2023學年完整公開課版通信網(wǎng)絡

第六章智能變電站第三節(jié)智能變電站中的通信網(wǎng)絡標準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)標準應向后兼容，以適應通訊技術和系統(tǒng)要求的發(fā)展互操作性來自一個或多個廠家的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標準的目標：二、IEC61850的應用1、IEC61850的規(guī)定規(guī)范了數(shù)據(jù)的命名、數(shù)據(jù)定義、設備行為、設備的自描述特征和通用配置語言，使不同智能電氣設備間的信息共享和互操作成為可能不僅規(guī)范保護測控裝置的模型和通信接口，而且還定義了電子式CT、PT、智能化開關等一次設備的模型和通信接口AB信息共享和互操作網(wǎng)絡通信二、IEC61850的應用2、要解決的主要問題

二、IEC61850的應用3、特點：●微弱信號檢測●光學傳感材料的選擇●傳感頭的組裝技術●溫度對精度的影響●振動對精度的影響ABCDE二、IEC61850的應用3、特點：●采用抽象通信服務接口，適應通信網(wǎng)絡技術迅猛發(fā)展●信息分層（站控層、間隔層、過程層）●面向對象建模和信息自我描述，適應開放互操作性要求●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

對象

服務

實時性要求以太鏈路層帶優(yōu)先級的以太物理層IP

TCP

MMS

特定通訊服務映射通用變電站對象事件GOOSE

IEC61850的服務和協(xié)議棧

三、數(shù)字化變電站信息應用1、信息定義：●信息是有意義的數(shù)據(jù)，知識是有價值的信息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●實時傳輸?shù)倪\行信息●過程層執(zhí)行的功能不應由間隔層處理●間隔層執(zhí)行的功能不應由站控層來執(zhí)行3、應用原則：

四、系統(tǒng)集成機制的比較●實時性高，提供變電站自動化統(tǒng)一信息模型，集成代價大●標準的一致性測試、互操作性測試需要大量人力、物力●適用于非標準IEC61850IED接口轉換XML集成●系統(tǒng)間耦合很低、不具備實時性，不能實現(xiàn)標準定義的所有服務●對智能電子裝置或故障信息系統(tǒng)進行配置，或交換配置信息●對遺留系統(tǒng)進行臨時封裝，實現(xiàn)非實時信息交換通信規(guī)約集成

四、系統(tǒng)集成機制的比較●實時性較差，可實現(xiàn)跨應用及跨平臺的信息集成●可實現(xiàn)任意系統(tǒng)間的集成，如在線系統(tǒng)與離線計算系統(tǒng)之間API集成●實時性高，提供EMS系統(tǒng)統(tǒng)一信息模型，實現(xiàn)功能的即插即用●適用于不同調(diào)度自動化系統(tǒng)之間信息交互數(shù)據(jù)庫集成黑板集成●可實現(xiàn)任意系統(tǒng)間集成，實時性和開放性均較好●控制機制單一，開發(fā)與調(diào)試均較困難●適合實時性要求較高的場合五、信息集成應用模式運行控制IED、數(shù)據(jù)分析IED應具有相對的獨立性電費計量系統(tǒng)應保持相對獨立對于故障判斷相鄰間隔的元件信息十分關鍵不同間隔信息集成在于對于故障判斷處理的有效性一種是主動上送電網(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?shù)臅r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)交換技術其他問題網(wǎng)絡方案六、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，是一種技術規(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標準所采納

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

◆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：應用與通信相分離IEC61850特定通信服務映射在8802.3上映射到MMSIEC61850-9-2基于串行單方向多路點對點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)絡設備的標準環(huán)境和測試要求IEC61850-3(2002)“Communicationsnetworksandsystemsinsubstations”變電站中的通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)六、IEC61850與以太網(wǎng)3、通信標準七、以太網(wǎng)交換機1、特點：采用存儲-轉發(fā)機制，消除沖突雙絞線端口支持自動協(xié)商和自動交叉功能MAC地址學習、優(yōu)先級和VLAN技術可以優(yōu)化數(shù)據(jù)流即插即用，易于實現(xiàn)采用RSTP支持各種拓撲結構(總線,星形,環(huán)形,網(wǎng)狀)Hub采用的CSMA/CD鏈路訪問機制已經(jīng)過時七、以太網(wǎng)交換機

2、IEC61850交換機的網(wǎng)絡管理功能重要不重要可選●優(yōu)先級和VLAN(802.1p/Q)●GMRP組播自動配置●IGMPSnooping●鏈接聚合(IEEE802.3ad)●三層交換●網(wǎng)絡狀態(tài)顯示,統(tǒng)計,故障分析功能(SNMP)●RapidSpanningTree(IEEE802.1w)用于容錯環(huán)網(wǎng)結構122212211七、以太網(wǎng)交換機

3、IEEE802.1P優(yōu)先級◆ClassofService(CoS)◆QualityofService（Qos）◆高優(yōu)先級數(shù)據(jù)優(yōu)先通過◆多個出口數(shù)據(jù)隊列，較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)可以先被發(fā)送◆對實時數(shù)據(jù)（如聲音/GOOSE）減少抖動和網(wǎng)絡延遲◆與802.1QVLAN共享標簽字節(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

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

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

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

6、組播運作步驟A要接收某個組數(shù)據(jù)的設備需發(fā)送Declaration組播數(shù)據(jù)發(fā)送者、轉發(fā)者需Register組播運作步驟轉發(fā)者重新組織發(fā)送Declaration長時間無Declaration時會終止組播的發(fā)送CBD組播數(shù)據(jù)流七、以太網(wǎng)交換機7、PORTMIRRORING交換網(wǎng)絡無法直接監(jiān)視數(shù)據(jù)，必須開啟共享網(wǎng)絡可以直接監(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

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

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：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)絡方案

1、IEC61850組網(wǎng)原則

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

2、環(huán)網(wǎng)和星型網(wǎng)利用RSTP協(xié)議，交換機之間通過帶內(nèi)管理報文獲得網(wǎng)絡拓撲信息，決定冗余鏈路在何處解環(huán)交換機環(huán)網(wǎng)-具有一定的冗余特性（對隨機性的數(shù)據(jù)流效果較好）-有因為交換機軟件bug導致網(wǎng)絡風暴的風險-簡單、經(jīng)濟、可靠，無冗余鏈路不會造成廣播風暴-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)絡設備，且需設備支持環(huán)型網(wǎng)絡（國外應用較多）星型網(wǎng)絡（國內(nèi)應用較多）八、網(wǎng)絡方案

環(huán)網(wǎng)和星型網(wǎng)對比IEDIEDIEDIED需要采用RSTP實現(xiàn)備用連接IED冗余接線增強網(wǎng)絡彈性八、網(wǎng)絡方案

環(huán)網(wǎng)站控層間隔層遠動工程師站操作員站遠動主站W(wǎng)MH-800WBH-801WXH-821FCK-801WXH-811Modem八、網(wǎng)絡方案

星形八、網(wǎng)絡方案

3、GOOSE網(wǎng)絡多級星型網(wǎng)通信帶寬GOOSE網(wǎng)絡站控層GOOSE和MMS共網(wǎng)2009年，點對點方案-網(wǎng)絡隨設備雙重化-簡單清晰，雙重化系統(tǒng)間無公共耦合-利用網(wǎng)絡實現(xiàn)雙重化：實現(xiàn)特殊應用需求-多一倍網(wǎng)絡投資，實際增加了故障點

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

3、GOOSE網(wǎng)絡——單網(wǎng)雙網(wǎng)之爭八、網(wǎng)絡方案4、采樣值網(wǎng)絡●出現(xiàn)組網(wǎng)模式的嘗試●郭家屯：9-1●其他：9-2LE2005年—2008年●以點對點方案為主●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)中心強勢介入——點對點 八、網(wǎng)絡方案5、采樣同步網(wǎng)秒脈沖（PPS）采樣同步網(wǎng)◆必須在過程層構建獨立的采樣同步網(wǎng)，增加了設備投資。同時增加了故障發(fā)生點，降低了系統(tǒng)的整體可靠性指標；◆不同廠家的合并單元對秒脈沖的處理機制不同會產(chǎn)生誤差；◆該同步機制只能做到相對時間同步，不能做到絕對時間的對時，因此合并單元的數(shù)據(jù)不能被某些需要絕對時間標簽的裝置使用，比如PMU。九、其它問題5、采樣同步網(wǎng)IEEE1588精密對時協(xié)議◆硬件對時精度在ns級別，滿足計量需要；◆與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡合一，減少了故障點，增加了系統(tǒng)的可靠性；◆支持絕對時間；◆與GPS信號的配合關系；◆保護、測控裝置不需要采用硬件1588對時，光纖縱差保護除外。數(shù)字化/智能變電站網(wǎng)絡結構一數(shù)字化/智能變電站網(wǎng)絡結構二九、其它問題1、非常規(guī)CT對保護裝置的影響●IEC61850檢修狀態(tài)的影響●保護試驗的方案●互感器特性對保護的影響●由于各通信環(huán)節(jié)的可靠性問題帶來的保護影響ABCD九、其它問題2、技術層次的影響●采樣點數(shù)+截至頻率：抗混疊的問題●電子式互感器暫態(tài)電流型式試驗情況●互感器對一次電流的還原程度●采集單元與合并單元的通信●合并單元與保護裝置的通信●通信出錯、采樣丟點●應該做到只影響相關保護九、其它問題2、技術層次的影響●采樣點數(shù)+截至頻率：抗混疊的問題●電子式互感器暫態(tài)電流型式試驗情況●互感器對一次電流的還原程度●采集單元與合并單元的通信●合并單元與保護裝置的通信●通信出錯、采樣丟點●應該做到只影響相關保護十、智能變電站實例2003年10月——在南京供電公司六合變運行中的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

僅為過程層部分數(shù)字化

電子式互感器數(shù)字化保護

其他為傳統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)

2）投運時對繼電保護，運行管理提出了挑戰(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◆實現(xiàn)了遠動、監(jiān)控等常規(guī)自動化功能◆支持保護定值和壓板◆具備IEC61850規(guī)約轉換器◆至今運行穩(wěn)定◆破冰意義