換量，從而減輕網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)負(fù)擔(dān)，同時(shí)要考慮使用多個(gè)網(wǎng)段。也就是把需要及時(shí)交換數(shù)據(jù)的IED置于同一網(wǎng)段之中，最大限度地減少網(wǎng)段之間的流量，規(guī)避數(shù)據(jù)沖突，從而提升各網(wǎng)段的利用效率。應(yīng)用中也可以根據(jù)電壓等級(jí)等因素統(tǒng)籌考慮對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分段。此時(shí)要注意，過(guò)多的網(wǎng)段可能會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜以及相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的增加。
4 組網(wǎng)的幾個(gè)原則
原則一：依據(jù)電氣間隔組網(wǎng)。這條原則在電網(wǎng)中是十分重要的，在可靠性以及實(shí)時(shí)性要求較高的電氣間隔，例如110 kV的線路以及母聯(lián)等間隔全部要按照電氣間隔來(lái)進(jìn)行組網(wǎng)。對(duì)于需要配置雙重化保護(hù)的間隔的，通常要采取雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)或者兩套相對(duì)獨(dú)立的設(shè)備。
原則二：在滿足數(shù)據(jù)傳輸各項(xiàng)要求的情況下，應(yīng)盡量使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)做到簡(jiǎn)化。對(duì)于35 kV以下等級(jí)的各間隔應(yīng)該按母線位置分別設(shè)置一或者兩段網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于分布在該段網(wǎng)絡(luò)上的IED能夠通過(guò)交換機(jī)直接完成信息交換過(guò)程。
原則三：針對(duì)母線保護(hù)以及主變差動(dòng)保護(hù)等要采集更多的間隔交流量裝置，需要采取面向功能的原則組網(wǎng)。比如給雙重化的母線保護(hù)需要兩臺(tái)交換機(jī)，單母線配置一臺(tái)；同時(shí)分別收集各個(gè)間隔交流電氣量。這種模式的關(guān)鍵在于保證母線保護(hù)設(shè)備和交換機(jī)通信接口處理的時(shí)間一致性。
5 IEC6P850標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用
SCADA是數(shù)字化變電站的基本功能，包括開關(guān)控制，遙信采集，報(bào)警處理等。該類應(yīng)用的數(shù)據(jù)通信通常是垂直的，IEC61850中采取客戶到服務(wù)器的方式實(shí)現(xiàn)。在服務(wù)器端控制映射到MMS的讀寫服務(wù)時(shí)，遙信被映射到MMS的讀寫服務(wù)。報(bào)警以及事件的處理在SCADA中具有十分重要的意義，能夠通過(guò)IEC61850報(bào)告服務(wù)實(shí)現(xiàn)。報(bào)告服務(wù)訪問(wèn)是數(shù)據(jù)集而并非單個(gè)的數(shù)據(jù)屬性。觸發(fā)報(bào)告的原因能夠包括數(shù)據(jù)遙信變化，遙測(cè)越限以及數(shù)據(jù)刷新等。此外，數(shù)字化變電站系統(tǒng)的一些功能單元間要進(jìn)行高精度的信息交換，這些功能單元能夠處于相同或者不同的間隔。
6 結(jié)論
通信如數(shù)字化變電站的神經(jīng)一般重要，選擇更加合適的站內(nèi)通信對(duì)數(shù)字化變電站具有十分重要的作用。因?yàn)閿?shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是收到多項(xiàng)技術(shù)的影響，為此，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇中，要充分考慮各種因素，確保通信傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性統(tǒng)籌兼顧，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少投資，提高效率。
參考文獻(xiàn)
[1]任燕銘，秦立軍，楊奇遜．變電站自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介川．供用電，2000，17(5)：50一52．
論文摘 要 數(shù)字化變電站是電力業(yè)的發(fā)展方向，在過(guò)去一段時(shí)期，因?yàn)榻y(tǒng)一的通信保準(zhǔn)缺乏，數(shù)字化變電站的發(fā)展受到了一定的制約，近年來(lái)，在多項(xiàng)新技術(shù)的合力推動(dòng)下，數(shù)字變電站通信解決方案得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，本文基于IEC61850數(shù)字變電站，對(duì)其通信關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)分層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)字化變電站模式等進(jìn)行了分析。
1 通信是數(shù)字化變電站的顯著特征
通信是數(shù)字化變電站的特征之一，所有數(shù)字化變電站均以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建變電站的通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)信息可靠傳輸。數(shù)字化變電站IED大多基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，并以此作為信息交互的標(biāo)準(zhǔn)。此外，輸變電設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)信息也作為變電站信息的一部分被處理和分析?？梢?，數(shù)字化變電站設(shè)備通過(guò)需要通過(guò)數(shù)字化信息交互以及IED之間互操作性功能，實(shí)現(xiàn)高、低壓電氣設(shè)備的電氣隔離。
2 IEC6P 850標(biāo)準(zhǔn)及其技術(shù)要點(diǎn)
IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在通信解決方案中占有極重要的作用，IEC61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是以美國(guó)的UCA2．0標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的，是數(shù)字化變電站的首個(gè)比較完備的通信標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的推行為數(shù)字化變電站的通信網(wǎng)的建設(shè)提供了堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)，IEC61850國(guó)際也被引入到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 860之中。該標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：能夠提供符合電力系統(tǒng)特征的相關(guān)通信服務(wù)，信息對(duì)象在所處的信息源位置惟一定義，相應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)象建模是統(tǒng)一的。能夠?qū)崿F(xiàn)面向設(shè)備和對(duì)象的建模，能夠?qū)崿F(xiàn)面向應(yīng)用的自我描述。采取抽象通信的服務(wù)接口，在網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層中的協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)傳輸層的協(xié)議都是獨(dú)立的。與傳統(tǒng)通信協(xié)議相比具有以下特點(diǎn)L1)：采用分層體系；信息傳輸采用與網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立的抽象通信服務(wù)接口(ACSI)和特定通信服務(wù)接口(SCSI)；信息模型采用面向?qū)ο蟆⒚嫦驊?yīng)用的自描述；具有互操作性。
3 數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
過(guò)去由于通信的不確定，使以太網(wǎng)進(jìn)入控制領(lǐng)域有著一定的障礙，然而今年來(lái)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)變得不斷成熟，這就使嵌入式的以太網(wǎng)在控制領(lǐng)域有了更加廣泛的應(yīng)用，技術(shù)成熟的以太網(wǎng)完全能夠滿足數(shù)字化變電站的通信需求。
3.1 應(yīng)用層
選擇MMS規(guī)范作為應(yīng)用層協(xié)議完成和變電站控制系統(tǒng)之間的通信。基于IEC61850建立的對(duì)象以及服務(wù)模型全部被映射為通用的服務(wù)，比如數(shù)據(jù)對(duì)象的創(chuàng)建、讀寫、定義等。MMS支持面向?qū)ο髷?shù)據(jù)，這就使數(shù)據(jù)自描述完全能夠?qū)崿F(xiàn)，徹底改變了過(guò)去面向點(diǎn)的描述方法。由于數(shù)據(jù)本身有著說(shuō)明，所以傳輸可以不受其限制，使數(shù)據(jù)管理和維護(hù)工作得到了簡(jiǎn)化。以太網(wǎng)通信與MMS的有機(jī)結(jié)合，再加入IEC61850的應(yīng)用，這些都使數(shù)字化變電站成為了更加開放的系統(tǒng)。
3.2 傳輸層
站內(nèi)IED的高層接口選擇了標(biāo)準(zhǔn)的TCP／IP協(xié)議，完成了站內(nèi)IED的網(wǎng)絡(luò)化，讓站內(nèi)IED的數(shù)據(jù)收發(fā)全部能夠通過(guò)丁CP／／P方式進(jìn)行。監(jiān)控主站以及遠(yuǎn)方調(diào)度中心通過(guò)丁CP／IP協(xié)議就能夠通過(guò)WAN得到變電站內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)。使用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式就能夠?qū)崿F(xiàn)站內(nèi)IED較好的互操作性。
3.3 物理層
選擇以太網(wǎng)作為通信系統(tǒng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的主要原因是以太網(wǎng)在技術(shù)和市場(chǎng)上已處于主流地位。構(gòu)建站級(jí)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中應(yīng)該對(duì)變電站層的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行分析。以減少網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的交換量，從而減輕網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)負(fù)擔(dān)，同時(shí)要考慮使用多個(gè)網(wǎng)段。也就是把需要及時(shí)交換數(shù)據(jù)的IED置于同一網(wǎng)段之中，最大限度地減少網(wǎng)段之間的流量，規(guī)避數(shù)據(jù)沖突，從而提升各網(wǎng)段的利用效率。應(yīng)用中也可以根據(jù)電壓等級(jí)等因素統(tǒng)籌考慮對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分段。此時(shí)要注意，過(guò)多的網(wǎng)段可能會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜以及相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的增加。
4 組網(wǎng)的幾個(gè)原則
原則一：依據(jù)電氣間隔組網(wǎng)。這條原則在電網(wǎng)中是十分重要的，在可靠性以及實(shí)時(shí)性要求較高的電氣間隔，例如110 kV的線路以及母聯(lián)等間隔全部要按照電氣間隔來(lái)進(jìn)行組網(wǎng)。對(duì)于需要配置雙重化保護(hù)的間隔的，通常要采取雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)或者兩套相對(duì)獨(dú)立的設(shè)備。
原則二：在滿足數(shù)據(jù)傳輸各項(xiàng)要求的情況下，應(yīng)盡量使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)做到簡(jiǎn)化。對(duì)于35 kV以下等級(jí)的各間隔應(yīng)該按母線位置分別設(shè)置一或者兩段網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于分布在該段網(wǎng)絡(luò)上的IED能夠通過(guò)交換機(jī)直接完成信息交換過(guò)程。
原則三：針對(duì)母線保護(hù)以及主變差動(dòng)保護(hù)等要采集更多的間隔交流量裝置，需要采取面向功能的原則組網(wǎng)。比如給雙重化的母線保護(hù)需要兩臺(tái)交換機(jī)，單母線配置一臺(tái)；同時(shí)分別收集各個(gè)間隔交流電氣量。這種模式的關(guān)鍵在于保證母線保護(hù)設(shè)備和交換機(jī)通信接口處理的時(shí)間一致性。
5 IEC6P850標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用
SCADA是數(shù)字化變電站的基本功能，包括開關(guān)控制，遙信采集，報(bào)警處理等。該類應(yīng)用的數(shù)據(jù)通信通常是垂直的，IEC61850中采取客戶到服務(wù)器的方式實(shí)現(xiàn)。在服務(wù)器端控制映射到MMS的讀寫服務(wù)時(shí)，遙信被映射到MMS的讀寫服務(wù)。報(bào)警以及事件的處理在SCADA中具有十分重要的意義，能夠通過(guò)IEC61850報(bào)告服務(wù)實(shí)現(xiàn)。報(bào)告服務(wù)訪問(wèn)是數(shù)據(jù)集而并非單個(gè)的數(shù)據(jù)屬性。觸發(fā)報(bào)告的原因能夠包括數(shù)據(jù)遙信變化，遙測(cè)越限以及數(shù)據(jù)刷新等。此外，數(shù)字化變電站系統(tǒng)的一些功能單元間要進(jìn)行高精度的信息交換，這些功能單元能夠處于相同或者不同的間隔。
6 結(jié)論
通信如數(shù)字化變電站的神經(jīng)一般重要，選擇更加合適的站內(nèi)通信對(duì)數(shù)字化變電站具有十分重要的作用。因?yàn)閿?shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是收到多項(xiàng)技術(shù)的影響，為此，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇中，要充分考慮各種因素，確保通信傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性統(tǒng)籌兼顧，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少投資，提高效率。
參考文獻(xiàn)
[1]任燕銘，秦立軍，楊奇遜．變電站自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介川．供用電，2000，17(5)：50一52．