數(shù)字化變電站過程層系統(tǒng)介紹

數(shù)字化變電站過程層系統(tǒng)認(rèn)識(shí)與實(shí)踐北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司劉勇內(nèi)容提要數(shù)字化變電站過程層系統(tǒng)的概念和構(gòu)成數(shù)字化變電站過程層系統(tǒng)的主要技術(shù)問題數(shù)字化變電站的實(shí)踐工作變電站自動(dòng)化發(fā)展的過去、現(xiàn)在與未來數(shù)字化變電站的特征數(shù)字化變電站的幾個(gè)要素變電站的數(shù)字化模型高速通信網(wǎng)絡(luò)智能化的一次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備其他：運(yùn)行管理數(shù)字化、變電站圖像監(jiān)視系統(tǒng)、變電站設(shè)備在線監(jiān)測、狀態(tài)檢修。過程層系統(tǒng)示意圖過程層系統(tǒng)定義過程層系統(tǒng)是連接智能化一次設(shè)備和保護(hù)、測控、狀態(tài)監(jiān)視等二次設(shè)備的系統(tǒng)。過程層系統(tǒng)的通信應(yīng)是實(shí)時(shí)的、高可靠性的、數(shù)據(jù)可共享的。它主要傳輸兩類報(bào)文，采樣值報(bào)文SV和GOOSE報(bào)文。過程層系統(tǒng)是構(gòu)建未來數(shù)字化變電站的基礎(chǔ)。。合并單元（MU）智能終端同步對時(shí)設(shè)備帶有過程層接口的間隔層設(shè)備過程層總線設(shè)備（processbus）

一、數(shù)字化變電站過程層系統(tǒng)的構(gòu)成合并單元（MU）對來自二次轉(zhuǎn)換器的各相電流電壓信號進(jìn)行時(shí)間相關(guān)性(同步)組合，并轉(zhuǎn)發(fā)給二次設(shè)備。完成各相電流電壓的采樣同步控制MU及電子互感器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

IEC60044-7:InstrumenttransformersElectronicvoltagetransformersIEC60044-8:InstrumenttransformersElectroniccurrenttransformersIEC61850-9-1IEC61850-9-2:Communicationnetworksandsystemsinsubstations–Part9-2:SpecificCommunicationServiceMappingUCA9-2LE:ImplementationguidefordigitalinterfacetoinstrumenttransformersusingIEC61850-9-2數(shù)據(jù)接口ECTa（測量）ECTb（測量）ECTc（測量）ECTa（保護(hù)）ECTb（保護(hù)）ECTc（保護(hù)）ECT中性點(diǎn)EVTa合并單元EVTbEVTcEVT中性線EVT母線時(shí)鐘輸入電源數(shù)字輸出IEC61850-9-1、2應(yīng)用Freeconfigurationandallocationoffunctions(logicalnodes)PTOCPDISPTRCXCBRIEDCircuitBreaker(a)“Wires“TripStateofpracticePTOCPDISPTRCXCBR“GSE*“TripIEDIEDDistributedSAwithProcessBusPTOCPDISIEDIEDPTRCPTRCXCBRIED“GSE*“TripDistributedSAwithProcessBus&Prot.RedundancyDistributedFunctions*GenericSubstationEventFreeallocation什么是goose？GOOSE(GenericObjectOrientedSubstationEvent)

一個(gè)機(jī)制，用來快速傳輸變電站的事件；諸如命令、告警、指示、信息。單個(gè)的GOOSE信息由IED發(fā)送*能被接收并被若干個(gè)接收者使用GOOSE利用了強(qiáng)大的以太網(wǎng)，支持實(shí)時(shí)的行為要求。它被應(yīng)用的例子

斷路器的跳閘命令

間隔閉鎖

不同間隔保護(hù)之間的水平通信GOOSE

Sender

DeviceXGOOSE

Receiver

DeviceYGOOSE

Receiver

DeviceZEthernet一個(gè)裝置（發(fā)布者）發(fā)布消息,只有訂閱者裝置正在接收它。每個(gè)接受者的反應(yīng)取決于它的配置和功能例子GOOSEmessageIEC61850GOOSEPrincipleTrippingviaGOOSEGOOSE

Sender

DeviceXGOOSE

Receiver

DeviceYGOOSE

Receiver

DeviceZEthernetFaultSimulationGOOSEmessagewithcommandsforCB*trippinganddisturbancerecorderstarting

Configuration:senderX-->receiverZ?Ydoesnotreact““Zstartsitsdisturbancerecording??CB*off“GOOSEInjectiontestdevice*CB=CircuitBreakerIEC61850GOOSE信息的發(fā)送

定期發(fā)送GOOSE報(bào)文,并且通過重發(fā)相同數(shù)據(jù)來獲得額外的可靠性,并且逐漸增加SqNum

和傳輸時(shí)間來實(shí)現(xiàn)有效的傳輸。GOOSE報(bào)文中的SqNum

和

StNum

的初始值為1。當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)，StNum

加1、SqNum變?yōu)?/p>

0，之后SqNum

順序加1。GOOSE報(bào)文發(fā)送過程中各種時(shí)間間隔推薦如下：T0:穩(wěn)定條件(長時(shí)間無事件)下重傳時(shí)間間隔應(yīng)小于60秒并可配置。(T0):穩(wěn)定條件下被事件縮短的重傳時(shí)間間隔應(yīng)小于T0。T1:事件發(fā)生后,最短的傳輸時(shí)間間隔應(yīng)小于1秒并可配置。T2,T3:直到獲得穩(wěn)定條件的重傳時(shí)間間隔應(yīng)在1秒至20秒范圍內(nèi)。IEC61850GOOSE信息優(yōu)先發(fā)送IEC61850使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)IEC61850能夠利用現(xiàn)代以太網(wǎng)的所有選項(xiàng)功能其他規(guī)約無法利用這些選項(xiàng)功能正常報(bào)文GOOSE正常報(bào)文緩存區(qū)IECGOOSE快速通道以太網(wǎng)交換機(jī)裝置之間的信息交換:端對端的通訊

InformationexchangingamongIEDs:Peer-to-Peercommunication硬接點(diǎn)的反應(yīng)時(shí)間：

信號時(shí)間設(shè)備給接點(diǎn)通電接點(diǎn)閉合到達(dá)開入量門檻時(shí)8-20ms裝置之間的信息交換:端對端的通訊

InformationexchangingamongIEDs:Peer-to-Peercommunication采用IEC61850GOOSE的網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)時(shí)間：

信號時(shí)間設(shè)備A發(fā)送信號網(wǎng)絡(luò)傳輸與沖突檢測時(shí)間≤4ms設(shè)備B收到信號在以太網(wǎng)上使用GOOSE系統(tǒng)方案的主要技術(shù)問題——同步采樣若采用就地采集單元，各電壓、電流之間，變壓器不同的電壓等級之間需考慮同步采樣變壓器差動(dòng)保護(hù)從不同電壓等級的多個(gè)間隔獲取數(shù)據(jù)存在同步問題母線差動(dòng)保護(hù)從多個(gè)間隔獲取數(shù)據(jù)也存在同步問題線路縱差保護(hù)線路兩端數(shù)據(jù)采樣也存在同步問題TimesynchaccuracyclassesSV示例同步對時(shí)設(shè)備的技術(shù)問題用于過程層同步對時(shí)設(shè)備的特殊性。冗余熱備的同步對時(shí)設(shè)備。可靈活配置、便于擴(kuò)展的主從時(shí)鐘設(shè)備帶有守時(shí)功能的時(shí)鐘設(shè)備同步性問題根據(jù)不同保護(hù)對時(shí)間同步需求的不同，將保護(hù)分為三類：第一類保護(hù)的正確動(dòng)作僅僅依賴于輸入信號的幅值，它不要求信號在時(shí)間上的嚴(yán)格同步，例如過流保護(hù)、低電壓保護(hù)等；第二類保護(hù)的正確動(dòng)作同時(shí)需要信號的相位和幅值，但所需信號來自于同一變電站，所以只要保證站內(nèi)同步即可實(shí)現(xiàn)保護(hù)的正確動(dòng)作，比較典型的是距離保護(hù)和變壓器差動(dòng)保護(hù)。第三類保護(hù)的正確動(dòng)作也同時(shí)需要信號的采樣值，但是所需信號只有在全站同步的情況下才能保證保護(hù)的正確動(dòng)作。這類保護(hù)典型的是母線電流差動(dòng)保護(hù)。同步信號丟失后保護(hù)系統(tǒng)的策略在同步信號丟失后。對于第一類保護(hù)，保護(hù)仍能維持正確的動(dòng)作狀態(tài)；而對于第二類保護(hù)，雖然失步以后各信號間的相位出現(xiàn)一定的誤差，但是由于數(shù)字采樣的高采樣率（每周波96點(diǎn)），這樣的相角誤差不會(huì)超過4度，裝置在判斷出失步后，對算法進(jìn)行微調(diào)就可以適應(yīng)這種情況，無需閉鎖保護(hù)。第三類保護(hù)也應(yīng)在失去同步后延遲若干時(shí)間后被閉鎖。此后，只有檢測到同步信號恢復(fù)，保護(hù)才能投入運(yùn)行。因此對于第三類保護(hù)必須冗余配置傳統(tǒng)的變電站一次設(shè)備和保護(hù)的連接交流輸入模件Ａ／Ｄ變換微計(jì)算機(jī)開入開出模件人機(jī)對話模件端子箱從CT、PT引出的電纜，根據(jù)需要，在端子箱內(nèi)重新組成對應(yīng)各保護(hù)、測量等回路，二次設(shè)備引入測量量，進(jìn)行A/D變換后，送入CPU處理判斷

CPU處理的結(jié)果，或合閘、跳閘、閉鎖（不允許其他的跳合閘起作用）通過開入開出板連接到開關(guān)端子箱。

在過程總線中，保護(hù)裝置的功能被組合到一次設(shè)備到一次設(shè)備，形成新的接線模式。數(shù)字化變電站中保護(hù)控制設(shè)備交流輸入模件Ａ／Ｄ變換微計(jì)算機(jī)開入開出模件人機(jī)對話模件MU一次設(shè)備的智能化改變了傳統(tǒng)變電站繼電保護(hù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)：1、A/D變換沒有了，代之以高速通信。2、開關(guān)量輸出DO、輸入DI移入智能化開關(guān)，保護(hù)裝置發(fā)布命令，由一次設(shè)備的執(zhí)行器來執(zhí)行操作。高速以太網(wǎng)通信可連接過程總線的保護(hù)設(shè)備*保護(hù)可接受符合IEC61850的采樣值數(shù)據(jù)格式。*采樣速率可達(dá)4800點(diǎn)/每秒，MU可達(dá)四組時(shí)，可保證數(shù)據(jù)順暢接受。*采用雙CPU與門判決方式，用雙路數(shù)據(jù)源保證出口的可靠性*每個(gè)CPU板配有100M以太網(wǎng)，光纖輸出和電氣輸出端口各一組。*在有同步脈沖，和失去同步脈沖時(shí)，裝置可根據(jù)情況執(zhí)行不同的保護(hù)邏輯。過程層總線設(shè)備的技術(shù)問題工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)是核心元件符合IEC-61850-3規(guī)范是IT數(shù)字網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)性要求最高的VLAN的劃分網(wǎng)段的合理規(guī)劃數(shù)字化變電站過程層系統(tǒng)的通信要求過程總線基本組網(wǎng)方案面向位置原則單一總線原則面向功能原則面向間隔原則Systemarchitecturewith61850-9BussesFlatcommunicationarchitecturePerformanceclasses–binarydata,RMSvaluesPerformanceclasses–rawanalogdata系統(tǒng)方案的主要技術(shù)問題——系統(tǒng)可用性和可靠性可用性（Availability）冗余MTTFMTTFbyrepair可靠性（Security）減少系統(tǒng)的環(huán)節(jié)和元件數(shù)量MTBR采用數(shù)字式電子互感器和智能高壓電器帶來的問題同步問題變電站設(shè)備可靠性和安全性考慮設(shè)備的壽命和可維護(hù)性電子設(shè)備對環(huán)境的適應(yīng)性。如電磁干擾、溫度、濕度等NGCEnglandTraws400kVsubstationConventionalbeforeretrofitIAIS實(shí)例Built-in132kVIAIS132kVsubstationbeforeretrofit數(shù)字化變電站的最終目標(biāo)是簡化整個(gè)變電站的建設(shè)，達(dá)成工業(yè)和自然的和諧

數(shù)字化變電站系統(tǒng)實(shí)施方案變壓器間隔的實(shí)現(xiàn)方案合并單元（MU）*符合IEC61850-3的要求*能工作在500KV變電站的開關(guān)場內(nèi)，有優(yōu)良的抗EMC能力。*適應(yīng)環(huán)境溫度范圍寬*當(dāng)外界同步脈沖丟失時(shí)，利用內(nèi)部的同步時(shí)鐘仍可繼續(xù)工作，但數(shù)據(jù)幀中有反應(yīng)失步的信息*有鑒別同步脈沖是否有干擾的能力。通道1----通道12光纖以太網(wǎng)1光纖以太網(wǎng)2雙路秒脈沖同步電以太網(wǎng)接口直流電源與國內(nèi)外互感器廠家（北京浩霆光電、武漢長江通信、西安華偉、日本三菱、德國斯尼文特、北京天威瑞恒）達(dá)成穩(wěn)定合作關(guān)系。過程層產(chǎn)品電子式互感器的分類一種可靠供電的電子式互感器傳統(tǒng)互感器變換器可接入傳統(tǒng)互感器模擬信號、輸出數(shù)字信號。通道的積分是數(shù)字的，比例環(huán)節(jié)的調(diào)整是數(shù)字的。極大的節(jié)省了電源功耗。在單通道變換時(shí)，功耗僅為200mW或更小。本設(shè)備通過嚴(yán)酷的抗干擾試驗(yàn)

UpIp

ImTA/TVA/D變換MUCSC-187F工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)最多支持可8個(gè)10/100M

電以太網(wǎng)口，16個(gè)

10/100M光以太網(wǎng)口符合IEC-61850-3

支持虛擬局域網(wǎng)(VLAN)及802.1Q。支持Qos及802.1P。支持端口鏡像功能支持廣播風(fēng)暴抑制功能支持MAC地址快速老化功能過程層產(chǎn)品JFZ-600智能終端可對一個(gè)電氣間隔（包括GIS）中的斷路器、隔離刀閘、接地刀閘進(jìn)行分合控制，并采集一個(gè)電氣間隔內(nèi)的數(shù)字信號：斷路器位置、隔離刀閘位置、接地刀閘以及機(jī)構(gòu)告警等位置，可采用雙位置。過程層產(chǎn)品工程實(shí)踐甘肅天水110kV平