曾慶釗

天津凱發(fā)電氣股份有限公司，天津 300392)

0 引言

在我國(guó)智能電網(wǎng)的建設(shè)進(jìn)程中，數(shù)字化變電站已在電力系統(tǒng)中得到了大范圍推廣，逐步替代了常規(guī)變電站，并正在向完全智能化方向發(fā)展[1]。事實(shí)證明數(shù)字化變電站對(duì)于經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的提高相當(dāng)可觀，能夠有效地降低變電站互聯(lián)互通的復(fù)雜性[2]。作為電力系統(tǒng)重要的分支，電氣化鐵路和軌道交通綜合自動(dòng)化領(lǐng)域牽引變電站大部分仍采用傳統(tǒng)變電站作為主要實(shí)現(xiàn)方式，近些年也有一些試點(diǎn)站在嘗試改進(jìn)[3]，但若需進(jìn)行大規(guī)模的推廣，仍需針對(duì)牽引變電站的現(xiàn)狀，研究符合牽引變電站數(shù)字化的發(fā)展模式。與電力系統(tǒng)變電站相比，牽引變電站在供電要求、負(fù)荷特征、電氣設(shè)備參數(shù)以及變電站接線方式等方面都有差異[4-5]。因此牽引變電站數(shù)字化改造，一方面要結(jié)合電力系統(tǒng)數(shù)字化變電站已取得的成果，另一方面也要考慮牽引變電站自身的特點(diǎn)。IEC61850 為變電站全站的通信一體化、二次設(shè)備間互聯(lián)互通提供了可能，而變電站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)系到通信的可靠性、穩(wěn)定性等多方面的性能指標(biāo)，對(duì)于牽引變電站數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究具有較強(qiáng)的必要性[6]。本文將以VX接線的牽引變電站為例，結(jié)合電力系統(tǒng)方案，給出牽引變電站的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，針對(duì)雙網(wǎng)冗余需求，給出一種基于并行冗余協(xié)議(PRP)的牽引變電站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1 牽引變電站結(jié)構(gòu)

IEC61850將變電站劃分為“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)[7]，包括站控層、間隔層和過(guò)程層。牽引變電站不同階段的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。傳統(tǒng)牽引變電站保護(hù)測(cè)控裝置到一次設(shè)備間的連接通常采用銅纜完成模擬量的采集和信號(hào)的傳輸。數(shù)字化牽引變電站全站統(tǒng)一采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)信息交互，新增合并單元MU(Merger Unit)、智能終端IT(Intelligent Terminal)、電子式互感器(ECT/EVT)及過(guò)程層交換機(jī)等設(shè)備，并采用光纖以太網(wǎng)代替銅纜，實(shí)現(xiàn)了二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化及一次設(shè)備初步智能化。

智能牽引變電站為牽引變電站數(shù)字化發(fā)展的最終目標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)一二次設(shè)備的高度集成化、就地化、網(wǎng)絡(luò)歸一化，“數(shù)字化”是實(shí)現(xiàn)智能牽引變電站的重要手段。

MMS:制造報(bào)文系統(tǒng);SV:采樣值;GOOSE:面向通用對(duì)象的變電站事件圖1 牽引變電站不同階段的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of traction substation in different stages

要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化改造，首先需對(duì)牽引變電站進(jìn)行間隔劃分，確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)備布局等。目前，客運(yùn)專(zhuān)線、高速鐵路主要采用全并聯(lián)自耦變壓器(AT)供電方式，該方式具有供電區(qū)間長(zhǎng)、電壓損失低、通信干擾小等突出優(yōu)點(diǎn)。接線方式則采用VX接線，具有供電能力強(qiáng)、投資成本低、占地面積小等顯著優(yōu)勢(shì)。典型的VX接線牽引變電站的間隔劃分及數(shù)量如表1所示。

表1 VX接線牽引變電站間隔劃分情況Table 1 Bay separation of VX-connected traction substation

圖2 基于雙環(huán)網(wǎng)的數(shù)字化牽引變電站站控層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2 Network architecture based on double loop network of substation level for digital traction substation

2 牽引變電站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 站控層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基本網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為總線型、星型和環(huán)型3類(lèi)[8]，星型和環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)于總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性較高，故牽引變電站常采用環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2給出了一種基于雙環(huán)網(wǎng)的數(shù)字化牽引變電站站控層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案。該方案建立了相互獨(dú)立的A、B雙環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以VX接線牽引變電站為例，按間隔分配交換機(jī)，各間隔的智能電子設(shè)備(IED)需內(nèi)置雙網(wǎng)接口支持站控層的雙環(huán)網(wǎng)冗余配置。站控層各監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)共用交換機(jī)，并配置雙網(wǎng)接口，建立雙網(wǎng)切換機(jī)制以滿足重要事件不丟失、日志記錄不間斷等要求。遠(yuǎn)動(dòng)網(wǎng)關(guān)機(jī)將間隔層“三遙”數(shù)據(jù)通過(guò)IEC60870-104規(guī)約傳輸?shù)秸{(diào)度中心。雙環(huán)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為牽引變電站的可靠性提供了保障，但由雙環(huán)網(wǎng)引起的一些關(guān)鍵問(wèn)題還需要解決。如環(huán)路問(wèn)題常采用快速生成樹(shù)協(xié)議RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol)，建立以站控層交換機(jī)為“根橋”的計(jì)算模型，將環(huán)路網(wǎng)絡(luò)修建成無(wú)環(huán)路的樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)，避免了報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中形成“廣播風(fēng)暴”問(wèn)題。

在站控層采用簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(SNTP/NTP)對(duì)時(shí)服務(wù)完成對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，與間隔MMS/GOOSE共用鏈路。通過(guò)以太環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了間隔層所有IED信息共享和統(tǒng)一監(jiān)控。

2.2 過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于重要單間隔IED的GOOSE、SV，采用直采直跳方式保證保護(hù)功能的可靠性，跨間隔IED、低電壓等級(jí)IED及計(jì)量IED采用網(wǎng)采網(wǎng)跳來(lái)確保其同步的需求，圖3給出了一種過(guò)程層組網(wǎng)架構(gòu)圖，主變間隔內(nèi)差動(dòng)保護(hù)為保證其可靠性采用直采直跳方式，其他測(cè)控IED、饋線保護(hù)、站域IED則采用網(wǎng)采網(wǎng)跳方式，高壓側(cè)合并單元所接互感器支持電子式互感器和傳統(tǒng)互感器，安裝于室外進(jìn)線側(cè)；低壓側(cè)互感器以氣體隔離開(kāi)關(guān)柜GIS(Gas Isolated Switchgear)的方式安裝于室內(nèi)，從可靠性層面和經(jīng)濟(jì)層面考慮，其僅支持傳統(tǒng)互感器即可。對(duì)于T母線間隔和F母線間隔，由于兩間隔相互關(guān)聯(lián)，采用組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，可以完成故障測(cè)距等重要功能。GOOSE和SV單獨(dú)組網(wǎng)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于過(guò)程層SV通信流量較大的情況；若SV通信流量較小，則采用SV和GOOSE共網(wǎng)方式更為簡(jiǎn)潔方便。

圖3 過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.3 Architecture design of process level network

3 牽引變電站網(wǎng)絡(luò)冗余方案的實(shí)現(xiàn)

3.1 雙網(wǎng)雙工和雙網(wǎng)熱備用模式

雙網(wǎng)雙工模式和雙網(wǎng)熱備用模式是目前國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)通用的冗余實(shí)現(xiàn)方案[9]，雙網(wǎng)雙工模式由2套完全獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)保證冗余的，而雙網(wǎng)熱備模式基于傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議(TCP/IP)的KEEPALIVE技術(shù)實(shí)現(xiàn)冗余的。雙網(wǎng)雙工模式可實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)的無(wú)縫切換，但站控層設(shè)備因在應(yīng)用層處理冗余報(bào)文而消耗大量資源，導(dǎo)致應(yīng)用實(shí)現(xiàn)復(fù)雜；雙網(wǎng)熱備用模式在一定程度上減少了應(yīng)用層處理冗余報(bào)文的復(fù)雜計(jì)算，但需實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)的切換機(jī)制邏輯，以保證任一獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，可以迅速切換到另一獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，切換時(shí)間間隔可通過(guò)切換策略盡可能地降低，但是無(wú)法消除。

3.2 含PRP的冗余方案實(shí)現(xiàn)

PRP是基于數(shù)據(jù)鏈路層的冗余協(xié)議，能夠在任意鏈路上實(shí)現(xiàn)，可解決應(yīng)用層冗余報(bào)文過(guò)濾的復(fù)雜計(jì)算過(guò)程，也可實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)間的無(wú)縫切換。圖4給出了PRP方案的原理示意圖，在含PRP的冗余網(wǎng)絡(luò)中，冗余節(jié)點(diǎn)DANP(Doubly Attached Node with PRP)起著重要作用。與雙網(wǎng)雙工、雙網(wǎng)熱備用模式不同，PRP冗余網(wǎng)絡(luò)中的IED和監(jiān)控設(shè)備均需配置MAC地址和IP地址均相同的雙以太網(wǎng)卡，通過(guò)鏈路冗余控制模塊LRE(Link Redundancy Entity)連接到上層協(xié)議，在LRE中處理重復(fù)報(bào)文，完成冗余管理。已有諸多文獻(xiàn)[10-11]提出了LRE模塊的實(shí)現(xiàn)算法。因此，采用PRP方案無(wú)需對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行任何改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)配合工作，簡(jiǎn)化了工程配置，提高了網(wǎng)絡(luò)可靠性。

圖4 含PRP的網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)功能結(jié)構(gòu)Fig.4 Function structure of nodes in network with PRP

根據(jù)PRP方案要求，可以對(duì)圖2所示的站控層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)含PRP的站控層雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示，對(duì)于含有雙網(wǎng)口的IED，若IED非DANP實(shí)現(xiàn)，則需安裝支持PRP的PCIe接口插卡，對(duì)于單網(wǎng)口IED，則需在網(wǎng)絡(luò)中配置冗余盒RedBox(Redundancy Box)模塊，通過(guò)RedBox模塊接入網(wǎng)絡(luò)中。 RedBox模塊專(zhuān)為單接口設(shè)備加入PRP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，同樣嵌入了LRE模塊的功能，使得單網(wǎng)口IED所產(chǎn)生的報(bào)文可通過(guò)RedBox模塊發(fā)送冗余報(bào)文和接收并過(guò)濾重復(fù)報(bào)文。

圖5 含PRP的站控層雙環(huán)網(wǎng)拓?fù)浼軜?gòu)Fig.5 Double loop network topology architecture with PRP of substation level

過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)中，若配置PRP，需在合并單元和智能終端測(cè)配置RedBox模塊將一次設(shè)備采集量、數(shù)字量接入PRP網(wǎng)絡(luò)，間隔層保護(hù)測(cè)控IED等需配置支持GOOSE和SV的PRP雙網(wǎng)接口。本文給出了一種含PRP的過(guò)程層雙星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)如圖6所示，其中，主變差動(dòng)保護(hù)采用直采直跳方式確保保護(hù)功能的穩(wěn)定高效，當(dāng)間隔數(shù)目較少時(shí)，可考慮將主變間隔和T、F母線間隔跨間隔共同組網(wǎng)，同時(shí)也可采用虛擬局域網(wǎng)(VLAN)技術(shù)按間隔劃分交換機(jī)，提高設(shè)備使用效率、降低成本。

圖6 含PRP的過(guò)程層雙星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)Fig.6 Double-star topology with PRP of process network

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化牽引變電站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)劣是變電站內(nèi)設(shè)備間通信可靠性的關(guān)鍵，含PRP的站控層雙環(huán)網(wǎng)拓?fù)浼軜?gòu)具有可靠性高、無(wú)縫切換、簡(jiǎn)化應(yīng)用等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前，PRP技術(shù)已被國(guó)外如ABB、西門(mén)子等知名公司所采用，并進(jìn)行了多次互操作實(shí)驗(yàn)，具有良好的效果，可以為牽引變電站數(shù)字化改造提供參考幫助。另外，雙環(huán)網(wǎng)的建設(shè)成本高，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有數(shù)字化二次設(shè)備不支持PRP等不利因素也需考慮。通過(guò)研究電力系統(tǒng)變電站智能化所取得成果，建設(shè)數(shù)字化牽引變電站不僅可以為牽引變電站帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，還是牽引變電站智能化的關(guān)鍵歷程。