數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡通信模式

標簽：數(shù)字化變電站電網(wǎng)

由于電力系統(tǒng)對設備小型化、智能化、可靠性的要求越來越高，而常規(guī)的變電站自動化系統(tǒng)在應用中又存在諸多不足，已不能適應電網(wǎng)的發(fā)展和電力市場化的需要，所以變電站技術(shù)發(fā)展的前景是數(shù)字化變電站。論述了數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的主要技術(shù)特征、結(jié)構(gòu)和發(fā)展前景，分析了數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡選型中的要求，詳細研究了數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)中網(wǎng)絡通信技術(shù)的應用和網(wǎng)絡通信技術(shù)的三種結(jié)構(gòu)模式。對數(shù)字化變電站通信體系規(guī)劃、應用標準、實施方案等作了全面闡述。

0 引言

變電站自動化技術(shù)經(jīng)過十多年的發(fā)展已經(jīng)達到一定的水平，在我國城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造與建設中大多數(shù)變電站均采用了綜合自動化技術(shù)，實現(xiàn)了無人值班，從而降低了變電站建設的總造價和運行成本，大大提高了電網(wǎng)建設的現(xiàn)代化水平。隨著智能化開關(guān)、光電式互感器、一次運行設備在線狀態(tài)檢測等技術(shù)逐步成熟，以及計算機高速網(wǎng)絡在實時系統(tǒng)中的開發(fā)應用，全數(shù)字化的變電站自動化系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)。

目前，隨著高壓、超高壓系統(tǒng)發(fā)展，對電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠、控制、信息交互等提出了更高要求。國家電網(wǎng)公司在《國家電網(wǎng)公司“十一五”科技發(fā)展規(guī)劃》中將“數(shù)字化變電站技術(shù)”列入電網(wǎng)自動化技術(shù)的五大課題之一。數(shù)字化變電站技術(shù)是今后變電站綜合自動化技術(shù)的發(fā)展方向。

1 數(shù)字化變電站的特點

數(shù)字化變電站具有以下幾個主要特征：

(1)一次設備的數(shù)字化和智能化

電子式或光電式互感器替代了變電站內(nèi)傳統(tǒng)的電磁式互感器，它能直接向外提供數(shù)字式光纖以太網(wǎng)接口;站內(nèi)采用具備向外進行數(shù)字通信的智能斷路器、變壓器等設備，或者在這些一次設備就地加裝智能終端實現(xiàn)信號的數(shù)字式轉(zhuǎn)換與狀態(tài)監(jiān)測，達到一次設備數(shù)字化和智能化的要求。

(2)二次設備的數(shù)字化和網(wǎng)絡化

數(shù)字化變電站的二次設備除了具有一般數(shù)字式設備的特點外，還具備對外光纖網(wǎng)絡通信接口，與傳統(tǒng)變電站信息傳輸以電纜為媒介不同，數(shù)字化變電站二次信號傳輸是基于光纖以太網(wǎng)實現(xiàn)的。

(3)變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)實現(xiàn)IEC61850標準化

傳統(tǒng)變電站中信息描述和網(wǎng)絡通信協(xié)議標準的差異導致了不同設備間信號識別困難、互操作性差;數(shù)字化變電站全站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)實現(xiàn)均采用IEC61850標準，該標準的完整性、系統(tǒng)性、開放性保證了數(shù)字化變電站站內(nèi)設備具備互操作性的特征。

(4)運行管理系統(tǒng)的自動化

在現(xiàn)有綜自系統(tǒng)已經(jīng)具備較大程度的自動化特征的基礎上，數(shù)字化變電站在站內(nèi)設備的互操作性、信號的光纖傳輸、網(wǎng)絡通信平臺的信息共享等方面進一步體現(xiàn)了運行管理自動化的特點。綜上所述，基于光電技術(shù)的互感器應用構(gòu)成了變電站電氣量信息采集的數(shù)字化應用;IEC61850標準的頒布實施為變電站實現(xiàn)信息的統(tǒng)一建模奠定了基礎;以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為變電站內(nèi)實現(xiàn)基于網(wǎng)絡方式的信息交換提供了技術(shù)支持;智能斷路器技術(shù)的發(fā)展使變電站自動化技術(shù)實現(xiàn)了二次設備向一次設備的應用延伸。

2 數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡的要求

2.1 功能要求

通信網(wǎng)絡的根本任務是解決綜合自動化系統(tǒng)內(nèi)部以及與其他系統(tǒng)之間的實時信息交換，網(wǎng)絡是不可或缺的功能載體，構(gòu)建一個可靠、實時、高效的網(wǎng)絡體系是通信系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。2000年國際大電網(wǎng)會議第34組(保護與控制組)，討論和介紹了變電站自動化及其通信系統(tǒng)，其基本一致的思想就是通信技術(shù)是變電站自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵。通信網(wǎng)絡是連接站內(nèi)各種智能電子設備(IED)的紐帶，因此它必須能支持各種通信接口，滿足通信網(wǎng)絡標準化。隨著變電站的無人化以及自動化信息量的不斷增加，通信網(wǎng)絡必須有足夠的空間和速度來存儲和傳送事件、電量、操作、故障以及錄波等數(shù)據(jù)。為改善電壓運行質(zhì)量，無人值班變電站要求通信網(wǎng)絡具有電壓無功自動調(diào)節(jié)功能、系統(tǒng)對時功能等。另外自診斷、自恢復以及遠方診斷、在線狀態(tài)檢測是針對運行維護提出的幾項功能要求。

2.2 性能要求

通信網(wǎng)絡的性能要求主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)可靠性由于電力生產(chǎn)的連續(xù)性和重要性，站內(nèi)通信網(wǎng)絡的可靠性是第一位的，應避免個別裝置損壞導致站內(nèi)通信中斷。隨著數(shù)字、圖像信息的多媒體技術(shù)的應用，監(jiān)控會更加依賴通信網(wǎng)絡，因此一個可靠的通信網(wǎng)絡是首要條件。

(2)開放性站內(nèi)通信網(wǎng)絡是調(diào)度自動化的一個子系統(tǒng)，除了保證站內(nèi)IED設備互連、便于擴展外，它還應服從電力調(diào)度自動化的總體設計，硬件接口應滿足國際標準，應選用國際標準的通信協(xié)議，方便用戶的系統(tǒng)集成。

(3)實時性因測控數(shù)據(jù)、保護信號、遙控命令等都要求實時傳送，雖然正常運行時站內(nèi)數(shù)據(jù)流不大，但出現(xiàn)故障時要傳送大量的數(shù)據(jù)，要求信息能在站內(nèi)通信網(wǎng)絡上快速傳送。

2.3 實施方法

(1)變電站站內(nèi)光纖網(wǎng)絡化變電站站內(nèi)光纖網(wǎng)絡化，站內(nèi)一、二次設備之間實現(xiàn)全數(shù)字化光纖網(wǎng)通信。主要包括電氣量采集值數(shù)字化傳輸保護等二次設備、跳合閘、狀態(tài)信號及故障告警信號的數(shù)字化傳輸，智能變壓器告警信號、分接遙調(diào)、溫度等模擬量的數(shù)字化傳輸。

(2)全站統(tǒng)一的標準化平臺統(tǒng)一的信息模塊、數(shù)據(jù)模型、功能模型，統(tǒng)一的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)無縫交換、信息傳輸?shù)目煽啃?、完整性、實時性。各種設備共享統(tǒng)一信息，具有互操作性。經(jīng)過功能的組合化設計，利用先進的計算機技術(shù)、現(xiàn)代化通信技術(shù)和信號處理技術(shù)，實現(xiàn)對全變電站的主要設備和輸配電線路的自動監(jiān)視、自動控制與保護以及與調(diào)度通信等綜合性的自動化功能。

(3)數(shù)字化/智能化一次設備一次設備被檢測的信號回路和被控制的操作驅(qū)動回路，采用微處理器和光電技術(shù)設計，變電站二次回路中常規(guī)的繼電器及其邏輯回路被可編程控制器代替。

(4)減少二次控制和信號電纜以光纜和少量通信電纜替代戶外和控制室成捆的二次控制電纜和信號電纜。減少二次接線占地面積，降低變電站的總造價，降低運營成本。

(5)系統(tǒng)數(shù)據(jù)實現(xiàn)就地采集采用光纖實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的傳輸，信號采集精度高、可靠性強，數(shù)據(jù)信號源唯一，重復投資少，實現(xiàn)分層控制及分層數(shù)據(jù)傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸和應用的效率。

3 數(shù)字化變電站的通信標準

數(shù)字化變電站的通信體系基于IEC61850標準。IEC61850提供了變電站自動化系統(tǒng)功能建模、數(shù)據(jù)建模、通信協(xié)議、通信系統(tǒng)的項目管理和一致性檢測等一系列標準。按照IEC61850建設變電站的通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)，是建設數(shù)字化變電站的有效途徑。IEC61850的發(fā)布為建設數(shù)字化變電站提供了堅實的基礎。按照IEC61850標準，變電站的功能應分為站控層、間隔層和過程層。數(shù)字化變電站通信系統(tǒng)應有圖1所示通信接口。

①站控層設備之間的通信接口;②站控層與間隔層設備的通信接口;③間隔層設備之間的通信接口;④間隔層與過程層設備的通信接口;⑤站控層設備與遠方控制中心的通信接口;⑥間隔層設備與遠方保護的通信接口。

其中通信接口③根據(jù)情況在通信接口②或④上實現(xiàn)，通信接口①和②在小規(guī)模的變電站可共用一個物理通信網(wǎng)絡。通信接口①～④應按照IEC61850標準建設。為了能與現(xiàn)有的調(diào)度系統(tǒng)接口，通信接口⑤仍采用IEC60870-5-101或104規(guī)約，但遠動通信接口設備應有能升級到IEC61850的能力。通信接口⑥主要用于縱差保護、遠跳裝置等，由設備制造廠定義，應能在變電站間的通信系統(tǒng)上實現(xiàn)。

數(shù)字化變電站的物理設備間應能實時、高效、可靠的交換信息，以太網(wǎng)通信技術(shù)是滿足這種要求的最佳選擇。根據(jù)IEEE及EPRI的實驗報告，現(xiàn)有的以太網(wǎng)通信技術(shù)完全能夠滿足變電站自動化的通信要求。以太網(wǎng)技術(shù)是主流的通信技術(shù)，具有極佳的經(jīng)濟性，并且仍在快速發(fā)展中，為變電站自動化系統(tǒng)提供了廣闊的發(fā)展空間。