IEC61850過程層的網(wǎng)絡通信傳輸與實現(xiàn)

1、第卷第期年月日電力系統(tǒng)保護與控制、，過程層的網(wǎng)絡通信傳輸與實現(xiàn)李益民，董張卓，王玲（西安鐵路職業(yè)技術學院，陜西西安；西安石油大學，陜西西安；陜西電力職工培訓中心，陜西西安）摘要：根據(jù)數(shù)字化變電站運行時數(shù)據(jù)流的特點，結合了協(xié)議體系，假設出數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡構架，通過對其相關參數(shù)的計算，分析，驗證了方案的可行性。以工程中數(shù)字化變電站為實例，設計出側主接線圖，采用單母線分段接線，包括電子式互感器、合并單元經(jīng)交換機與保護、測量裝置間各類光、電信號的連接方式。關鍵詞：數(shù)字化變電站；通信協(xié)議；合并單元；電子式互感器；接線方式，（，；，；，：，），：；，；中圖分類號：；文獻標識碼：文章編號：（）引言隨著光、

2、電信號技術的發(fā)展和網(wǎng)絡技術的應用，智能化的一次設備及網(wǎng)絡化的二次設備日趨成熟，使得符合標準的數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)成為了代表當今變電站自動化技術發(fā)展的方向：一二次設備的網(wǎng)絡鏈接取代了大量的二次電纜，解決了二次接線復雜的現(xiàn)象，實現(xiàn)了各智能電子設備信息共享，同時對于某個功能可分布于不同設備，而其有獨立動作機能：電子式互感器抗電磁干擾的能力強、不受飽和影響，易于暫態(tài)分量等數(shù)字信號的傳輸。配置時，根據(jù)通信規(guī)模的大小以及通信數(shù)據(jù)流的多少，由這十個接口可以形成單網(wǎng)結構或雙網(wǎng)結構。根據(jù)的運行特點，數(shù)據(jù)流從通信方式上可以分為兩大類：層間傳輸數(shù)據(jù)和層內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)。其中層間傳輸數(shù)據(jù)包括：（）周期性上傳、下傳數(shù)據(jù)；（

3、）非周期性上傳、下傳數(shù)據(jù)；（）非周期性召喚上傳數(shù)據(jù)。層內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)是指網(wǎng)絡保護算法需要的共享數(shù)據(jù)、控制共享信息及閉鎖信息等。而不同的數(shù)據(jù)流所形成的通信報文在通信的網(wǎng)絡服務質(zhì)量參數(shù)上有不同的要求，針對以上數(shù)據(jù)流實時性特點，可將報文分為六類，如圖所示，其中類型為快速報文，主要包括故障時斷路器的位置信號、故障報警、非故障時設備狀態(tài)的變化等；類型為中速報文，主要包括周期性狀態(tài)刷新數(shù)據(jù)和視頻音頻信號、電能累計等；類型為低速報文，主要包括變電站層下傳命令、整定值更改、直接手動操作命令、故障保護報警和跳閘信號等；類型為生數(shù)據(jù)報文，主要包括周期性采樣數(shù)據(jù)；類型為文件數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡結構基于標涮的數(shù)字化變電站網(wǎng)

4、絡結構模型為分層分布式，分別為變電站層、間隔層、過程層，并且明確規(guī)定了各層之間接口的含義，此模型將（變電站自動化系統(tǒng)）所有智能設備之間的通信標準劃分為十個邏輯接口，當進行通信網(wǎng)絡電力系統(tǒng)保護與控制傳輸報文，主要包括故障后故障記錄文件，例如：帶時標的擾動數(shù)據(jù)等；類型為時間同步報文，主要包括站總線時間同步和過程總線時間同步。以太同類型“類掣”足定義訂的撤文類掣和特性分類；為采樣值為通用曲向?qū)ο笞冸娬臼录粸橥ㄓ米冸娬緺顟B(tài)事件圖協(xié)議棧體系基于上述報文類型的實時性要求，針對本文變電站進行了總線負載評估的假設，得出了各層之間較為寬裕的網(wǎng)絡構架：變電站層與間隔層之間用于傳輸、類型報文，擬用光纖自愈環(huán)網(wǎng)以太

5、網(wǎng)通信，實例表明在網(wǎng)絡發(fā)生故障時，網(wǎng)絡配置時間不超過，具有一定的經(jīng)濟性可靠性【。過程層與間隔層之間主要通信負載為、類型報文，在也標準中針對側要求總傳輸時間應在半個周期內(nèi)，即定義，本工程對兩種報文類型并沒有單獨組網(wǎng)，即將所有的合并單元、保護測控設備和斷路器智能操作箱鏈接在一個環(huán)網(wǎng)上，采用以太網(wǎng)，采用：特定通信服務映射（）通過的采樣值通信協(xié)議，實例表明符合標準實時性要求。數(shù)字化變電站系統(tǒng)結構的通信單元計算變電站內(nèi)通信單元的劃分方式有兩種：（）物理單元：依賴其內(nèi)容將變電站分成不同間隔單元，這些單元與高壓設備的安排相對應；（）功能單元：考慮設備內(nèi)的數(shù)據(jù)流。在通信塊內(nèi)實現(xiàn)控制、保護等功能共享同一數(shù)據(jù)，在

6、每個區(qū)內(nèi)的各個裝置設備要求從位于區(qū)內(nèi)的所有電流互感器、電壓互感器取得數(shù)據(jù)，進行處理后發(fā)送跳閘信號到區(qū)內(nèi)所有斷路器。由于受到帶寬的限制，變電站內(nèi)通信單元劃分的依據(jù)為可使用的數(shù)據(jù)速率小于數(shù)據(jù)速率，即：×瓦。（）其中：為數(shù)據(jù)速率（網(wǎng)絡帶寬如或），實際應用中可使用的數(shù)據(jù)速率通常取決于發(fā)送端或接收端內(nèi)部的能力。為采樣速率。為最大報文長度，字節(jié)以太網(wǎng)報頭“字節(jié)優(yōu)先權標記字節(jié)以太網(wǎng)型字節(jié)標記長度字節(jié)塊的數(shù)目“字節(jié)通用數(shù)據(jù)集字節(jié)狀態(tài)量字節(jié)木位位位幀間隔位。為所連接的合并單元的數(shù)目。式（）決定可使用的數(shù)據(jù)速率僅僅是理論上的，實際上應計及左右的裕度?；谀壳氨Ｗo裝置的采樣頻率為，即疋（：額定頻率），假設

7、所連接的合并單元數(shù)目，。不大于，則瓦（）在裕度范圍內(nèi)。因此以太網(wǎng)可使用的帶寬足以允許個合并單元向同一個接收設備傳輸采樣值。數(shù)字化變電站系統(tǒng)結構工程方案鑒于我國電力系統(tǒng)變電站的現(xiàn)狀，在變電站的建設和改造過程中實施標準還處于研究與摸索階段。文中所提變電站工程是一個變電站，具有和兩個電壓等級，變電站有兩臺變壓器；側采用雙母線接線方式，側是單母線分段接線，側保護測控配置圖部分見圖，如圖所示與原有變電站的不同體現(xiàn)在：過程層被獨立出來，由電子式互感器和智能化一次設備組成，完成二進制狀態(tài)和模擬輸入輸出功能，如數(shù)據(jù)采集（包括采樣）和發(fā)布命令。針對采樣值經(jīng)合并單元進行信號同步后送給交換機，改變了常規(guī)變電站中一次

8、與二次設備硬連線方式，采用光纖連接，數(shù)據(jù)傳輸遵循和等相關標準。二次側各智能保護裝置及測量裝置經(jīng)以太網(wǎng)共享交換機所提供一次側數(shù)據(jù)。電子互感器電子式互感器是建設數(shù)字化變電站的決定性設備，起著至關重要的作用。電子式互感器與傳統(tǒng)互感器相比有其獨特的優(yōu)越性，根據(jù)原理不同可以分為有源式和無源式【。本工程中有兩個電壓等級即和，均采用有源電子式互感器，有源電子式互感器利用電磁感應原理感應被測信號。配置電子互感器通過光纖輸出至控制室內(nèi)的間隔合并單元：布置在開關柜內(nèi)，本工程采用集中組屏，輸出模擬信號經(jīng)智能終端數(shù)字化后至控制室合并單元。經(jīng)合并單元輸出數(shù)字信號給各間隔的智能終端。電容器的轉換單元需增加一路常規(guī)（）輸人

9、通道，小電流接地選線功能李益民，等過程層的網(wǎng)絡通信傳輸與實現(xiàn)一通過電子式零序互感器實現(xiàn)。一以太網(wǎng)電纜表示為弱點信號光信號電纜為弱電信號圖基于的變電站接線方式合并單元合并單元是電子式互感器、智能化一次設備與數(shù)字化保護測控裝置的中間環(huán)節(jié)，主要作用是接收一次設備信號，采樣數(shù)據(jù)匯總及輸出數(shù)據(jù)。本工程中接入信號為電子式電流、電壓互感器輸出的數(shù)字采樣值。按照中描述的以太網(wǎng)，使用同步脈沖得到時間連續(xù)的一次電流和電壓采樣信號，與數(shù)字化變壓器差動、后備保護采用以太網(wǎng)協(xié)議傳輸采樣值數(shù)據(jù)，其傳輸媒介為多膜光纖。智能操作箱在實際工程中，對于同一個斷路器可能會有很多保護裝置向其發(fā)控制命令，在本工程中各保護裝置可以通過以

10、太網(wǎng)接口，根據(jù)協(xié)議接收合并單元的信號，同時也可以將保護出口邏輯通過以太網(wǎng)以的結構形式輸送給智能操作箱，由智能操作箱統(tǒng)一控制斷路器。這種方式大大減少了保護測控裝置之間的連線。過程層網(wǎng)絡系統(tǒng)方案本段著重說明的是本工程中針對類型、報文（即采樣值和）并沒有采用物理分離的方式。在電壓等級，采樣速率為點周波情況下，以太網(wǎng)既可以保證保護裝置對通信實時性的較高要求，也能滿足標準中對信息傳輸?shù)膶崟r生要求，同時也可滿足測控、計量等對通信實時性要求不高的信息傳輸。針對種類如此多的信息傳輸也就要求交換機同時支持和協(xié)議，同時也節(jié)省了交換機的數(shù)量。結語本文針對電壓等級變電站應用了符合標準的網(wǎng)絡構架，采用了電子式互感器、智

11、能化次設備、合并單元等光電信號處理、網(wǎng)絡新技術應用的設備，將合并單元、保護測控裝置、智能操作箱鏈接在一個以太環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)了數(shù)字化變電站過程層的網(wǎng)絡通信傳輸。（下轉第頁） 耄廠形態(tài)小波消嗓波形一¨康忠健，等基于形態(tài)小波的輸電線路故障電流行波消噪研究方法陰電力系統(tǒng)自動化，（）：，（）：，。一塒娜一原行渡信號礦一面麗茹廣擴贏而崔屹圖像處理與分析數(shù)學形態(tài)學方法及應用川北京：科學出版社，圖形態(tài)小波消噪效果：，林湘寧，劉沛，劉世明，等電力系統(tǒng)超高速保護的形態(tài)學一小波綜合濾波算法忉中國電機工程學報，（）：，比較去噪前后的波形，發(fā)現(xiàn)硬閾值小波消噪算法能夠較好地濾除大部分噪聲，但不能濾除尖脈沖。形態(tài)學消

12、噪算法能夠完全濾除尖脈沖的影響，較好的濾除大部分噪聲，消噪效果優(yōu)于硬閾值小波消噪法。而形態(tài)小波消噪算法不僅能夠完全濾除尖脈沖的影響，在濾除白噪聲方面，較單純的小波消噪和形態(tài)學消噪波頭平滑，較好的保持原信號形狀，準確反映輸電線路故障電流行波信號的突變時刻，為行波波頭的準確檢測提供了保證。，陰，（）：胡昌華，張軍波，夏軍，等基于的系統(tǒng)分析與設計一小波分析西安：西安電子科技大學出版社。，：收稿日期：作者簡介：結論為了克服傳統(tǒng)小波方法在抑制噪聲方面的不足，引入數(shù)學形態(tài)學的理論。在故障行波上模擬噪聲，仿真結果證明形態(tài)小波在濾除脈沖干擾方面的優(yōu)越性明顯，在濾除白噪聲方面略優(yōu)于單純小波和形態(tài)學消噪，在輸電線路行波保護和行波故障測距中具有良好的應用前景。參考文獻岳蔚，劉沛基于數(shù)學形態(tài)學消噪的電能質(zhì)量擾動檢測康忠?。ǎ?，男，博士，副教授，從事電力系統(tǒng)分析與控制、電力系統(tǒng)故障檢測與診斷和油田自動化設備開發(fā)及相關教學與科研工作：王升花（），女，碩士，助教，研究方向電力系統(tǒng)故障檢測與診斷；樊建川（），男，碩士研究生，研究方向電力系統(tǒng)故障檢測與診斷。（上接第頁參考文獻）變電站的應用陰電力系統(tǒng)及其自動化，（）：，胡道徐，李廣華通信冗余實施方案【】電力系統(tǒng)及