基于數(shù)字化變電站過程層的分布式母線保護(hù)方案

基于數(shù)字化變電站過程層的分布式母線保護(hù)方案

0數(shù)字變電站的分布式進(jìn)行合成系統(tǒng)的需求隨著新型傳感器技術(shù)、智能開關(guān)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，基于單元智能和二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)字能源技術(shù)已成為研究的重點(diǎn)。隨著數(shù)字化變電站進(jìn)程的大力推進(jìn),電力系統(tǒng)運(yùn)營商要求實(shí)現(xiàn)基于IEC61850的2層(變電站層和間隔層)結(jié)構(gòu)發(fā)展到3層(變電站層、間隔層和過程層)結(jié)構(gòu),變電站完全數(shù)字化的需求日趨強(qiáng)烈。為此,對應(yīng)用于數(shù)字化變電站的分布式母線保護(hù)的需求也日益迫切。分布式母線保護(hù)具有間隔多、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求高、數(shù)據(jù)通信量大等特點(diǎn),因此,其研制難度較其他數(shù)字保護(hù)大得多。本文將結(jié)合IEC61850協(xié)議的特征、數(shù)字化變電站過程層的特點(diǎn)和分布式母線保護(hù)的特殊需求展開分析。1各控制單元的耦合圖1是基于單個(gè)間隔單元信息的間隔保護(hù)實(shí)現(xiàn)方案。從圖中可以看出,過程層包括面向模擬量的合并單元和面向開入、開出量的控制單元2個(gè)部分,它們通過過程層以太網(wǎng)交換機(jī)與間隔層保護(hù)智能電子設(shè)備(IED)進(jìn)行通信,為間隔層保護(hù)IED提供所需的模擬量和開入量等信息。間隔層保護(hù)IED將判斷結(jié)果下傳到過程層IED,通過過程層控制單元執(zhí)行跳閘和閉鎖命令。2過程層控制單元母線保護(hù)與間隔保護(hù)的區(qū)別在于它的信息不是來源于單個(gè)間隔單元,而是一組間隔單元。其要求是:各間隔單元上傳的模擬量完全基于同一采樣時(shí)刻的采樣值,對采樣同步的要求較高;要求采樣數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)傳送;通過過程層交換機(jī)交換的數(shù)據(jù)量大,要求中央處理單元中的數(shù)據(jù)接口模塊具有較大的數(shù)據(jù)緩存空間和很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力;母線故障時(shí)要求過程層交換機(jī)能實(shí)時(shí)傳送跳閘命令。因并發(fā)的保護(hù)跳閘單元較多,若采取原有的點(diǎn)名式跳閘方式將急劇加大過程層交換機(jī)的信息流量,導(dǎo)致不同間隔跳閘不一致。為此,采取IEC61850中的發(fā)布者/訂閱者(P/S)模式,通過面向通用對象的變電站事件(GOOSE)向過程層控制單元發(fā)布母線保護(hù)的動作行為(如Ⅰ母動作或Ⅱ母動作),過程層控制單元根據(jù)采取的開入狀態(tài)決定是否跳閘。分布式母線保護(hù)基本實(shí)現(xiàn)方案見圖2。分布式母線保護(hù)包括中央處理單元、間隔處理單元和中央處理單元與各間隔單元的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)3部分。為保證分布式母線保護(hù)數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性,要求以太網(wǎng)交換機(jī)具有實(shí)時(shí)傳送采樣值和跳閘命令的能力,可設(shè)置優(yōu)先級,支持虛擬局域網(wǎng)(VLAN),滿足IEC61850-9-2采樣值實(shí)時(shí)上傳的要求和IEC61850-8-1GOOSE的要求,并將跳閘信息從中央處理單元下傳到多個(gè)間隔單元,傳輸延時(shí)小于4ms。2.1監(jiān)控主機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)為保證母線保護(hù)的可靠性,中央處理單元中的保護(hù)CPU插件采取雙冗余配置,即設(shè)置CPU1插件和CPU2插件,每個(gè)CPU插件上由前置處理數(shù)據(jù)CPU和保護(hù)CPU組成,二者之間通過中間介質(zhì)交換數(shù)據(jù)。為了均衡各CPU的負(fù)擔(dān),在中央處理單元中設(shè)置另一塊CPU插件CPU3。CPU3完成從各間隔交換機(jī)中收集狀態(tài)量信息,處理后通過內(nèi)部總線傳送給保護(hù)CPU1和CPU2插件,同時(shí)接受CPU1和CPU2插件跳閘出口信息,通過二取二控制方式,將跳閘命令轉(zhuǎn)換成GOOSE報(bào)文,通過數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)下發(fā)到各間隔單元進(jìn)行跳閘。除此功能外,CPU3還兼做內(nèi)部同步時(shí)鐘源,定時(shí)下發(fā)對時(shí)命令,對間隔處理單元中的合并單元同步采樣進(jìn)行控制。CPU1和CPU2中的數(shù)據(jù)接口模塊僅執(zhí)行模擬量收集工作,有益于減輕數(shù)據(jù)處理工作量,減少數(shù)據(jù)緩存的空間。中央處理單元實(shí)現(xiàn)方案見圖3。2.2間隔控制單元圖2是模擬量和開關(guān)量均數(shù)字化時(shí)分布式母線的實(shí)現(xiàn)方案,此時(shí)間隔處理單元由合并單元和控制單元組成。另外,針對不同的過程層情況,間隔處理單元的實(shí)現(xiàn)方式有所不同,具體實(shí)現(xiàn)方案如下。2.2.1間隔處理單元的保護(hù)圖4為模擬量和開關(guān)量均未數(shù)字化時(shí)的間隔處理單元構(gòu)成圖。如果在間隔處理單元中設(shè)置人機(jī)接口(MMI)和管理插件,并且其CPU功能強(qiáng)大時(shí),則間隔處理單元還可以兼做本間隔的后備保護(hù),如過流保護(hù)等。2.2.2分布式控制主機(jī)針對此種情況有2種實(shí)現(xiàn)方案。一種方案是模擬量保持?jǐn)?shù)字接口,而開關(guān)量保持模擬接口,即開入和開出通過控制電纜與中央處理單元中的開入模塊和開出模塊相連。這相對于集中式母線保護(hù)來說只是模擬量采樣數(shù)據(jù)來源不同,其他沒有任何區(qū)別。另一種方案是為了減少前一種方案中的二次控制電纜,對開入、開出實(shí)行就地?cái)?shù)字化。開入數(shù)字化后通過過程層交換機(jī)上傳至中央處理單元中的CPU3;CPU3收集到開入量后,通過中央處理單元的內(nèi)部總線傳送到保護(hù)CPU1和CPU2,保護(hù)CPU1和CPU2對保護(hù)行為進(jìn)行判斷,并將判斷結(jié)果通過內(nèi)部總線通知CPU3,CPU3再將判斷結(jié)果以GOOSE方式下傳到各間隔處理單元去執(zhí)行跳閘操作。具體實(shí)現(xiàn)方案如圖5所示。2.3傳輸線路的同步控制母線是一種跨多間隔的系統(tǒng),母線保護(hù)所需的量來自母線所連接的所有進(jìn)出線。因此,各間隔同步采樣是實(shí)現(xiàn)母線保護(hù)的關(guān)鍵,是分布式母線保護(hù)的一個(gè)重大難題。對集中式母線保護(hù)來說,母線保護(hù)所需的電流量和電壓量都是通過電纜連接的,以電磁波的傳輸速度傳送到保護(hù)裝置,此時(shí)認(rèn)為各通道的采樣是完全同步的。但對分布式母線保護(hù)來說,各間隔處理單元初始工作狀態(tài)不同步,其所需數(shù)據(jù)就地采樣,然后通過光纖介質(zhì)以有限的速率上傳,因此,必須通過某種方式來控制所有關(guān)聯(lián)的間隔同時(shí)采樣,這是保證分布式母線保護(hù)可靠性的首要條件。一個(gè)完善的分布式母線保護(hù),其同步手段不能單一,以免因唯一的同步源丟失而導(dǎo)致母線保護(hù)退出運(yùn)行,因此,應(yīng)該考慮2種以上的同步源,當(dāng)一種同步源丟失時(shí)能自動切換到另外的同步源。2.3.1多路同步對時(shí)高速端口測試外部時(shí)鐘同步是通過外設(shè)的同步時(shí)鐘發(fā)生裝置實(shí)現(xiàn)的。在同步時(shí)鐘發(fā)生裝置中用硬件方式實(shí)現(xiàn)多路同步對時(shí)高速串口,通過點(diǎn)對點(diǎn)的方式與間隔層合并單元的對時(shí)口之一相連,滿足分布式母線保護(hù)對時(shí)精度的要求(小于等于5μs),如圖6所示。2.3.2星形網(wǎng)絡(luò)對時(shí)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部時(shí)鐘同步是通過中央處理單元中的CPU3實(shí)現(xiàn)的,其對時(shí)網(wǎng)絡(luò)采用高速通信串口,以星形網(wǎng)絡(luò)方式與各間隔層合并單元的另一對時(shí)口相連,如圖7所示。它采取了與外部時(shí)鐘同步相同的脈沖編碼方式,便于實(shí)現(xiàn)內(nèi)外時(shí)鐘的切換。2.4關(guān)于散列方程保護(hù)的重要問題2.4.1不參與電流差動保護(hù)和有20%同步性保護(hù)目前國內(nèi)母線保護(hù)的出口方式由電流元件和電壓閉鎖元件串聯(lián)后實(shí)現(xiàn),母線保護(hù)中電壓閉鎖元件只是用來作為開放或閉鎖電流差動保護(hù)或斷路器失靈保護(hù)的一個(gè)條件,不參與電流差動保護(hù)和斷路器失靈保護(hù)判斷,所以對電壓和電流的同步性要求可以不做制約性要求,它的處理等同于電流,只是屬性為電壓而已。在完全數(shù)字化的變電站中,合并單元只是模擬量的簡單收集,不具有任何保護(hù)功能,此時(shí)電壓判別只能在中央處理單元中進(jìn)行,可將數(shù)字化后的電壓量作為過程層交換機(jī)中的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)傳送到中央處理單元的CPU1和CPU2中。2.4.2放空層網(wǎng)絡(luò)交換斷路器失靈保護(hù)需要間隔層其他保護(hù)如線路保護(hù)或變壓器保護(hù)的跳閘信息或斷路器控制單元的失靈啟動信號。對于完全數(shù)字化的變電站,這些信息需要通過間隔層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換。線路保護(hù)或變壓器保護(hù)或斷路器控制單元通過間隔層網(wǎng)絡(luò)將母線保護(hù)所需的信息以GOOSE報(bào)文發(fā)送,母線保護(hù)從間隔層網(wǎng)絡(luò)上接收相關(guān)的GOOSE報(bào)文,通過解析獲取與斷路器失靈保護(hù)相關(guān)聯(lián)的信息,然后進(jìn)行斷路器失靈保護(hù)判別。如果僅從保護(hù)信息傳輸?shù)慕嵌瓤紤],其實(shí)現(xiàn)方式有2種:通過管理插件中轉(zhuǎn);通過CPU3插件本身的網(wǎng)絡(luò)接口直接處理。前一種方式的可靠性決定于管理插件,從保護(hù)的可靠性上考慮,不推薦該方式,應(yīng)優(yōu)先選用后一種方式。2.4.3間隔層控制單元IEC61850支持2種通信模式:客戶/服務(wù)器(C/S)模式;P/S模式。母線保護(hù)關(guān)聯(lián)著多個(gè)間隔,一方面,它需獲取各個(gè)間隔的開入量,另一方面,當(dāng)保護(hù)動作時(shí)需同時(shí)跳開多個(gè)間隔的斷路器。從上行開入量來看,因?yàn)槟骋婚g隔的開入量既要被本間隔的保護(hù)裝置和測控裝置所利用,又要被跨間隔的母線保護(hù)所利用,如果選用C/S模式,顯然信息共享不可能。從下行開出量來看,如果按C/S模式去跳閘,母線保護(hù)花費(fèi)的時(shí)間較長,甚至可能導(dǎo)致不同間隔跳閘時(shí)刻差異較大。鑒于以上原因,選擇P/S模式最合適,當(dāng)母線保護(hù)動作跳閘時(shí),母線保護(hù)只需在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布母線保護(hù)動作信息,間隔處理單元中的控制單元根據(jù)自身的開關(guān)量信息確定是否去跳閘。間隔層中央處理單元和過程層控制單元之間的配合是通過模型配置文件實(shí)現(xiàn)的,在整個(gè)通信過程中二者均有可能作為發(fā)布者和訂閱者。在工程實(shí)施過程中,系統(tǒng)集成商使用系統(tǒng)配置器對間隔層設(shè)備及控制單元的接口控制文件(ICD)進(jìn)行處理。首先讀入并顯示發(fā)布者的ICD,從中獲取其作為GOOSE發(fā)布者用于發(fā)送的GoCB(GOOSEcontrolblock)和Dataset,根據(jù)Dataset各成員的含義,在訂閱者的ICD中使用Input語句添加與其類型相同的鏡像邏輯節(jié)點(diǎn),這些邏輯節(jié)點(diǎn)可以看做發(fā)布者在訂閱者一側(cè)的鏡像,與發(fā)布者Dataset中的順序和類型一致。當(dāng)作為訂閱者的IED接收到發(fā)布者發(fā)送的GOOSE后,將Dataset中各成員信息寫入對應(yīng)的鏡像邏輯節(jié)點(diǎn),經(jīng)過配置,作為訂閱者的IED配置后的功能描述文件(CID——configuredIEDdescription)就包含了與發(fā)布者的I