陰玉婷，楊明玉，鄭永康

(1.華北電力大學(xué) 電力系統(tǒng)保護與動態(tài)安全監(jiān)控教育部重點實驗室，河北 保定 071003，2.國網(wǎng)四川省電力科學(xué)研究院，四川 成都 610042)

0 引言

二十世紀(jì)九十年代初，變電站自動化系統(tǒng)(Substation Automation System，SAS)開始在我國應(yīng)用，目前已得到全面推廣。隨著技術(shù)的進步和運行水平的提高，常規(guī)SAS逐漸暴露出一些不足[1]41[2]，主要表現(xiàn)在以下四個方面:(1)二次設(shè)備之間互操作性差;(2)系統(tǒng)可擴展性差;(3)信息難以實現(xiàn)共享;(4)系統(tǒng)可靠性受二次電纜影響，二次回路安全隱患多。而智能變電站具有“一次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、全站信息數(shù)字化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化、高級應(yīng)用互動化”等重要特征，它的出現(xiàn)，能很好的解決常規(guī) SAS所存在的上述問題。正是由于智能變電站的數(shù)字化特征，其大多數(shù)自動化功能的實施都依賴于通信，因此變電站通信網(wǎng)絡(luò)成為 SAS的核心[3－4]。

IEC 61850是國際電工委員會為了實現(xiàn)不同設(shè)備之間的互操作和信息共享而制定的系列標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了變電站內(nèi)智能電子設(shè)備(Intelligent Electronic Device，IED)之間的通信行為和系統(tǒng)要求，實現(xiàn)了互操作性、功能自由配置、良好的擴展性三個方面的目標(biāo)，是未來變電站自動化領(lǐng)域的唯一國際標(biāo)準(zhǔn)，也是智能變電站的基礎(chǔ)[5]。按 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)要求，智能變電站劃分為三層:過程層、間隔層、站控層。全站采用電子式電流電壓互感器(Electronic Current Votage Transformers，EVCT)并以光纜代替模擬電纜，在二次系統(tǒng)中增加智能終端，使一次設(shè)備具有智能化操作特性，采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約進行通信，實現(xiàn)了過程層的數(shù)字化，二次設(shè)備間實現(xiàn)了信息互通和共享[6]。

1 過程層的網(wǎng)絡(luò)化

傳統(tǒng)的SAS采用“間隔層+站控層”兩層結(jié)構(gòu)，過程層功能在間隔層設(shè)備中實現(xiàn)。隨著電子式電流電壓互感器和合并單元的工程應(yīng)用，越來越多的間隔層功能下放到過程層中，IEC 61850將傳統(tǒng)的兩層結(jié)構(gòu)分成了“過程層+間隔層+站控層”三層結(jié)構(gòu)。根據(jù)IEC 61850規(guī)定，由面向通用對象的變電站事件GOOSE傳輸變電站內(nèi)IED之間重要的實時性信號，如跳閘信號、閉鎖信號等，采樣值(Sampled Value，SV)用于傳輸采樣值及相關(guān)服務(wù)，如電流信號、電壓信號[7]。

1.1 過程層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

IED在智能變電站中大量應(yīng)用，采用何種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來連接這些IED，成為 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用遇到的首要問題。文獻[8]從SV、GOOSE是否組網(wǎng)角度分析比較了過程層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，指出只有SV、GOOSE均組網(wǎng)建設(shè)才符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)要求。文獻[9－10]討論了實現(xiàn)GOOSE組網(wǎng)的具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括總線型、環(huán)型、星型和混合型;文獻[9]指出星形結(jié)構(gòu)是過程層組網(wǎng)的最佳結(jié)構(gòu);文獻[10]從實時性、可靠性、安全性和經(jīng)濟性考慮，提出應(yīng)按電壓等級確定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，110kV變電站使用環(huán)形結(jié)構(gòu)，220kV及以上變電站使用星形結(jié)構(gòu);文獻[11]提出根據(jù)系統(tǒng)一次接線形式及繼電保護配置特點合理規(guī)劃繼電保護GOOSE網(wǎng)絡(luò)方案的方法;文獻[12]分析了SV、GOOSE共網(wǎng)后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.2 GOOSE、SV 組網(wǎng)

智能變電站建設(shè)過程中許多變電站采取將SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)從物理上分開[13]178，過程層網(wǎng)按電壓等級分成多個物理網(wǎng)的方式，來提高保護裝置反應(yīng)電力系統(tǒng)故障和異常工作狀態(tài)的正確性和快速性，保證模擬量傳輸、GOOSE跳閘和GOOSE開關(guān)量的獲取不受干擾，減少網(wǎng)絡(luò)流量，提高實時性和可靠性。但是如此一來，間隔層的裝置至少要提供三組以太網(wǎng)口，一組給(Multimedia Messaging Service，MMS)網(wǎng)，一組給SV網(wǎng)，一組給GOOSE網(wǎng)，使得變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)復(fù)雜化，并且對于母線差動保護和變壓器保護等需要和多個間隔交互信息的設(shè)備而言，SV和GOOSE分網(wǎng)帶來了很多麻煩。GOOSE、SV共網(wǎng)傳輸不僅可以簡化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)過程層信息高度共享，還可以使輔助信息的傳輸和輔助功能的實現(xiàn)更加便捷。文獻[12－14]詳細探討了SV、GOOSE共網(wǎng)的實現(xiàn)方法，不僅如此，文獻[15]中還對SV、GOOSE以及網(wǎng)絡(luò)精確對時IEEE 1588“三網(wǎng)合一”的組網(wǎng)方案進行了測試，提出了一種基于IEC 61439的PRP并行冗余技術(shù)方案。

1.3 可過程層 GOOSE網(wǎng)的實時性和可靠性

GOOSE技術(shù)要實現(xiàn)保護跳閘和邏輯閉鎖等重要報文的傳送，因此對實時性和可靠性要求高，而GOOSE通信受到多方面的約束，包括網(wǎng)絡(luò)交換機性能約束、嵌入式系統(tǒng)性能約束、應(yīng)用功能范圍約束、運行系統(tǒng)可靠性約束、工程方案可操作性約束、運行系統(tǒng)可維護性約束[16]。因此，要提高 GOOSE網(wǎng)的實時性和可靠性，必須考慮各種約束的影響。文獻[17－18]討論了GOOSE網(wǎng)存在的問題以及解決方法。在實時性方面，一般采用無連接傳輸模式、GOOSE報文帶上優(yōu)先級標(biāo)簽、采用OSI七層協(xié)議中的四層協(xié)議等方法;在提高可靠性方面，采用重發(fā)機制、引入數(shù)據(jù)流的控制參數(shù)、采用詢問－應(yīng)答模式。文獻[19]提出在發(fā)送端、交換機和接收端全方位實現(xiàn) GOOSE報文傳輸實時性。文獻[20]分析了VxWorks操作系統(tǒng)內(nèi)核的特點，提出了基于 VxWorks的 IEC 61850 GOOSE發(fā)布的實現(xiàn)方案來提高GOOSE網(wǎng)的可靠性。文獻[21]將GCM(伽羅華/計數(shù)器模式)加密認(rèn)證算法用于加密智能變電站的網(wǎng)絡(luò)報文，驗證了此加密算法能夠保證報文的實時性，從而論證了GCM算法可以提高網(wǎng)絡(luò)報文的可靠性。文獻[22]認(rèn)為對網(wǎng)絡(luò)流量的優(yōu)化管理可以提高過程層網(wǎng)絡(luò)工作的穩(wěn)定性和可靠性，在比較了多種流量管理方法的基礎(chǔ)上，提出了靜態(tài)組播管理是適合現(xiàn)階段過程層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的管理方式。文獻[23]以全站邏輯閉鎖功能為例建立了馬爾科夫狀態(tài)模型，討論了GOOSE應(yīng)用的可靠性。

2 智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1 智能變電站早期網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在變電站智能化發(fā)展過程中，出現(xiàn)了多種智能化程度不同的變電站，國內(nèi)的專家學(xué)者也對此進行了諸多研究。早期的智能化變電站利用IEC 61850協(xié)議將變電站設(shè)備模型化，僅實現(xiàn)間隔層和站控層設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化，過程層設(shè)備仍為傳統(tǒng)模擬信號設(shè)備，此類變電站通信網(wǎng)絡(luò)簡單，但是智能化程度很低，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1。文獻[24]提出了一種基于點對點技術(shù)的智能變電站，這種變電站同樣采用IEC 61850協(xié)議、電子式互感器及智能終端，不同的是它放棄了過程層的網(wǎng)絡(luò)化，而是采用可靠性更高的點對點模式，這種模式對于間隔設(shè)備較少的變電站具有較強的示范作用，也是對智能變電站技術(shù)的一種新的探索，但是它網(wǎng)絡(luò)化程度不高。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 早期智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 采用點對點技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2 智能變電站理想網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

較理想的智能變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用智能開關(guān)設(shè)備、EVCT等智能設(shè)備，構(gòu)成雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)的獨立過程網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)變電站信息采集、傳輸、處理、輸出過程全部數(shù)字化，滿足設(shè)備智能化、通信網(wǎng)絡(luò)化、模型和通信協(xié)議統(tǒng)一化、運行管理自動化等基本特征，具有很高的經(jīng)濟性和可靠性，如圖3所示。文獻[25]對理想的智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行了進一步改進，它根據(jù)站級網(wǎng)絡(luò)與過程網(wǎng)絡(luò)是否聯(lián)通，提出了獨立過程網(wǎng)絡(luò)和全站唯一網(wǎng)絡(luò)兩種智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)組建方案。獨立過程網(wǎng)雖然具有很多優(yōu)點，但是它的缺點也不容忽視，比如，間隔之間無法共享過程層數(shù)據(jù);網(wǎng)絡(luò)設(shè)備較多，設(shè)備投資增加;站級網(wǎng)絡(luò)和過程網(wǎng)絡(luò)冗余受到間隔層IED網(wǎng)口限制等。而全站唯一網(wǎng)絡(luò)使得變電站內(nèi)所有智能設(shè)備(包括EVCT)都接入同一個網(wǎng)，任意智能設(shè)備之間，都能直接通過該網(wǎng)絡(luò)交互信息，使過程層數(shù)據(jù)得到最大程度的共享。這種組網(wǎng)方式，目前的技術(shù)水平還較難實現(xiàn)，但是它將是智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的最終形態(tài)，如圖4所示。文獻[26]也提出了類似的建立全站唯一網(wǎng)的觀點。

圖3 較理想智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖4 全站唯一網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.3 智能變電站實用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由于目前技術(shù)條件的限制，主要是智能開關(guān)設(shè)備還未投入工程應(yīng)用，理想的智能變電站無法實現(xiàn)，只能采用智能終端與傳統(tǒng)開關(guān)二次回路連接，作為現(xiàn)階段智能開關(guān)的解決方案，這種通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化程度高，適應(yīng)現(xiàn)階段變電站硬件的智能化，也有利于二次狀態(tài)監(jiān)測的實現(xiàn)。實際應(yīng)用中，國家電網(wǎng)公司考慮到保護測控裝置的實時性和可靠性，除了過程層組網(wǎng)外，采用將一路采樣值和跳閘信號直接接入保護測控裝置的“直采直跳”方案，即實現(xiàn)了過程層信息共享，又保證了保護測控裝置安全可靠，因此也是目前使用最廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖5。

另外，文獻[27]還對采用無線通信技術(shù)彌補現(xiàn)有有線通信靈活性不足做了研究和設(shè)計。

圖5 智能變電站實用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 二次網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展

常規(guī)變電站通過微機型保護及微機型故障錄波器等二次設(shè)備的自檢和通訊功能，實現(xiàn)對逆變電源、電流、電壓回路、采樣數(shù)據(jù)合理性、保護定值完整性、保護的輸入輸出節(jié)點、保護數(shù)據(jù)通信環(huán)節(jié)、執(zhí)行回路可靠性等的監(jiān)視[1]41。但是，這種常規(guī)的方法，存在二次回路無法在線監(jiān)測的瓶頸問題，并且連接片(壓板)狀態(tài)監(jiān)測困難，大量銅纜的使用，也使回路絕緣狀況的監(jiān)測也十分繁瑣，經(jīng)濟性與可靠性不高。智能變電站采用光纜代替電纜，保護測控裝置的輸入輸出均為數(shù)字信號，現(xiàn)場的采樣數(shù)據(jù)、開關(guān)狀態(tài)信息實現(xiàn)基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一信息建模，能在全站甚至廣域范圍內(nèi)共享，為二次網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

3.1 二次網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測系統(tǒng)早期探索

文獻[28]利用集控站監(jiān)控系統(tǒng)將各變電站保護用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，監(jiān)控保護運行工況，從而實現(xiàn)二次設(shè)備狀態(tài)檢修。該方法不涉及網(wǎng)絡(luò)報文的監(jiān)控，僅僅利用設(shè)備自檢信息進行狀態(tài)監(jiān)測。隨著通信網(wǎng)絡(luò)在智能變電站的廣泛使用，針對現(xiàn)階段廣泛使用的智能變電站“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，學(xué)者們在網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測方面做了更多有益的嘗試。文獻[29－30]開發(fā)的GOOSE報文捕獲工具，能夠捕獲網(wǎng)絡(luò)報文并進行存儲，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生堵塞或其他問題時，可以調(diào)取日志進行事故分析和診斷，類似于變電站故障錄波裝置，但是它不具有GOOSE在線分析和報文回放測試等功能。文獻[31]中描述的網(wǎng)絡(luò)通信黑匣子，能夠重現(xiàn)變電站自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的全過程，準(zhǔn)確定位和分析變電站自動化系統(tǒng)的故障原因，但是同樣不具備在線分析功能。

3.2 二次網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀

近年來，出現(xiàn)了一些較為成熟的網(wǎng)絡(luò)分析儀。文獻[32]中的規(guī)約分析儀，可以實現(xiàn)過程層網(wǎng)絡(luò)上所有GOOSE報文的接收，并對這些報文進行實時分析，記錄報文內(nèi)容，檢查報文的語法，提取報文的傳輸特征，利用這些信息分析、監(jiān)視IED設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)的運行狀況，這種分析儀僅能對過程層GOOSE報文進行監(jiān)視。文獻[33]中設(shè)計的通信在線監(jiān)視分析系統(tǒng)實現(xiàn)了對智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中通信報文的實時偵聽和記錄，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)報文IEC 61850一致性分析、MMS通信過程、GOOSE通信過程、GOOSE事件以及GOOSE實時監(jiān)測結(jié)果等基本功能，實時GOOSE報文異常過程統(tǒng)計、實時報文間隔統(tǒng)計典型功能。記錄儀采用連續(xù)循環(huán)存儲方式，存儲通信網(wǎng)絡(luò)的原始數(shù)據(jù)。文獻[34－36]采用將網(wǎng)絡(luò)通信記錄分析系統(tǒng)分為記錄儀和分析儀兩個子系統(tǒng)的方案，實現(xiàn)變電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信的在線監(jiān)視、記錄和各種分析，除了能對GOOSE、MMS、SV報文進行在線分析外，由于記錄了過程層和站控層網(wǎng)絡(luò)的信息，還能分析潛在的網(wǎng)絡(luò)故障，并對網(wǎng)絡(luò)性能進行評估。面對海量報文信息，文獻[35]采用特殊設(shè)計的智能網(wǎng)卡，提高了網(wǎng)卡吞吐量，從而提高了記錄儀可接入的合并單元數(shù)量。常用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)分析儀常用接入結(jié)構(gòu)

3.3 二次網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測系統(tǒng)存在的不足

智能變電站中二次設(shè)備主要通過接收數(shù)據(jù)的異常情況進行二次回路的監(jiān)視，當(dāng)某個設(shè)備異常時，可能造成多個連接設(shè)備發(fā)出鏈路異常信號，運行人員看到大量的鏈路出錯信息之后，可能會無所適從，所以，需要通過高級應(yīng)用智能報警功能對這些鏈路異常信息進行分析匯總，通過相關(guān)信息的數(shù)據(jù)挖掘，形成一個最終的異常原因展示給運行人員，以便下一步的工作進行。另外，網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)量大，有用、無用、可用、可不用的信息均被記錄。根據(jù)現(xiàn)場對網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測系統(tǒng)的調(diào)試情況看，記錄數(shù)據(jù)量大，會給事后分析、故障查找?guī)砣缦聨讉€問題:

(1)網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測系統(tǒng)僅按設(shè)備記錄信息，不便于信息分類查找。

(2)網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測系統(tǒng)不具備指令追蹤查找能力，無法快速定位信息流轉(zhuǎn)波及片段數(shù)據(jù)。

(3)網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測系統(tǒng)不具備直接定位異常、故障信息的能力，只是大而全的顯示全部事件信息，沒有給調(diào)試、運行、維護人員帶來工作效率的提升。

4 結(jié)束語

智能變電站的出現(xiàn)，使變電站信息通過通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了共享。如何簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)全站信息最大限度的共享，提高智能變電站的二次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化程度，充分挖掘和利用豐富的網(wǎng)絡(luò)信息，也成為近年來的研究熱點。但是，由于技術(shù)條件的限制、運行經(jīng)驗不足以及受到智能變電站運行的可靠性和實時性的限制，智能變電站二次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)還在不斷地探索過程中，而目前對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的挖掘和利用，也遠遠不夠?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)分析儀，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)報文在線監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)潛在故障分析，對于繼電保護裝置存在的隱性故障卻無能為力。要通過狀態(tài)監(jiān)測判斷隱性故障元件，需要對變電站的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)、暫態(tài)數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)等全站信息進行充分挖掘和高度整合，形成智能變電站的全景信息中心，在此基礎(chǔ)上可實現(xiàn)故障分析定位等高級應(yīng)用，最終實現(xiàn)智能變電站二次系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測。

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