數(shù)字化變電站過程層系統(tǒng)介紹

1、數(shù)字化變電站過程層系統(tǒng)認(rèn)識與實(shí)踐北京四方繼保自動化股份有限公司劉勇內(nèi)容提要n 數(shù)字化變電站過程層系統(tǒng)的概念和構(gòu)成n 數(shù)字化變電站過程層系統(tǒng)的主要技術(shù)問題n 數(shù)字化變電站的實(shí)踐工作變電站自動化發(fā)展的過去、現(xiàn)在與未來變電站自動化發(fā)展的過去、現(xiàn)在與未來數(shù)字化變電站的特征數(shù)字化變電站的幾個要素n 變電站的數(shù)字化模型n 高速通信網(wǎng)絡(luò)n 智能化的一次設(shè)備n 網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備n 其他：運(yùn)行管理數(shù)字化、變電站圖像監(jiān)視系統(tǒng)、變電站設(shè)備在線監(jiān)測、狀態(tài)檢修。過程層系統(tǒng)示意圖過程層系統(tǒng)定義n 過程層系統(tǒng)是連接智能化一次設(shè)備和保護(hù)、測控、狀態(tài)監(jiān)視等二次設(shè)備的系統(tǒng)。n 過程層系統(tǒng)的通信應(yīng)是實(shí)時的、高可靠性的、數(shù)據(jù)可共享的

2、。它主要傳輸兩類報(bào)文，采樣值報(bào)文SV和GOOSE報(bào)文。n 過程層系統(tǒng)是構(gòu)建未來數(shù)字化變電站的基礎(chǔ)。n合并單元（MU）n智能終端n同步對時設(shè)備n帶有過程層接口的間隔層設(shè)備n過程層總線設(shè)備（process bus） 一、數(shù)字化變電站過程層系統(tǒng)的構(gòu)成一、數(shù)字化變電站過程層系統(tǒng)的構(gòu)成合并單元（MU）n 對來自二次轉(zhuǎn)換器的各相電流電壓信號進(jìn)行時間相關(guān)性(同步)組合，并轉(zhuǎn)發(fā)給二次設(shè)備。n 完成各相電流電壓的采樣同步控制MU及電子互感器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展n IEC 60044-7 : Instrument transformers Electronic voltage transformersn IEC 60

3、044-8 : Instrument transformers Electronic current transformersn IEC 61850-9-1n IEC 61850-9-2 : Communication networks and systems in substations Part 9-2:Specific Communication Service Mappingn UCA 9-2 LE : Implementation guide for digital interface to instrument transformers using IEC 61850-9-2數(shù)據(jù)接

4、口ECTa（測量）ECTb（測量）ECTc（測量）ECTa（保護(hù)）ECTb（保護(hù)）ECTc（保護(hù)）ECT中性點(diǎn)EVTa合并單元EVTbEVTcEVT中性線EVT母線時鐘輸入電源數(shù)字輸出IEC61850-9-1、2應(yīng)用PTOCPDISPTRCXCBRIEDCircuit Breakern(na)“Wires“TripState of practicePTOCPDISPTRCXCBR“GSE*“TripIEDIEDDistributed SA withProcess BusPTOCPDISIEDIEDPTRCPTRCXCBRIED“GSE*“TripDistributed SA withProce

5、ss Bus& Prot. RedundancyDistributed Functions*Generic Substation EventFree allocation什么是 goose？n GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) n 一個機(jī)制，用來快速傳輸變電站的事件；諸如命令、告警、指示、信息。一個機(jī)制，用來快速傳輸變電站的事件；諸如命令、告警、指示、信息。n 單個的單個的 GOOSE 信息由信息由 IED 發(fā)送發(fā)送* 能被接收并被若干個接收者使用能被接收并被若干個接收者使用n GOOSE 利用了強(qiáng)大的以太網(wǎng)，支持實(shí)時的行

6、為要求。利用了強(qiáng)大的以太網(wǎng)，支持實(shí)時的行為要求。n 它被應(yīng)用的例子它被應(yīng)用的例子 斷路器的跳閘命令斷路器的跳閘命令 間隔閉鎖間隔閉鎖 不同間隔保護(hù)之間的水平通信不同間隔保護(hù)之間的水平通信GOOSE Sender Device XGOOSE ReceiverDevice YGOOSE ReceiverDevice ZEthernet一個裝置（發(fā)布者）發(fā)布消息一個裝置（發(fā)布者）發(fā)布消息, 只有訂閱者裝置正在接收它。只有訂閱者裝置正在接收它。每個接受者的反應(yīng)取決于它的配置和功能每個接受者的反應(yīng)取決于它的配置和功能例子例子GOOSE messageIEC 61850 GOOSE PrincipleTr

7、ipping via GOOSEGOOSE Sender Device XGOOSE ReceiverDevice YGOOSE ReceiverDevice ZEthernetFaultSimulationGOOSE message with commands for CB * tripping and disturbance recorder startingConfiguration: sender X - receiver ZY does not react“ “ Z starts itsdisturbance recording CB* off“Injection test devi

8、ce* CB = Circuit BreakerIEC 61850 GOOSE 定期發(fā)送GOOSE報(bào)文,并且通過重發(fā)相同數(shù)據(jù)來獲得額外的可靠性,并且逐漸增加SqNum 和傳輸時間來實(shí)現(xiàn)有效的傳輸。GOOSE報(bào)文中的SqNum 和 StNum 的初始值為1。當(dāng)有事件發(fā)生時，StNum 加1、SqNum變?yōu)?0 ，之后SqNum 順序加1。GOOSE報(bào)文發(fā)送過程中各種時間間隔推薦如下：T0: 穩(wěn)定條件(長時間無事件)下重傳時間間隔應(yīng)小于60秒并可配置。(T0): 穩(wěn)定條件下被事件縮短的重傳時間間隔應(yīng)小于T0。T1: 事件發(fā)生后,最短的傳輸時間間隔應(yīng)小于1秒并可配置。T2, T3: 直到獲得穩(wěn)定條件

9、的重傳時間間隔應(yīng)在1秒至20秒范圍內(nèi)。IEC 61850 GOOSE GOOSEIEC GOOSE裝置之間的信息交換: 端對端的通訊Information exchanging among IEDs: Peer-to-Peer communicationu 硬接點(diǎn)的反應(yīng)時間：硬接點(diǎn)的反應(yīng)時間： 信號時間設(shè)備給接點(diǎn)通電接點(diǎn)閉合到達(dá)開入量門檻時8-20ms裝置之間的信息交換: 端對端的通訊Information exchanging among IEDs: Peer-to-Peer communicationu 采用采用IEC61850 GOOSE 的網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)時間：的網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)時間： 信號時間設(shè)備A

10、發(fā)送信號網(wǎng)絡(luò)傳輸與沖突檢測時間4ms設(shè)備B收到信號在以太網(wǎng)上使用在以太網(wǎng)上使用GOOSE系統(tǒng)方案的主要技術(shù)問題同步采樣n 若采用就地采集單元，各電壓、電流之間，變壓器不同的電壓等級之間需考慮同步采樣n 變壓器差動保護(hù)從不同電壓等級的多個間隔獲取數(shù)據(jù)存在同步問題n 母線差動保護(hù)從多個間隔獲取數(shù)據(jù)也存在同步問題n 線路縱差保護(hù)線路兩端數(shù)據(jù)采樣也存在同步問題Time synch accuracy classesSV示例同步對時設(shè)備的技術(shù)問題n用于過程層同步對時設(shè)備的特殊性。n冗余熱備的同步對時設(shè)備。n可靈活配置、便于擴(kuò)展的主從時鐘設(shè)備n帶有守時功能的時鐘設(shè)備同步性問題l 根據(jù)不同保護(hù)對時間同步需求的

11、不同，將保護(hù)分為根據(jù)不同保護(hù)對時間同步需求的不同，將保護(hù)分為三類：三類：第一類保護(hù)的正確動作僅僅依賴于輸入信號的幅值，它第一類保護(hù)的正確動作僅僅依賴于輸入信號的幅值，它不要求信號在時間上的嚴(yán)格同步，例如過流保護(hù)、低電不要求信號在時間上的嚴(yán)格同步，例如過流保護(hù)、低電壓保護(hù)等；壓保護(hù)等；第二類保護(hù)的正確動作同時需要信號的相位和幅值，但第二類保護(hù)的正確動作同時需要信號的相位和幅值，但所需信號來自于同一變電站，所以只要保證站內(nèi)同步即所需信號來自于同一變電站，所以只要保證站內(nèi)同步即可實(shí)現(xiàn)保護(hù)的正確動作，比較典型的是距離保護(hù)和變壓可實(shí)現(xiàn)保護(hù)的正確動作，比較典型的是距離保護(hù)和變壓器差動保護(hù)。器差動保護(hù)。第三

12、類保護(hù)的正確動作也同時需要信號的采樣值，但是第三類保護(hù)的正確動作也同時需要信號的采樣值，但是所需信號只有在全站同步的情況下才能保證保護(hù)的正確所需信號只有在全站同步的情況下才能保證保護(hù)的正確動作。這類保護(hù)典型的是母線電流差動保護(hù)。動作。這類保護(hù)典型的是母線電流差動保護(hù)。同步信號丟失后保護(hù)系統(tǒng)的策略l 在同步信號丟失后。在同步信號丟失后。 對于第一類保護(hù)，保護(hù)仍能維持正確的動作狀對于第一類保護(hù)，保護(hù)仍能維持正確的動作狀態(tài)；態(tài)； 而對于第二類保護(hù)，雖然失步以后各信號間的而對于第二類保護(hù)，雖然失步以后各信號間的相位出現(xiàn)一定的誤差，但是由于數(shù)字采樣的高相位出現(xiàn)一定的誤差，但是由于數(shù)字采樣的高采樣率（每周

13、波采樣率（每周波9696點(diǎn)），這樣的相角誤差不會點(diǎn)），這樣的相角誤差不會超過超過4 4度，裝置在判斷出失步后，對算法進(jìn)行度，裝置在判斷出失步后，對算法進(jìn)行微調(diào)就可以適應(yīng)這種情況，無需閉鎖保護(hù)。微調(diào)就可以適應(yīng)這種情況，無需閉鎖保護(hù)。 第三類保護(hù)也應(yīng)在失去同步后延遲若干時間后第三類保護(hù)也應(yīng)在失去同步后延遲若干時間后被閉鎖。此后，只有檢測到同步信號恢復(fù)，保被閉鎖。此后，只有檢測到同步信號恢復(fù)，保護(hù)才能投入運(yùn)行。因此對于第三類保護(hù)必須冗護(hù)才能投入運(yùn)行。因此對于第三類保護(hù)必須冗余配置余配置傳統(tǒng)的變電站一次設(shè)備和保護(hù)的連接交流輸入模件變換微計(jì)算機(jī)開入開出模件人機(jī)對話模件端子箱 從CT、PT引出的電纜，根據(jù)

14、需要，在端子箱內(nèi)重新組成對應(yīng)各保護(hù)、 測量等回路，二次設(shè)備引入測量量，進(jìn)行A/D變換后，送入CPU處理判斷 CPU處理的結(jié)果，或合閘、跳閘、閉鎖（不允許其他的跳合閘起作用）通過開入開出板連接到開關(guān)端子箱。 在過程總線中，保護(hù)裝置的功能被組合到一次設(shè)備到一次設(shè)備，形成在過程總線中，保護(hù)裝置的功能被組合到一次設(shè)備到一次設(shè)備，形成新的接線模式。新的接線模式。數(shù)字化變電站中保護(hù)控制設(shè)備交流輸入模件變換微計(jì)算機(jī)開入開出模件人機(jī)對話模件MU一次設(shè)備的智能化改變了傳統(tǒng)變電站繼電保護(hù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)：一次設(shè)備的智能化改變了傳統(tǒng)變電站繼電保護(hù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)：1、A/D變換沒有了，代之以高速通信。變換沒有了，代之以高速通信

15、。2、開關(guān)量輸出、開關(guān)量輸出DO、輸入、輸入DI移入智能化開關(guān)，保護(hù)裝置發(fā)布命令，由一次設(shè)移入智能化開關(guān)，保護(hù)裝置發(fā)布命令，由一次設(shè)備的執(zhí)行器來執(zhí)行操作。備的執(zhí)行器來執(zhí)行操作。高速以太網(wǎng)通信可連接過程總線的保護(hù)設(shè)備*保護(hù)可接受符合IEC61850的采樣值數(shù)據(jù)格式。*采樣速率可達(dá)4800點(diǎn)/每秒，MU可達(dá)四組時，可保證數(shù)據(jù)順暢接受。*采用雙CPU與門判決方式，用雙路數(shù)據(jù)源保證出口的可靠性*每個CPU板配有100M以太網(wǎng)，光纖輸出和電氣輸出端口各一組。*在有同步脈沖，和失去同步脈沖時，裝置可根據(jù)情況執(zhí)行不同的保護(hù)邏輯。過程層總線設(shè)備的技術(shù)問題n工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)是核心元件n符合IEC-61850-3

16、規(guī)范n是IT數(shù)字網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時性要求最高的nVLAN的劃分n網(wǎng)段的合理規(guī)劃 協(xié)協(xié)議議棧棧接接口口 Client /Server 通通 訊訊 模模 擬擬 量量 采采 樣樣 值值 (SA V) 模模型型 (對對 象象,服服務(wù)務(wù)) 抽抽 象象 通通 訊訊服服 務(wù)務(wù) 接接 口口 (ACSI) 實(shí)實(shí)實(shí)實(shí)時時時時性性性性要要要要求求求求 以以 太太 鏈鏈 路路 層層 帶帶 優(yōu)優(yōu) 先先 級級 的的 以以 太太 物物 理理 層層 IP TCP MMS 特特定定 通通 訊訊 服服務(wù)務(wù) 映映 射射(SCSM) 通通 用用 變變 電電 站站 對對 象象 事事 件件 (GOOSE) 通通訊訊技技術(shù)術(shù) 應(yīng)應(yīng)用用 領(lǐng)領(lǐng) 域域

17、 ： 變變電電 站站 自自 動動化化 過程總線基本組網(wǎng)方案面向位置面向位置原則原則單一總線單一總線原則原則面向功能面向功能原則原則面向間隔面向間隔原則原則System architecture with 61850-9 BussesFlat communication architecturePerformance classes binary data, RMS valuesPerformance classes raw analog data系統(tǒng)方案的主要技術(shù)問題系統(tǒng)可用性和可靠性n 可用性（Availability）冗余 MTTFMTTF by repairn 可靠性（Security）

18、減少系統(tǒng)的環(huán)節(jié)和元件數(shù)量MTBR采用數(shù)字式電子互感器和智能高壓電器帶來的問題n 同步問題同步問題n 變電站設(shè)備可靠性和安全性考慮變電站設(shè)備可靠性和安全性考慮n 設(shè)備的壽命和可維護(hù)性設(shè)備的壽命和可維護(hù)性n 電子設(shè)備對環(huán)境的適應(yīng)性。如電磁干擾、溫度、濕電子設(shè)備對環(huán)境的適應(yīng)性。如電磁干擾、溫度、濕度等度等NGC EnglandTraws 400 kV substationConventional before retrofitIAIS實(shí)例實(shí)例Built- in 132 kV IAIS132 kV substation before retrofit數(shù)字化變電站的最終目標(biāo)是簡化整個變電站的建設(shè)，達(dá)成工

19、業(yè)和自然的和諧數(shù)字化變電站系統(tǒng)實(shí)施方案變壓器間隔的實(shí)現(xiàn)方案合并單元（ MU）*符合IEC61850-3的要求*能工作在500KV變電站的開關(guān)場內(nèi)，有優(yōu)良的抗EMC能力。*適應(yīng)環(huán)境溫度范圍寬*當(dāng)外界同步脈沖丟失時，利用內(nèi)部的同步時鐘仍可繼續(xù)工作，但數(shù)據(jù)幀中有反應(yīng)失步的信息*有鑒別同步脈沖是否有干擾的能力。通道1-通道12光纖以太網(wǎng)1光纖以太網(wǎng)2雙路秒脈沖同步電以太網(wǎng)接口直流電源n 與國內(nèi)外互感器廠家（北京浩霆光電、武漢長江通信、西安華偉、日本三菱、德國斯尼文特、 北京天威瑞恒）達(dá)成穩(wěn)定合作關(guān)系。過程層產(chǎn)品電子式互感器的分類 非常規(guī)互感器非常規(guī)互感器（NCITNCIT）光學(xué)互感器光學(xué)互感器（OCTOCT/ /OVTOVT）電子互感器電子互感器（ECTECT/ /EVTEVT）電壓電壓變換變換電流電流變換變換普克爾效應(yīng)（Pockel effect）法拉第效應(yīng)(Faraday effect)塞格奈克效應(yīng)(Sagnac effect)電阻分壓電容分壓羅柯夫斯線圈(Rogowski coil)無源型無源型傳感系統(tǒng)傳感系統(tǒng)有源型有源型傳光系統(tǒng)傳光系統(tǒng)