吳雯

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇 常州 213000）

IEC61850由于運行可靠和成本效益高，具備智能診斷工具，并且可以降低維護成本、改善通信能力、易于測試及調(diào)試、減少終端點數(shù)目、縮短項目時間等優(yōu)點，正逐漸得到變電站系統(tǒng)的應(yīng)用。使用IEC61850的變電站在其數(shù)字布線方案中使用光纖（FO）和以太網(wǎng)電纜，并配有智能電子設(shè)備（IED）［1］。這些簡易裝置之間相互通信，并以微秒速度在各種保護裝置之間傳輸數(shù)據(jù)。然而，IEC61850協(xié)議有其自身的問題。當(dāng)多廠商設(shè)備（如IED、交換機和合并單元（MU））在變電站自動化系統(tǒng)（SAS）中連接時，由于特色問題而造成延遲。傳輸數(shù)據(jù)包的通信或延遲可能進一步導(dǎo)致互操作性問題［2-3］。為了緩解這些問題，變電站需要投入額外的設(shè)備，使整個電路復(fù)雜化。

簡易IED裝置之間的通信通常是在使用FO電纜的以太網(wǎng)平臺上進行的，F(xiàn)O接線和連接在很大程度上減少了SAS網(wǎng)絡(luò)中的銅線使用。根據(jù)IEC61850標(biāo)準，在測試過程中，預(yù)計不會出現(xiàn)單點故障，這可能導(dǎo)致SAS無法操作［4-5］。因此，本文研究和實驗特定拓撲結(jié)構(gòu)下多設(shè)備IED中GOOSE 信息傳遞延遲時間的相關(guān)性能是非常有意義的。

1 站控總線技術(shù)分析

1.1 啟用IEC61850變電站的功能級別

一個典型的SAS有三個關(guān)鍵功能，如圖1所示。主要功能是控制、監(jiān)測和保護，這是在一個具有IEC61850的數(shù)字高壓變電站中進行的，該變電站具有三個層次的功能層次，即站控層次、間隔層次、過程層次。

圖1 變電站自動化系統(tǒng)接口模型

在工藝層面，開關(guān)站儀表變壓器的模擬電流和電壓被輸入合并數(shù)據(jù)庫。模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)包，并通過局域網(wǎng)（LAN）上的FO電纜傳輸，用于間隔層水平的保護和控制設(shè)備。這些數(shù)字信號不斷地掃描網(wǎng)絡(luò)，并通過相關(guān)的IED裝置尋找跳閘、故障、可用、報警等事件。在站控級，對來自不同間隔層的數(shù)據(jù)進行處理和實現(xiàn)，并被集成以執(zhí)行保護和控制功能。這種使用FO和以太網(wǎng)電纜的方法顯著降低了二次銅線的使用成本。在一個實際裝置中，以10/100Mbs/s 的局域網(wǎng)速度進行性能測試，從保護和可靠性的角度分析，這些性能測試足以符合在星型拓撲中的測試速度。

如圖2顯示了SAS 網(wǎng)絡(luò)中的星型拓撲結(jié)構(gòu)。在此體系結(jié)構(gòu)中，每個級別都使用以太網(wǎng)交換機直接連接到一個中心節(jié)點。這種拓撲通過使用節(jié)點設(shè)備交換機（如交換機、冗余盒等）的以太網(wǎng)鏈路進一步擴展，連接站控制器的以太網(wǎng)交換機?？傮w拓撲結(jié)構(gòu)符合IEC61850標(biāo)準的要求。

圖2 變電站自動化系統(tǒng)的星型架構(gòu)

在基于IEC61850環(huán)境的實際場景中，典型的信息傳輸速率從類型1到類型5不等，傳輸數(shù)據(jù)包延遲從0到1000毫秒不等。時間關(guān)鍵信息是類型1，通常需要在變電站保護跳閘，并有二進制代碼包含數(shù)據(jù)、命令和簡單的信息。在變電站環(huán)境中，從保護的角度來看，跳閘時間是至關(guān)重要的，如表1中列出了典型的類型1消息跳閘時間。

表1 類型1信息的跳閘時間

1.2 基于OPNET的以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

基于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)工程工具（OPNET）模擬了一個典型的110/10kV 變電站的星型結(jié)構(gòu)模型，在實驗室中，考慮了10-Mb/s和100-Mb/s 的局域網(wǎng)速度。不同類型信息的優(yōu)先次序列于表2所示，為數(shù)字變電站內(nèi)不同的IED裝置提供服務(wù)。在給定的星型體系結(jié)構(gòu)中，SAS根據(jù)IEC61850-5協(xié)議，所有時間關(guān)鍵消息，即倍率為類型1的消息，聯(lián)鎖是類型2的信息等，按降序分配優(yōu)先級。

表2 信息類型

2 仿真及結(jié)果分析

2.1 基于OPNET建模的變電站設(shè)計

一個典型的110/10kV區(qū)域變電站如圖3所示，其中兩個110kV的輸入端通過兩個額定為110/10kV，40-MVA 的電力變壓器以雙冗余n-1方案連接到2×10kV開關(guān)板上，2×10kV單節(jié)母線通過母線接頭連接，以便進行維護和停運。

圖3 110/10kV 區(qū)間變電站線路圖

圖4是一個基于OPNET實驗室的仿真，使用了星型拓撲結(jié)構(gòu)，兩個單總線A1和A5之間的總線連接，在閉合條件下，一個星型拓撲中的兩個獨立的進程總線連接到路由器1。母線分別被指定為A1和A5，如線路圖3所示，并由一個10kV母線聯(lián)絡(luò)斷路器隔離。雙過程總線是指10kV電平的A1和A5母線接頭處于ON位置的總線。局域網(wǎng)速度為10Mb/s，總線連接為ON和OFF的參數(shù)結(jié)果見表3。

表3 局域網(wǎng)速度為10MB/s時，單進程和雙進程總線中延遲

圖4 斷開狀態(tài)下帶總線接頭的進程總線

表3展示了單進程和雙進程總線模式中的消息延遲，其采樣速度從每秒256個采樣到每秒960個采樣不等。它還顯示了從進程到站點服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄妥畲笱舆t。最大采樣速度960是具備文件設(shè)置和傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包?？梢杂^察到，當(dāng)局域網(wǎng)速度為10Mb/s 時，在X-Y坐標(biāo)上的OPNET輸出模型中顯示了不同采樣速度下單雙進程總線的延遲，如圖5（a-b）中時間與速度曲線為單進程線仿真圖，圖6（a-b）所示為雙進程總線傳輸延遲。

圖5 局域網(wǎng)速度為10Mb/s時，單進程總線數(shù)據(jù)傳輸延遲

圖6 局域網(wǎng)速度為10Mb/s時，雙進程總線數(shù)據(jù)傳輸延遲

圖7展示了一個閉合狀態(tài)下的進程總線，總線接口為ON。在10kV水平上考慮了A1和A5總線的數(shù)據(jù)傳輸，延遲時間列于表4中。對100Mb/s 的局域網(wǎng)速度進行了模擬，如圖8（a-b）及圖9（a-b）所示。此數(shù)據(jù)符合在SAS環(huán)境中涉及IED和交換機的現(xiàn)實場景的理想選擇。

表4 局域網(wǎng)速度為100MB/s 時，單進程和雙進程總線延遲

圖7 總線接頭在開關(guān)ON位置雙線程

圖8 局域網(wǎng)速度為100Mb/s時，單進程總線數(shù)據(jù)傳輸延遲

圖9 局域網(wǎng)速度為100Mb/s時，雙進程總線數(shù)據(jù)傳輸延遲

3 結(jié)果分析

在110/10kV 數(shù)字化變電站中，采用OPNET模擬器對兩種局域網(wǎng)速度（10-Mb/s及100-Mb/s）進行仿真，觀察具有類型IED 的星型拓撲結(jié)構(gòu)中GOOSE信息傳輸?shù)男阅?。在整個模擬過程中，采樣速度不同，了解具有多類型IED、交換機和外圍設(shè)備的典型星型配置的SAS網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)，同時評估IED之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅堋?/p>

在局域網(wǎng)速度為10Mb/s時，單進程總線的局域網(wǎng)速度與雙進程總線的延遲時間大致相同。此外，還觀察到，10Mb/s的局域網(wǎng)速度下，容量足以確保網(wǎng)絡(luò)中的延遲盡可能保持最低。以采樣速度每秒960個為最大采樣，網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)歷的最大延遲為0.005ms。這個數(shù)字相當(dāng)?shù)停@示了嚴格的優(yōu)先級調(diào)度在減少延遲方面的影響，優(yōu)先級數(shù)據(jù)首先傳輸，以確保關(guān)鍵動作信號在盡可能短的時間內(nèi)傳輸?shù)阶罱K目的地，實現(xiàn)最小延遲。

在10Mb/s的局域網(wǎng)速度下，網(wǎng)絡(luò)負載增加了960個采樣/s的最大量，信息傳輸?shù)钠骄舆t時間增加了0.003ms。系統(tǒng)延遲一般是恒定的，因此，即使實施了嚴格的優(yōu)先級調(diào)度，傳輸網(wǎng)絡(luò)也可以處理大量的數(shù)據(jù)加載，以減少網(wǎng)絡(luò)中的延遲。對于100Mb/s的局域網(wǎng)，系統(tǒng)表明它具有更高的穩(wěn)定性，并顯示出0.002ms的最大提升速度。顯然，對于具有高電流容量的重要區(qū)域變電站，使用100Mb/s的總線連接開啟的雙隔間系統(tǒng)是有益的，因為它可以在盡可能小的延遲內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)。對于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，可能會出現(xiàn)較大的延遲量。通過對隊列中等待的數(shù)據(jù)包進行優(yōu)先排序，從保護和可靠性的角度形成了一個關(guān)鍵的決策。

4 結(jié)論

總之，基于IEC61850的自動化保護系統(tǒng)以可靠的方式處理故障，同時又不影響保護速度。在數(shù)字通信平臺上對SAS網(wǎng)絡(luò)中的星形拓撲結(jié)構(gòu)進行了性能評估。通過對星型拓撲中的IED進行性能測試，發(fā)現(xiàn)在100Mb/s 的局域網(wǎng)速度下，消息傳輸和延遲（包括功能問題和冗余） 問題能夠得到更好地解決。然而，為了獲得IEC61850的更廣泛應(yīng)運，SAS網(wǎng)絡(luò)中所有組件的性能需要廣泛評估進行，并為變電站設(shè)備接受。本文通過OPNET仿真驗證了在間隔層和過程層通信時數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群团c數(shù)據(jù)包相關(guān)的延遲。模擬試驗結(jié)果為高壓變電站單、雙母線開、關(guān)母聯(lián)線保護和通信可靠性提供了依據(jù)，它解決了高壓變電站使用繼電保護的延遲問題，實驗結(jié)果驗證了多設(shè)備在高壓變電站保護網(wǎng)中的運行及其可操作性能。