數(shù)字化集成保護(hù)與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案研究概要

1、第37卷第1期電力系統(tǒng)保護(hù)與控制Vol.37 No.1 2009年1月1日Power System Protection and Control Jan. 1, 2009 數(shù)字化集成保護(hù)與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案研究董新洲,丁 磊(清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)國家重點實驗室,北京 100084摘要:介紹了一種以多功能保護(hù)控制器MPCU為核心的數(shù)字化集成保護(hù)與控制系統(tǒng)DIPC。DIPC適用于數(shù)字化變電站,通過非傳統(tǒng)互感器、合并單元、以太網(wǎng)和多功能保護(hù)控制器實現(xiàn)整個變電站的保護(hù)和控制功能。其中的核心元件MPCU是一臺集中式的多功能數(shù)字裝置,從過程層總線接收多個設(shè)備的信息,完成變電站內(nèi)全部或部分設(shè)備的保護(hù)、控

2、制、量測等功能,并利用冗余的廣域信息提高保護(hù)與控制的性能。文章著重介紹了過程層總線的配置、MPCU的功能和結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞: 數(shù)字化變電站;數(shù)字化集成保護(hù)與控制系統(tǒng);多功能保護(hù)控制器Research on design of digital integrated protection and control systemDONG Xin-zhou, DING Lei(State Key Laboratory on Power System,Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084,China

3、Abstract: A digital integrated protection and control system(DIPC with a multifunctional protection and control unit(MPCU as the core is presented. In a digital substation, all protection and control functions can be realized by DIPC, which consists of the non-conventional instrument transformers, m

4、erging units, Ethernet and MPCU. MPCU is a centralized digital device with multifunctions. It gets the electrical data from process bus and integrates the functions of protection,control and metering of several electrical equipments. The performance of the protection and control can be improved by t

5、he integration of information. The configuration of the communication network, the principle, architecture and functions of the MPCU are also introduced.Key words: digital substation; digital integrated protection and control system; multifunctional protection and control unit中圖分類號: TM76;TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:

6、A 文章編號: 1674-3415(200901-0001-050 引言目前的變電站二次設(shè)備主要采用分層分布式結(jié)構(gòu),面向間隔,功能獨(dú)立。監(jiān)視、控制、保護(hù)、故障錄波、量測與計量等都是功能單一、相互獨(dú)立的裝置。這種按功能和間隔劃分的模式可靠性較高,任一裝置故障不會影響其他功能和對象,系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和開放性好。但硬件重復(fù)配置、CT和PT負(fù)載重、接線復(fù)雜、信息不共享、缺乏整體的協(xié)調(diào)和功能優(yōu)化、投資成本大、運(yùn)行維護(hù)成本高1。這些裝置一般基于單點信息,不具有全局視角,是一種硬件冗余而非信息冗余的系統(tǒng)模式,往往因有效信息不足作出錯誤的或局部最優(yōu)而非全局最優(yōu)的判斷,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,制約了變電站自動化技術(shù)的

7、發(fā)展。集成保護(hù)并不是一個新概念,在計算機(jī)被引入繼電保護(hù)的初期,就有學(xué)者提出利用一臺中央計算機(jī)實現(xiàn)整個變電站繼電保護(hù)功能的設(shè)想2。文獻(xiàn)3介紹了多功能繼電器(Multifunctional Relay,在多功能繼電器中,各種保護(hù)功能只是不同的軟件包,可以在同一個微處理器平臺上綜合實現(xiàn)。如果解決了可靠性問題,完全可以使用一臺微機(jī)裝置集成整個變電站的保護(hù)和控制。這種集成唯一的缺點是失去了硬件冗余,而這一點可以通過裝置的雙重配置來解決。受當(dāng)時計算機(jī)處理能力和可靠性的制約,這些設(shè)想未能實現(xiàn)。70年代末微處理器引入后,出于可靠性的考慮,繼電保護(hù)裝置逐漸向面向間隔、面向?qū)ο螵?dú)立設(shè)置的模式發(fā)展,但人們對硬件集成

8、、功能集成和信息集成的嘗試從未停止過。文獻(xiàn)4介紹了面保護(hù);文獻(xiàn)5提出了廣域差動保護(hù),將差動原理應(yīng)用到廣域范圍內(nèi);文獻(xiàn)6討論了廣域保護(hù)系統(tǒng)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用;文獻(xiàn)7提出了廣域后備保護(hù)系統(tǒng),利用專家系統(tǒng)思想計算保護(hù)的動作因子,確定故障位置;文獻(xiàn)8、9則提出了輸電線路集合保護(hù)和集成網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的概念。這些思想均體現(xiàn)了信息應(yīng)用的集成化。對繼電保護(hù)而言,相鄰間隔的元件信息是十分關(guān)鍵的,利- 2 - 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制用故障相鄰區(qū)內(nèi)的廣域的、冗余的信息,可以準(zhǔn)確的反映出故障狀態(tài),提供快速可靠的主保護(hù)和后備保護(hù)功能,簡化保護(hù)裝置之間定值和動作時間的配合。對控制系統(tǒng)而言,通過獲取全局冗余信息,有助于實現(xiàn)更優(yōu)化

9、的控制措施,各種控制措施之間能有機(jī)地配合協(xié)調(diào),最大限度的減小擾動帶來的影響和損失。但上述保護(hù)原理均是由多個保護(hù)裝置通過通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個分布式系統(tǒng),受限于通信的速度和可靠性,難以實現(xiàn)全局信息的有效利用;分布式的硬件結(jié)構(gòu)也造成了配置重復(fù),影響了信息處理速度,降低了保護(hù)控制的實時性和可靠性。微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展給集成保護(hù)控制的發(fā)展帶來了新的契機(jī)。微處理器的計算速度和可靠性大大提高,使得在一個裝置內(nèi)集成多個元件的多個功能成為可能,而變電站進(jìn)行數(shù)字化改 造后,更便于數(shù)據(jù)和信息的集中采集與共享。因此,在低電壓等級的配電變電站,如果將變電站全部或部分設(shè)備的保護(hù)、控制、量測和監(jiān)控等多種功能通過一臺多

10、功能數(shù)字裝置完成,構(gòu)成集成保護(hù)與控制系統(tǒng),則可以降低投資成本,減少運(yùn)行維護(hù)的工作量,并提高保護(hù)與控制的性能,提高變電站運(yùn)行的安全性和可靠性。1 數(shù)字化集成保護(hù)與控制系統(tǒng)數(shù)字化集成保護(hù)控制系統(tǒng)DIPC (Digital Integrated Protection and Control System 是指在數(shù)字化變電站中,通過非傳統(tǒng)互感器、合并單元MU (Merging Unit 、以太網(wǎng)和多功能保護(hù)控制器MPCU (Multifunctional Protection and Control Unit ,實現(xiàn)整個變電站保護(hù)和控制功能的系統(tǒng)。 過程層變電站層過程總線 圖1 數(shù)字化集成保護(hù)與控制系

11、統(tǒng)示意圖 Fig.1 The scheme of digital integrated protection andcontrol systemDIPC 由三部分組成:1 過程層設(shè)備:非傳統(tǒng)式互感器、智能開關(guān)、數(shù)據(jù)采集單元MU ;2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備:光纖以太網(wǎng)、交換機(jī)等; 3 多功能保護(hù)控制器MPCU :是DIPC 的核心,從以太網(wǎng)上接收變電站所有元件的信息,實現(xiàn)所有元件的保護(hù)、控制和量測等功能,并利用冗余的廣域信息提高保護(hù)與控制的性能。數(shù)字化集成保護(hù)控制系統(tǒng)的主要特征有: 1 應(yīng)用于數(shù)字化變電站,取消了二次接線,數(shù)據(jù)便于傳輸和共享。2 硬件集成。集成保護(hù)控制系統(tǒng)突破了間隔的限制,一臺裝置涵蓋多個保

12、護(hù)對象,實現(xiàn)對多個電氣設(shè)備的保護(hù)和控制,可以簡化硬件設(shè)置,降低投資成本,減少現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)的難度和工作量。3 功能集成。對每一個保護(hù)對象,均可實現(xiàn)保護(hù)、控制和量測等多種功能,并進(jìn)行功能優(yōu)化協(xié)調(diào),這同時也是一種硬件集成和間隔內(nèi)的信息集成。4 信息集成。主要是不同間隔間的信息集成,利用相鄰元件的冗余廣域信息來提高保護(hù)性能、優(yōu)化控制功能,保證全系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前的數(shù)字化變電站中,間隔層設(shè)備已經(jīng)基本實現(xiàn)了數(shù)字化,實現(xiàn)集成保護(hù)與控制系統(tǒng)需要重點研究多功能保護(hù)控制器MPCU 的開發(fā)及過程層總線的配置方式,變電站內(nèi)數(shù)據(jù)流的傳輸共享、MPCU 裝置的結(jié)構(gòu)和基于集成信息的保護(hù)控制算法則是研究的難點。2 多功

13、能保護(hù)控制器多功能保護(hù)控制器是一個集中式的多功能數(shù)字裝置,從過程層總線上接收多個設(shè)備的信息,實現(xiàn)對多個設(shè)備(變壓器、母線、線路等的保護(hù)、控制、量測等,是DIPC 的核心部分。 2.1數(shù)學(xué)模型 如圖2所示,MPCU 實際上是一個多輸入多輸出的多變量控制器,輸入量為各個設(shè)備的電壓、電流采樣值及開關(guān)節(jié)點的狀態(tài),輸出量則為報警提示信號、調(diào)節(jié)控制量和開關(guān)跳合閘命令。MPCU 所實現(xiàn)的繼電保護(hù)功能是一種開環(huán)的離散控制,而對設(shè)備參數(shù)的調(diào)節(jié)控制則是一種閉環(huán)的連續(xù)控制。、I U U U圖2 多輸入多輸出控制器模型Fig.2 The model of multivariable controller with m

14、ulti-inputand multi-output董新洲,等數(shù)字化集成保護(hù)與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案研究- 3 -2.2 主要功能及結(jié)構(gòu)MPCU所完成的主要功能有:1 從過程層總線上接收多個設(shè)備的SMV報文(Sampled Measured Values, 采樣值報文和GOOSE報文(Generic Object Oriented Substation Event, 面向通用對象的變電站事件等周期性數(shù)據(jù);2 對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,包括數(shù)字濾波、采樣率轉(zhuǎn)換、頻率跟蹤、傅里葉計算等;3 實現(xiàn)基于本地信息量和相鄰元件信息的繼電保護(hù)算法,包括線路保護(hù)、母線保護(hù)或變壓器保護(hù);4 實現(xiàn)基于廣域冗余信息的控制算法

15、和安全自動措施,如減載、電容器投切、電抗器投切、備自投等;5 實現(xiàn)對所涵蓋設(shè)備電氣量的測量,如電壓、電流、頻率、功率等;6 實現(xiàn)故障錄波、接地選線、異常狀態(tài)檢測與報警等監(jiān)察功能;7 與變電站管理后臺通信,接收定值設(shè)定和操作命令,上傳故障錄波數(shù)據(jù)、操作記錄等。在變電站中實現(xiàn)集成保護(hù),關(guān)鍵在于裝置的處理能力和可靠性,由于其保護(hù)范圍覆蓋多個間隔,需要接收的數(shù)據(jù)量比傳統(tǒng)二次裝置要多很多倍。在數(shù)字化變電站中,采樣值和開關(guān)動作信息是由MU 和智能開關(guān)采集后通過過程層總線傳送給二次裝置的。裝置通過以太網(wǎng)口從總線上接收采樣值報文的過程是串行的,這就使MPCU的通信接口成為速度瓶頸。接收到SMV報文和GOOSE

16、報文后,MPCU 還需要在采樣間隔內(nèi)進(jìn)行信號預(yù)處理和邏輯判據(jù)等大量計算,其計算量也數(shù)倍于常規(guī)保護(hù),給MPCU 自身的處理能力和處理容量提出了很高的要求?；谝陨峡紤],MPCU應(yīng)當(dāng)采用多網(wǎng)口通信、多CPU并行處理的模式。如圖3所示,MPCU由功能模塊、監(jiān)控模塊和I/O模塊構(gòu)成,各模塊間通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線Data Bus聯(lián)系,根據(jù)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換量的大小,Data Bus可使用CAN總線或內(nèi)部以太網(wǎng)。功能模塊為MCU和DSP構(gòu)成的雙CPU系統(tǒng),每個功能模塊負(fù)責(zé)4個MU和4個智能開關(guān)的數(shù)據(jù)處理,通過以太網(wǎng)口從過程層交換機(jī)接收相應(yīng)的采樣值報文和GOOSE報文,對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和判據(jù)計算,并基于本地信息作出相

17、應(yīng)的決策。當(dāng)需要其他設(shè)備的信息時,多個功能模塊通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線Data Bus交換計算中間量,由其中的兩個功能模塊進(jìn)行邏輯判斷并作出決策。監(jiān)控模塊完成人機(jī)接口、裝置運(yùn)行監(jiān)測和后臺通信等功能。I/O模塊為可選組件,適用于沒有智能開關(guān)的數(shù)字化變電站,用于開關(guān)的狀態(tài)輸入和跳合閘信號輸出。 Data Bus-裝置內(nèi)部數(shù)據(jù)總線 SMV-采樣值報文GOOSE-面向通用對象的變電站事件 MU-合并單元圖3 多功能保護(hù)控制器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The scheme of multifunctional protection and control unit 3 過程層總線配置及系統(tǒng)實現(xiàn)3.1 系統(tǒng)的實現(xiàn)形式

18、根據(jù)MPCU的處理能力及涵蓋的區(qū)域,DIPC 可分為三種不同的實現(xiàn)形式:1 單MPCU的全變電站集成保護(hù)與控制系統(tǒng):如圖4所示,通過一臺MPCU實現(xiàn)對全站設(shè)備的保護(hù)、控制、量測和監(jiān)察功能,兩套MPCU即可實現(xiàn)冗余備用,這也是DIPC發(fā)展的最終目標(biāo)。 圖4 單MPCU的全變電站DIPC示意圖Fig.4 IPC with single MPCU for whole substation2 按電壓等級分隔的多MPCU變電站集成保護(hù)與控制系統(tǒng):如圖5所示,分別使用高壓側(cè)MPCU 來實現(xiàn)高壓側(cè)母線及進(jìn)線的保護(hù)、控制、量測功能,- 4 - 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制使用變壓器MPCU實現(xiàn)變壓器的保護(hù)和控制,使用低

19、壓側(cè)MPCU實現(xiàn)低壓側(cè)母線及所有的饋線的保護(hù)、控制和量測。 圖5 按電壓等級分隔的多MPCU集成保護(hù)與控制系統(tǒng)Fig.5 IPC with IPC multi-MPCU, voltage grade oriented3 按母線(或段分隔的多MPCU變電站集成保護(hù)與控制系統(tǒng):如圖6所示,將變電站按區(qū)域劃分,由一臺MPCU涵蓋一段母線,完成母線保護(hù)和該母線所有出線的線路保護(hù)及相關(guān)的控制、量測功能,由變壓器MPCU變成變壓器的保護(hù)和控制。 圖6 按母線分隔的多MPCU集成保護(hù)與控制系統(tǒng) Fig.6 IPC with multi-MPCU, oriented by busbar or segment3

20、.2 過程層總線配置過程層總線承擔(dān)了連接一次智能化設(shè)備(MU、智能開關(guān)和二次網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備(MPCU的任務(wù)。按照IEC61850的描述,過程層總線有四種配置方式:1面向間隔,即點對點的形式,每個MU通過光纖與本間隔的二次設(shè)備直連;2面向位置原則,即就近將多個MU組成總線;3單一總線原則,即全站使用單一的通信總線;4面向功能原則,如將變壓器各側(cè)的MU組成總線以便于實現(xiàn)變壓器保護(hù)。由于通信速度的限制,目前的數(shù)字化變電站大多采用點對點的過程層連接方式,并未真正形成總線。DIPC的實現(xiàn)形式與過程層總線的配置相對應(yīng),使用單MPCU模式時,需要配置全站的單一總線;使用多MPCU模式時,則需要按位置和功能配置合

21、理的過程層總線。DIPC接收的數(shù)據(jù)量比傳統(tǒng)的二次裝置要多很多倍,對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性要求較高,需要對過程層總線進(jìn)行合理的配置。采樣值報文是典型的周期性數(shù)據(jù)流,數(shù)據(jù)流的到達(dá)周期就是過程層互感器的模擬量采樣周期,數(shù)據(jù)流量取決于局域網(wǎng)內(nèi)的MU個數(shù)和采樣率。當(dāng)局域網(wǎng)內(nèi)有多個MU時,由于MU具有同時發(fā)送大量數(shù)據(jù)的特點,將會在多個MU之間造成頻繁的沖突,要經(jīng)過多次碰撞和避讓才能達(dá)成通信的協(xié)調(diào),從而造成延時過長,使報文不能在存活時間內(nèi)到達(dá)MPCU或擠占了MPCU的計算時間。以3200 Hz采樣率為例,其報文的存活時間只有312.5 us,而Opnet仿真證實,2個MU和2個智能開關(guān)經(jīng)集線器廣播的延時大

22、約300 s,經(jīng)交換機(jī)廣播延時為26 s。所以應(yīng)采取各種措施來減少沖突和碰撞,主要的方法有:1 利用星型結(jié)構(gòu),采用存儲式交換機(jī)。采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)式交換機(jī)后,MU和交換機(jī)之間可以建立一對一的全雙工通訊,交換機(jī)和MPCU之間也可以建立一對一的全雙工通訊。所有MU傳遞上來的數(shù)據(jù)均存放在交換機(jī)的緩存中,排隊等待轉(zhuǎn)發(fā)。局域網(wǎng)內(nèi)的MU同時發(fā)送SMV報文將不會引起沖突和碰撞,報文傳送的延時僅僅是在交換機(jī)緩存中排隊的時間。2 采用全雙工模式,可以有效避免半雙工模式中的信道占用問題,使得下行的命令不會因大量上傳的SMV報文占用信道造成長時間延誤。3 合理建立VLAN(Virtual Local Area Netwo

23、rk, 虛擬局域網(wǎng)、使用訂閱/發(fā)布的組播(Multicast方式替代廣播方式,從而將大量數(shù)據(jù)的交換限制在合理范圍內(nèi),避免全局廣播引起的阻塞和延時。例如將某個功能模塊及其相關(guān)的MU及智能開關(guān)組成一個VLAN,在VLAN內(nèi)只傳輸與該功能模塊相關(guān)的數(shù)據(jù)信息,從而縮小沖突域,節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬,減少傳輸時延。4 提高以太網(wǎng)帶寬,使用千兆以太網(wǎng)構(gòu)建過程層總線,提高傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。董新洲,等數(shù)字化集成保護(hù)與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案研究- 5 -通過使用全雙工以太網(wǎng)、存儲轉(zhuǎn)發(fā)式交換機(jī)進(jìn)行合理的過程總線配置、改進(jìn)數(shù)字裝置的結(jié)構(gòu)和通信接口,結(jié)合VLAN和組播技術(shù),可以提高M(jìn)PCU 從過程層總線上接收大量數(shù)據(jù)流的效率

24、和速度,解決集成保護(hù)與控制系統(tǒng)的通信瓶頸問題。4 結(jié)論提出了基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站集成保護(hù)與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,通過集中采集、統(tǒng)一傳送站內(nèi)信息,進(jìn)行了信息的全面集成和功能的合理優(yōu)化、整合,使得原來分散的二次系統(tǒng)裝置變成了一個功能全面、運(yùn)行靈活的有機(jī)整體。以中央控制器MPCU為核心的數(shù)字化集成保護(hù)與控制系統(tǒng)DIPC利用非傳統(tǒng)互感器、合并單元、以太網(wǎng)和多功能保護(hù)控制器MPCU,實現(xiàn)整個變電站的保護(hù)和控制功能。MPCU從過程總線上接收信息,完成變電站內(nèi)全部或部分設(shè)備的保護(hù)、控制、量測等功能。通過合理的硬件集成、功能集成和信息集成簡化硬件設(shè)置、降低投資成本、減少運(yùn)行維護(hù)的難度和工作

25、量、并利用冗余的廣域信息優(yōu)化協(xié)調(diào)功能,保證全系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。數(shù)字化集成保護(hù)與控制系統(tǒng)的研究重點和難點將是多功能保護(hù)控制器的開發(fā)。參考文獻(xiàn)1 高翔. 數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)M. 北京: 中國電力出版社, 2008.GAO Xiang. Application Technologies of Digital SubstationM. Beijing: China Electric Power Press,2008.2 Rockerfeller G D. Fault Protection with Digital Computer.IEEE Trans. On PAS, 1969, 88(4: 4

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