探究变电站二次设备就地化系统网络架构

学术争鸣215探究变电站二次设备就地化系统网络架构文/董腾秦昌嵩摘要:文章提出了基于常规互感器采样的变电站二次设备就地化整体解决方案,在目前现有智能变电站网络架构的基础上,探讨了两种新的二次设备就地化系统网络构架,最后对两种网络数据流量进行了量化分析并进行了性能对比,证明了其应用可行性｡关键词:高可靠无缝冗余(HSR)；并行冗余协议(PRP)；公用采集控制终端；同步采样一、总体原则全站二次保护控制设备就地化主要遵循以下主要原则｡1.全站二次保护控制设备均采用就地化无防护安装,满足整体更换､即插即用要求｡2.单间隔保护控制设备采用电缆采样､电缆跳闸模式｡跨间隔保护(变压器､母差)采用分布式设计｡3.不同设备对数据交互的需求各不相同,I/O接口设备可灵活支持多类型端口､多种协议数据传输,各端口支持不同采样率采样值输出,满足全站不同二次设备数据交互和共享的需求;I/O接口设备应采用免配置设计,实现即插即用､整体更换检修;I/O接口设备应遵循硬件尽量共用性､品种尽量减少的原则,可通过不同的软件实现不同应用,利于现场减少备用装置的数量和种类｡二、全站二次设备配置方案变电站二次设备主要有以下几类:单间隔保护(线路保护､母联保护等)､跨间隔保护(变压器保护､母差保护等)､测控装置以及站端二次设备(网络记录分析装置､站域保护)等｡其中单间隔保护､跨间隔保护､测控装置等采用无防护就地安装方式,网络记录分析装置､站域保护等采用集中方式安装在控制室内｡全站二次设备配置方案如图1所示｡图1全站二次设备配置方案(一)单间隔保护配置原则如图1所示,220kV线路间隔按双重化配置完整的､独立的能反映各种类型故障､具有选相功能的全线速动线路保护｡线路保护采用模拟量电缆采样,采集本间隔保护电流､电压;采用电缆跳闸方式,同时通过通用面向对象变电站事件(GOOSE)发布本装置的跳闸信号及其他状态信号,通过GOOSE订阅其他保护或控制设备的相关信号,例如启动失灵､闭锁重合闸信号;通过模拟量输入方式接入必要的断路器信息,例如:断路器位置等｡按间隔配置两套就地化操作箱,安装于本间隔就地控制柜中,完成对本间隔断路器的跳合闸控制和间隔电压切换功能｡线路同期电压采用电缆直接从母线电压并列装置接至间隔操作箱｡(二)公用采集控制终端配置原则分布式架构是解决跨间隔保护就地化的方向,同时站域保护等设备也需要采集各间隔信息作为其数据源｡为充分发挥装置就地安装后的数据共享优势,简化装置开入和开出电缆,如图1所示,按间隔配置公用采集控制终端,完成本间隔模拟量､开关量采集及跨间隔保护和站端设备的出口功能｡作为全站多种类型装置的公用数据源,公用采集控制终端具备以下功能｡公用采集控制终端作为跨间隔保护､站端设备的公用数据源,可满足不同设备的数据采样需求,终端具备多种类型的数据端口,各端口支持不同采样频率独立采样,即终端可以看作不同类型设备的采样外延,实现“谁使用谁同步”原则｡即可将各个子机的采样值同步并处理｡公用采集控制终端端口支持多种协议:HSR协议､IEC61850-9-2采样值(SV)､GOOSE协议,支持B码､1588对时方式｡采集控制终端设备采用免配置设计,不集成相关保护功能,免维护,实现即插即用､整体更换检修｡与常规变电站传统保护相比,虽然增加了公用采集控制终端数据传输和解析时间,但由于终端采用分相跳闸接点输出,节省了传统元件保护三相跳闸操作箱继电器重动时间,母线保护和变压器保护整体动作速度提高约8~10ms｡(三)基于多HSR的跨间隔保护配置原则跨间隔保护采用基于HSR的分布式“有主”模式,即单独设置保护主机,主机和各间隔公用采集控制终端之间通过环形通信网络串接,公用采集控制终端将本间隔采集的数据通过环网发送给保护主机,同时接收并转发其他所有间隔的信息,主机接收所有间隔的信息,完成所有保护逻辑判断功能,并将跳闸信号通过环网发送至各间隔公用采集控制终端,保护主机同时通过GOOSE发布和订阅与本保护相关的信号,并完成对外管理功能｡公用采集终端就地化安装后,如跨间隔保护主机仍安装在控制室内,保护主机与公用采集控制终端相距较远,光缆数量众多､调试和运维不变,因此跨间隔保护主机也采用就地化安装方式｡同时采用环网拓扑结构解决了集中式配置带来的功耗过大､电缆接线复杂､装置调试与检修复杂等问题｡同时与星形接线的分布式配置方式相比,由于HSR的数据冗余,主机与任一终端通信中断,环网通信不受影响,不会导致母线或变压器差动保护闭锁｡另外,采用HSR环网,可灵活根据变电站规模,划分不同HSR子环,有效减少HSR网络传输延时｡可接入间隔多,不增加额外的硬件资源,间隔扩展方便｡以母差保护为例,图2基于多HSR环的分布式母线保护配置方案｡基于多HSR环网的采样值同步应用是实现本系统的重要保证,如上所述,跨间保护各公用采集控制终端采样同步采用“谁使用谁同步”原则,其基本原理是跨间隔保护根据自己保护控制算法所需的某一固定采样率在其采样中断时刻发送采样事件报文(内含采样序号),各个公用采集控制终端通过HSR环网报文的延时测量与补偿技术推算出跨间隔保护发送报文的采样时刻,在本终端高速采样缓冲池内进行线性重采样计算得到相应模拟量采样值,并通过SV报文(内含相应采样序号)的方式发送至跨间隔保护,保护只需根据所需采样序号即可将各采集控制终端的采样值同步并处理｡学术争鸣216图2基于多HSR环网的分布式母线保护方案(四)主从结构的测控装置配置原则为实现保护就地化后变电站二次设备的统一配置与安装,测控装置也采用就地化无防护安装方式｡就地化测控装置独立单套配置,考虑到测控装置I/O数量需求众多,若集中在单台设备内不利于设备的小型化和就地布置,本方案测控采用主单元加从单元架构,主单元实现装置交流电气量采集和对外通信功能,从单元实现开入､开出､直流､闭锁的采集功能,采集容量可通过级联扩展单元的方式进行扩展｡同时测控主单元向相量测量单元(PMU)等自动化设备上送采样数据和位置信息,减少二次设备种类,提高装置的通用性｡三、网络构架方案单间隔保护采用电缆采样､电缆跳闸,采用基于多HSR网络的分布式设计将跨间隔保护间隔化,解决了跨间隔保护控制设备的数据传输问题｡本文综合考虑各类型设备信息流流量､信息流传输延时以及运行维护方便性,提出就地化网络架构用以解决站控层通信､站域保护､故障录波､网络分析仪等设备数据传输问题｡(一)基于PRP的MMS/SV/GOOSE三网合一架构1.PRP技术2008年IECSC65WG15发布了IEC62439高可用性自动化网络协议,其中的IEC62439-3规定了PRP,其技术原理如下｡PRP协议是通过在网络节点中而非网络结构实现网络冗余,使用遵从PRP协议的双连接节点(DANP)执行冗余｡DANP被连接到两个拓扑相似的独立局域网,命名为LAN_A和LAN_B,这两个局域网并行运行｡目标节点从两个局域网分别收到数据帧,基于丢弃算法选取首先到达的数据帧｡2.网络性能评估以36间隔变电站为例,评估网络性能指标｡站内二次设备主要包括2套电压互感器(TV)终端,2套母差､4套主变,72套间隔保护,72套终端,36套测控｡装置连接8个客户端计算(其中装置为双重化配置)｡线路间隔终端采样值按照13通道(IEC618509-2报文长度169B,HSR报文179B),主变终端采样值按照25通道(IEC618509-2报文长度265B,HSR报文275B)､TV终端采样值按照19通道传输(IEC618509-2报文长度217B,HSR报文227B),测控按照7通道(IEC618509-2报文长度121B,HSR报文131B),HSR装置网络采样率使用1.2KHz,共用网络SV为4KHz采样｡装置传输､开关量输出块按60个单点每2ms变位一次计算(GOOSE报文321B,HSR报文331B)｡根据各保护装置数据集以及数据集变化最快时间计算,单个线路､母差保护MMS报文的流量为0.864Mbit/s,单个主变保护MMS报文的流量为0.896Mbit/s,单个测控MMS报文流量为1.056Mbit/s计算｡由于HSR为双向环网,其总流量统计为单向流量的2倍｡文中后续性能评估都以该条件进行｡1)MMS,SV,GOOSE网络网络中传输站控层MMS报文､跨间隔保护､自动化装置所需的SV､GOOSE报文､保护装置之间的GOOSE联闭锁､测控装置之间的GOOSE联闭锁等信息｡网络延时主要为交换机网络延时｡数据帧通过交换机的延时主要包括帧发送延时(与帧长度成正比)､交换延时(从数据帧最后一位进交换机至数据帧第一位出交换机所需时间)和帧排队时延(数据帧在存储转发队列等待的时间)等｡由于网络流量较大,报文中类较多,网络采用星形连接,根交换机采用千兆交换机,其余可采用百兆交换机,具体实施应需根据工程实际合理配置､设置交换机｡2)跨间隔保护HSR网络装置HSR网络包括主变保护､母差保护HSR网络,实现实时采集数据､控制输出､同步信息以及装置系统的管理等信息交互｡按照本节开始的评估条件可以计算出母差､主变的HSR网络流量｡最小延时按照直接快速转发报文延时1.22μs计算(包含AD/DA等转换时间的本节点最小滞留时间),最大延时按照单节点等待最长1518帧长报文转发延时13.8μs计算(包含AD/DA等转换时间和最大报文发送时间);母线按照最大间隔,未将HSR分为多个环计算;对于每中断同时需要传输SV报文0.0540925M,单向传输需要54μs;延时分析中暂未考虑优先级｡将母差HSR网络分为多子环后,可有效提升HSR网络性能｡采用基于PRP的MMS/SV/GOOSE三网合一架构性能指标满足变电站设计需求,相对原有智能站减少了装置网络输出口､交换机数量､降低装置功耗及变电站成本｡(二)方案比较两种方案都采用了HSR等新技术,在不同的方面各有特点｡1.采用三网合一方案,采用了延时可测交换机,可减少装置的网络接口;网上设备退出运行时,对网络无影响｡2.采用三网合一方案,信息都通过一个网络传输,信息量大且种类多,需要对交换机进行优先级､虚拟局域网(VLAN)划分等进行设置,工程工作量较大｡3.采用基于全HSR环网的网络架构方案,装置具备多个HSR接口,但网络未使用交换机,减少了对交换机的依赖｡4.采用基于全HSR环网的网络架构方案,装置异常从网络中退出时,可能造成网络的单向运行或路由瞬时切换,但按信息流构造网络,信息流清晰且流量较少｡从网络性能看,两种方案都充分考虑了保护独立性以及数据的共享使用,能够满足二次设备就地化应用需求｡四、结束语本文提出了基于常规互感器采样的变电站二次设备就地化全站配置原则和网络构架方案,适用于各种接线方式和不同电压等级,就地化设备支持不同网络拓扑(星/树形和双向环网)｡相比智能站减少了全站二次设备､电缆和光纤､屏柜的数量和建筑面积｡通过单间隔设备功能纵向集成,加快保护动作速度;跨间隔保护分布式布置,利于保护就地下放｡优化配置,实现终端设备免配置,保护设备弱配置,降低了调试和运维工作量｡本文提出基于PRP的MMS/SV/GOOSE三网合一网络架构方案和全HSR环网的网络架构方案,在实现数据冗余､保证通信可靠性的同时,减少了相关设备的数量,实现了变电站安全可靠､经济高效运行,为变电站二次设备就地化实用化推广提供有益的参考｡参考文献:[1]裘愉涛,王德林,胡晨,等.无防护安装就地化保护应用与实践[J].电力系统保护与控制,2016,44(20):15.(作者单位:南京国电南自电网自动化有限公司)