2023學(xué)年完整公開課版通信網(wǎng)絡(luò)

第六章智能變電站第三節(jié)智能變電站中的通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)需要支持各種策略以允許功能自由分布，例如：集中式或分布式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)向后兼容，以適應(yīng)通訊技術(shù)和系統(tǒng)要求的發(fā)展互操作性來自一個(gè)或多個(gè)廠家的IED之間交換信息和正確使用信息完成各自功能的能力自由配置長期穩(wěn)定性一、IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)：二、IEC61850的應(yīng)用1、IEC61850的規(guī)定規(guī)范了數(shù)據(jù)的命名、數(shù)據(jù)定義、設(shè)備行為、設(shè)備的自描述特征和通用配置語言，使不同智能電氣設(shè)備間的信息共享和互操作成為可能不僅規(guī)范保護(hù)測控裝置的模型和通信接口，而且還定義了電子式CT、PT、智能化開關(guān)等一次設(shè)備的模型和通信接口AB信息共享和互操作網(wǎng)絡(luò)通信二、IEC61850的應(yīng)用2、要解決的主要問題

二、IEC61850的應(yīng)用3、特點(diǎn)：●微弱信號(hào)檢測●光學(xué)傳感材料的選擇●傳感頭的組裝技術(shù)●溫度對(duì)精度的影響●振動(dòng)對(duì)精度的影響ABCDE二、IEC61850的應(yīng)用3、特點(diǎn)：●采用抽象通信服務(wù)接口，適應(yīng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛發(fā)展●信息分層（站控層、間隔層、過程層）●面向?qū)ο蠼：托畔⒆晕颐枋?，適應(yīng)開放互操作性要求●傳輸采樣測量值●快速傳輸變化值（GOOSE）FGHIJ7Client/Server通訊

模擬量采樣值(SAV)

模型

對(duì)象

服務(wù)

實(shí)時(shí)性要求以太鏈路層帶優(yōu)先級(jí)的以太物理層IP

TCP

MMS

特定通訊服務(wù)映射通用變電站對(duì)象事件GOOSE

IEC61850的服務(wù)和協(xié)議棧

三、數(shù)字化變電站信息應(yīng)用1、信息定義：●信息是有意義的數(shù)據(jù)，知識(shí)是有價(jià)值的信息2、信息類型：●突發(fā)事件產(chǎn)生的信息●操作或控制命令信息●實(shí)時(shí)傳輸?shù)倪\(yùn)行信息●過程層執(zhí)行的功能不應(yīng)由間隔層處理●間隔層執(zhí)行的功能不應(yīng)由站控層來執(zhí)行3、應(yīng)用原則：

四、系統(tǒng)集成機(jī)制的比較●實(shí)時(shí)性高，提供變電站自動(dòng)化統(tǒng)一信息模型，集成代價(jià)大●標(biāo)準(zhǔn)的一致性測試、互操作性測試需要大量人力、物力●適用于非標(biāo)準(zhǔn)IEC61850IED接口轉(zhuǎn)換XML集成●系統(tǒng)間耦合很低、不具備實(shí)時(shí)性，不能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)定義的所有服務(wù)●對(duì)智能電子裝置或故障信息系統(tǒng)進(jìn)行配置，或交換配置信息●對(duì)遺留系統(tǒng)進(jìn)行臨時(shí)封裝，實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)信息交換通信規(guī)約集成

四、系統(tǒng)集成機(jī)制的比較●實(shí)時(shí)性較差，可實(shí)現(xiàn)跨應(yīng)用及跨平臺(tái)的信息集成●可實(shí)現(xiàn)任意系統(tǒng)間的集成，如在線系統(tǒng)與離線計(jì)算系統(tǒng)之間API集成●實(shí)時(shí)性高，提供EMS系統(tǒng)統(tǒng)一信息模型，實(shí)現(xiàn)功能的即插即用●適用于不同調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)之間信息交互數(shù)據(jù)庫集成黑板集成●可實(shí)現(xiàn)任意系統(tǒng)間集成，實(shí)時(shí)性和開放性均較好●控制機(jī)制單一，開發(fā)與調(diào)試均較困難●適合實(shí)時(shí)性要求較高的場合五、信息集成應(yīng)用模式運(yùn)行控制IED、數(shù)據(jù)分析IED應(yīng)具有相對(duì)的獨(dú)立性電費(fèi)計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)保持相對(duì)獨(dú)立對(duì)于故障判斷相鄰間隔的元件信息十分關(guān)鍵不同間隔信息集成在于對(duì)于故障判斷處理的有效性一種是主動(dòng)上送電網(wǎng)調(diào)度中心一種等待調(diào)度中心主站調(diào)用變電站間隔的信息應(yīng)用集成變電站不同間隔之間的信息集成變電站站控層的信息集成在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間將合適的信息傳遞給最需要的人六、IEC61850與以太網(wǎng)以太網(wǎng)交換技術(shù)其他問題網(wǎng)絡(luò)方案六、IEC61850與以太網(wǎng)1、以太網(wǎng)（Ethernet）◆以太網(wǎng)不是一種具體的網(wǎng)絡(luò)，是一種技術(shù)規(guī)范

◆由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox，Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的局域網(wǎng)規(guī)范，后來被IEEE作為802.3標(biāo)準(zhǔn)所采納

◆典型特征：使用CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測)技術(shù)

◆共享式以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)六、IEC61850與以太網(wǎng)2、IEC61850與以太網(wǎng)

IEC61850特點(diǎn)：應(yīng)用與通信相分離IEC61850特定通信服務(wù)映射在8802.3上映射到MMSIEC61850-9-2基于串行單方向多路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接的采樣值傳輸基于8802.3上的采樣值傳輸IEC61850-9-1IEC61850-8-1IEEE1613(2003)“StandardEnvironmentalandTestingRequirementsforCommunicationsNetworkingDevicesinElectricPowerSubstations”變電站中通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境和測試要求IEC61850-3(2002)“Communicationsnetworksandsystemsinsubstations”變電站中的通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)六、IEC61850與以太網(wǎng)3、通信標(biāo)準(zhǔn)七、以太網(wǎng)交換機(jī)1、特點(diǎn)：采用存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，消除沖突雙絞線端口支持自動(dòng)協(xié)商和自動(dòng)交叉功能MAC地址學(xué)習(xí)、優(yōu)先級(jí)和VLAN技術(shù)可以優(yōu)化數(shù)據(jù)流即插即用，易于實(shí)現(xiàn)采用RSTP支持各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(總線,星形,環(huán)形,網(wǎng)狀)Hub采用的CSMA/CD鏈路訪問機(jī)制已經(jīng)過時(shí)七、以太網(wǎng)交換機(jī)

2、IEC61850交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)管理功能重要不重要可選●優(yōu)先級(jí)和VLAN(802.1p/Q)●GMRP組播自動(dòng)配置●IGMPSnooping●鏈接聚合(IEEE802.3ad)●三層交換●網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)顯示,統(tǒng)計(jì),故障分析功能(SNMP)●RapidSpanningTree(IEEE802.1w)用于容錯(cuò)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)122212211七、以太網(wǎng)交換機(jī)

3、IEEE802.1P優(yōu)先級(jí)◆ClassofService(CoS)◆QualityofService（Qos）◆高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)優(yōu)先通過◆多個(gè)出口數(shù)據(jù)隊(duì)列，較高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)可以先被發(fā)送◆對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（如聲音/GOOSE）減少抖動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)延遲◆與802.1QVLAN共享標(biāo)簽字節(jié)過程層通信(GOOSE和采樣值)均依賴組播！重要性七、以太網(wǎng)交換機(jī)

4、組播處理裝置組播過濾方案●很可能誤收！●普通交換機(jī)把組播向所有端口轉(zhuǎn)發(fā)（當(dāng)廣播處理）●以太網(wǎng)卡硬件依靠Hash算法進(jìn)行過濾ABC七、以太網(wǎng)交換機(jī)用VLAN來劃分組播繁瑣且不便管理●IGMP只適用于IP組播，對(duì)GOOSE、SMV不適用●GMRP二層組播管理協(xié)議，唯一可用！AB自動(dòng)組播管理協(xié)議手工劃分廣播域一個(gè)獨(dú)立的以太網(wǎng)，它與其它網(wǎng)絡(luò)共用相同的硬件VirtualLAN七、以太網(wǎng)交換機(jī)

5、用VLAN來劃分組播●劃分原則：基于端口、MAC地址、IP地址●每個(gè)VLAN作為一個(gè)獨(dú)立的廣播域●邏輯分割而非物理分割●裝置和交換機(jī)都需要配置●IEEE802.1Q標(biāo)準(zhǔn)定義了“tagged”幀格式ABCDEVLAN示意圖七、以太網(wǎng)交換機(jī)

6、二層組播協(xié)議GMRPGARPMulticastRegistrationProtocolGARP的一個(gè)具體應(yīng)用二層組播協(xié)議兩個(gè)組播地址報(bào)文格式為802格式GMRP用地址用戶用地址七、以太網(wǎng)交換機(jī)

6、組播運(yùn)作步驟A要接收某個(gè)組數(shù)據(jù)的設(shè)備需發(fā)送Declaration組播數(shù)據(jù)發(fā)送者、轉(zhuǎn)發(fā)者需Register組播運(yùn)作步驟轉(zhuǎn)發(fā)者重新組織發(fā)送Declaration長時(shí)間無Declaration時(shí)會(huì)終止組播的發(fā)送CBD組播數(shù)據(jù)流七、以太網(wǎng)交換機(jī)7、PORTMIRRORING交換網(wǎng)絡(luò)無法直接監(jiān)視數(shù)據(jù)，必須開啟共享網(wǎng)絡(luò)可以直接監(jiān)視數(shù)據(jù)幀可以分別監(jiān)視輸入、輸出PORTMIRRORING七、以太網(wǎng)交換機(jī)

7、PORTRATELIMITATION可以限制所有、廣播、組播端口速率限制是后備保護(hù)使用時(shí)需計(jì)算、估算數(shù)據(jù)流，避免干擾正常通信八、網(wǎng)絡(luò)方案

1、IEC61850組網(wǎng)原則要使用者根據(jù)可行性、可靠性和重要性等因素綜合分析！IEC61850站控間隔層網(wǎng)絡(luò)：功能和綜自站相同多套用成熟方案（國外單環(huán)網(wǎng)，國內(nèi)單/雙星）多套用成熟方案（國外單環(huán)網(wǎng)，國內(nèi)單/雙星）八、網(wǎng)絡(luò)方案

1、IEC61850組網(wǎng)原則

過程層網(wǎng)絡(luò)●是否采取雙網(wǎng)？●目前尚無定論●組網(wǎng)vs點(diǎn)對(duì)點(diǎn)●采樣值、GOOSE、采樣同步、MMS，誰和誰合？ABCD八、網(wǎng)絡(luò)方案

2、環(huán)網(wǎng)和星型網(wǎng)利用RSTP協(xié)議，交換機(jī)之間通過帶內(nèi)管理報(bào)文獲得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ瑳Q定冗余鏈路在何處解環(huán)交換機(jī)環(huán)網(wǎng)-具有一定的冗余特性（對(duì)隨機(jī)性的數(shù)據(jù)流效果較好）-有因?yàn)榻粨Q機(jī)軟件bug導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的風(fēng)險(xiǎn)-簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠，無冗余鏈路不會(huì)造成廣播風(fēng)暴-和變電站的主接線及數(shù)據(jù)流天然一致-冗余需采用雙套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，且需設(shè)備支持環(huán)型網(wǎng)絡(luò)（國外應(yīng)用較多）星型網(wǎng)絡(luò)（國內(nèi)應(yīng)用較多）八、網(wǎng)絡(luò)方案

環(huán)網(wǎng)和星型網(wǎng)對(duì)比IEDIEDIEDIED需要采用RSTP實(shí)現(xiàn)備用連接IED冗余接線增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)彈性八、網(wǎng)絡(luò)方案

環(huán)網(wǎng)站控層間隔層遠(yuǎn)動(dòng)工程師站操作員站遠(yuǎn)動(dòng)主站W(wǎng)MH-800WBH-801WXH-821FCK-801WXH-811Modem八、網(wǎng)絡(luò)方案

星形八、網(wǎng)絡(luò)方案

3、GOOSE網(wǎng)絡(luò)多級(jí)星型網(wǎng)通信帶寬GOOSE網(wǎng)絡(luò)站控層GOOSE和MMS共網(wǎng)2009年，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方案-網(wǎng)絡(luò)隨設(shè)備雙重化-簡單清晰，雙重化系統(tǒng)間無公共耦合-利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)雙重化：實(shí)現(xiàn)特殊應(yīng)用需求-多一倍網(wǎng)絡(luò)投資，實(shí)際增加了故障點(diǎn)

裝置單網(wǎng)——單網(wǎng)單源裝置雙網(wǎng)——雙網(wǎng)單源八、網(wǎng)絡(luò)方案

3、GOOSE網(wǎng)絡(luò)——單網(wǎng)雙網(wǎng)之爭八、網(wǎng)絡(luò)方案4、采樣值網(wǎng)絡(luò)●出現(xiàn)組網(wǎng)模式的嘗試●郭家屯：9-1●其他：9-2LE2005年—2008年●以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方案為主●單間隔采用IEC61850-9-1或IEC60044-8FT3●跨間隔采用IEC60044-8FT32009年2009年末國調(diào)中心強(qiáng)勢介入——點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 八、網(wǎng)絡(luò)方案5、采樣同步網(wǎng)秒脈沖（PPS）采樣同步網(wǎng)◆必須在過程層構(gòu)建獨(dú)立的采樣同步網(wǎng)，增加了設(shè)備投資。同時(shí)增加了故障發(fā)生點(diǎn)，降低了系統(tǒng)的整體可靠性指標(biāo)；◆不同廠家的合并單元對(duì)秒脈沖的處理機(jī)制不同會(huì)產(chǎn)生誤差；◆該同步機(jī)制只能做到相對(duì)時(shí)間同步，不能做到絕對(duì)時(shí)間的對(duì)時(shí)，因此合并單元的數(shù)據(jù)不能被某些需要絕對(duì)時(shí)間標(biāo)簽的裝置使用，比如PMU。九、其它問題5、采樣同步網(wǎng)IEEE1588精密對(duì)時(shí)協(xié)議◆硬件對(duì)時(shí)精度在ns級(jí)別，滿足計(jì)量需要；◆與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)合一，減少了故障點(diǎn)，增加了系統(tǒng)的可靠性；◆支持絕對(duì)時(shí)間；◆與GPS信號(hào)的配合關(guān)系；◆保護(hù)、測控裝置不需要采用硬件1588對(duì)時(shí)，光纖縱差保護(hù)除外。數(shù)字化/智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一數(shù)字化/智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)二九、其它問題1、非常規(guī)CT對(duì)保護(hù)裝置的影響●IEC61850檢修狀態(tài)的影響●保護(hù)試驗(yàn)的方案●互感器特性對(duì)保護(hù)的影響●由于各通信環(huán)節(jié)的可靠性問題帶來的保護(hù)影響ABCD九、其它問題2、技術(shù)層次的影響●采樣點(diǎn)數(shù)+截至頻率：抗混疊的問題●電子式互感器暫態(tài)電流型式試驗(yàn)情況●互感器對(duì)一次電流的還原程度●采集單元與合并單元的通信●合并單元與保護(hù)裝置的通信●通信出錯(cuò)、采樣丟點(diǎn)●應(yīng)該做到只影響相關(guān)保護(hù)九、其它問題2、技術(shù)層次的影響●采樣點(diǎn)數(shù)+截至頻率：抗混疊的問題●電子式互感器暫態(tài)電流型式試驗(yàn)情況●互感器對(duì)一次電流的還原程度●采集單元與合并單元的通信●合并單元與保護(hù)裝置的通信●通信出錯(cuò)、采樣丟點(diǎn)●應(yīng)該做到只影響相關(guān)保護(hù)十、智能變電站實(shí)例2003年10月——在南京供電公司六合變運(yùn)行中的220kV數(shù)字化光電電流互感器景陽崗上一聲吼陽谷景陽岡冷軋薄板廠110kV變電站1）國內(nèi)第一套數(shù)字化變電站

僅為過程層部分?jǐn)?shù)字化

電子式互感器數(shù)字化保護(hù)

其他為傳統(tǒng)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

2）投運(yùn)時(shí)對(duì)繼電保護(hù)，運(yùn)行管理提出了挑戰(zhàn)3）業(yè)內(nèi)人士的新奇感覺陽谷景陽岡冷軋薄板廠110kV變電站中國IEC61850工程化元年2006年3月，西安少陵變投運(yùn)◆實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)動(dòng)、監(jiān)控等常規(guī)自動(dòng)化功能◆支持保護(hù)定值和壓板◆具備IEC61850規(guī)約轉(zhuǎn)換器◆至今運(yùn)行穩(wěn)定◆破冰意義