数字化变电站过程层系统介绍

1、数字化变电站过程层系统认识与实践北京四方继保自动化股份有限公司刘勇内容提要n 数字化变电站过程层系统的概念和构成n 数字化变电站过程层系统的主要技术问题n 数字化变电站的实践工作变电站自动化发展的过去、现在与未来变电站自动化发展的过去、现在与未来数字化变电站的特征数字化变电站的几个要素n 变电站的数字化模型n 高速通信网络n 智能化的一次设备n 网络化的二次设备n 其他：运行管理数字化、变电站图像监视系统、变电站设备在线监测、状态检修。过程层系统示意图过程层系统定义n 过程层系统是连接智能化一次设备和保护、测控、状态监视等二次设备的系统。n 过程层系统的通信应是实时的、高可靠性的、数据可共享的

2、。它主要传输两类报文，采样值报文SV和GOOSE报文。n 过程层系统是构建未来数字化变电站的基础。n合并单元（MU）n智能终端n同步对时设备n带有过程层接口的间隔层设备n过程层总线设备（process bus） 一、数字化变电站过程层系统的构成一、数字化变电站过程层系统的构成合并单元（MU）n 对来自二次转换器的各相电流电压信号进行时间相关性(同步)组合，并转发给二次设备。n 完成各相电流电压的采样同步控制MU及电子互感器的相关标准的发展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数据接

4、口ECTa（测量）ECTb（测量）ECTc（测量）ECTa（保护）ECTb（保护）ECTc（保护）ECT中性点EVTa合并单元EVTbEVTcEVT中性线EVT母线时钟输入电源数字输出IEC61850-9-1、2应用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 一个机制，用来快速传输变电站的事件；诸如命令、告警、指示、信息。一个机制，用来快速传输变电站的事件；诸如命令、告警、指示、信息。n 单个的单个的 GOOSE 信息由信息由 IED 发送发送* 能被接收并被若干个接收者使用能被接收并被若干个接收者使用n GOOSE 利用了强大的以太网，支持实时的行

6、为要求。利用了强大的以太网，支持实时的行为要求。n 它被应用的例子它被应用的例子 断路器的跳闸命令断路器的跳闸命令 间隔闭锁间隔闭锁 不同间隔保护之间的水平通信不同间隔保护之间的水平通信GOOSE Sender Device XGOOSE ReceiverDevice YGOOSE ReceiverDevice ZEthernet一个装置（发布者）发布消息一个装置（发布者）发布消息, 只有订阅者装置正在接收它。只有订阅者装置正在接收它。每个接受者的反应取决于它的配置和功能每个接受者的反应取决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 定期发送GOOSE报文,并且通过重发相同数据来获得额外的可靠性,并且逐渐增加SqNum 和传输时间来实现有效的传输。GOOSE报文中的SqNum 和 StNum 的初始值为1。当有事件发生时，StNum 加1、SqNum变为 0 ，之后SqNum 顺序加1。GOOSE报文发送过程中各种时间间隔推荐如下：T0: 稳定条件(长时间无事件)下重传时间间隔应小于60秒并可配置。(T0): 稳定条件下被事件缩短的重传时间间隔应小于T0。T1: 事件发生后,最短的传输时间间隔应小于1秒并可配置。T2, T3: 直到获得稳定条件

9、的重传时间间隔应在1秒至20秒范围内。IEC 61850 GOOSE GOOSEIEC GOOSE装置之间的信息交换: 端对端的通讯Information exchanging among IEDs: Peer-to-Peer communicationu 硬接点的反应时间：硬接点的反应时间： 信号时间设备给接点通电接点闭合到达开入量门槛时8-20ms装置之间的信息交换: 端对端的通讯Information exchanging among IEDs: Peer-to-Peer communicationu 采用采用IEC61850 GOOSE 的网络反应时间：的网络反应时间： 信号时间设备A

10、发送信号网络传输与冲突检测时间4ms设备B收到信号在以太网上使用在以太网上使用GOOSE系统方案的主要技术问题同步采样n 若采用就地采集单元，各电压、电流之间，变压器不同的电压等级之间需考虑同步采样n 变压器差动保护从不同电压等级的多个间隔获取数据存在同步问题n 母线差动保护从多个间隔获取数据也存在同步问题n 线路纵差保护线路两端数据采样也存在同步问题Time synch accuracy classesSV示例同步对时设备的技术问题n用于过程层同步对时设备的特殊性。n冗余热备的同步对时设备。n可灵活配置、便于扩展的主从时钟设备n带有守时功能的时钟设备同步性问题l 根据不同保护对时间同步需求的

11、不同，将保护分为根据不同保护对时间同步需求的不同，将保护分为三类：三类：第一类保护的正确动作仅仅依赖于输入信号的幅值，它第一类保护的正确动作仅仅依赖于输入信号的幅值，它不要求信号在时间上的严格同步，例如过流保护、低电不要求信号在时间上的严格同步，例如过流保护、低电压保护等；压保护等；第二类保护的正确动作同时需要信号的相位和幅值，但第二类保护的正确动作同时需要信号的相位和幅值，但所需信号来自于同一变电站，所以只要保证站内同步即所需信号来自于同一变电站，所以只要保证站内同步即可实现保护的正确动作，比较典型的是距离保护和变压可实现保护的正确动作，比较典型的是距离保护和变压器差动保护。器差动保护。第三

12、类保护的正确动作也同时需要信号的采样值，但是第三类保护的正确动作也同时需要信号的采样值，但是所需信号只有在全站同步的情况下才能保证保护的正确所需信号只有在全站同步的情况下才能保证保护的正确动作。这类保护典型的是母线电流差动保护。动作。这类保护典型的是母线电流差动保护。同步信号丢失后保护系统的策略l 在同步信号丢失后。在同步信号丢失后。 对于第一类保护，保护仍能维持正确的动作状对于第一类保护，保护仍能维持正确的动作状态；态； 而对于第二类保护，虽然失步以后各信号间的而对于第二类保护，虽然失步以后各信号间的相位出现一定的误差，但是由于数字采样的高相位出现一定的误差，但是由于数字采样的高采样率（每周

13、波采样率（每周波9696点），这样的相角误差不会点），这样的相角误差不会超过超过4 4度，装置在判断出失步后，对算法进行度，装置在判断出失步后，对算法进行微调就可以适应这种情况，无需闭锁保护。微调就可以适应这种情况，无需闭锁保护。 第三类保护也应在失去同步后延迟若干时间后第三类保护也应在失去同步后延迟若干时间后被闭锁。此后，只有检测到同步信号恢复，保被闭锁。此后，只有检测到同步信号恢复，保护才能投入运行。因此对于第三类保护必须冗护才能投入运行。因此对于第三类保护必须冗余配置余配置传统的变电站一次设备和保护的连接交流输入模件变换微计算机开入开出模件人机对话模件端子箱 从CT、PT引出的电缆，根据

14、需要，在端子箱内重新组成对应各保护、 测量等回路，二次设备引入测量量，进行A/D变换后，送入CPU处理判断 CPU处理的结果，或合闸、跳闸、闭锁（不允许其他的跳合闸起作用）通过开入开出板连接到开关端子箱。 在过程总线中，保护装置的功能被组合到一次设备到一次设备，形成在过程总线中，保护装置的功能被组合到一次设备到一次设备，形成新的接线模式。新的接线模式。数字化变电站中保护控制设备交流输入模件变换微计算机开入开出模件人机对话模件MU一次设备的智能化改变了传统变电站继电保护设备的结构：一次设备的智能化改变了传统变电站继电保护设备的结构：1、A/D变换没有了，代之以高速通信。变换没有了，代之以高速通信

15、。2、开关量输出、开关量输出DO、输入、输入DI移入智能化开关，保护装置发布命令，由一次设移入智能化开关，保护装置发布命令，由一次设备的执行器来执行操作。备的执行器来执行操作。高速以太网通信可连接过程总线的保护设备*保护可接受符合IEC61850的采样值数据格式。*采样速率可达4800点/每秒，MU可达四组时，可保证数据顺畅接受。*采用双CPU与门判决方式，用双路数据源保证出口的可靠性*每个CPU板配有100M以太网，光纤输出和电气输出端口各一组。*在有同步脉冲，和失去同步脉冲时，装置可根据情况执行不同的保护逻辑。过程层总线设备的技术问题n工业以太网交换机是核心元件n符合IEC-61850-3

16、规范n是IT数字网络中实时性要求最高的nVLAN的划分n网段的合理规划 协协议议栈栈接接口口 Client /Server 通通 讯讯 模模 拟拟 量量 采采 样样 值值 (SA V) 模模型型 (对对 象象,服服务务) 抽抽 象象 通通 讯讯服服 务务 接接 口口 (ACSI) 实实实实时时时时性性性性要要要要求求求求 以以 太太 链链 路路 层层 带带 优优 先先 级级 的的 以以 太太 物物 理理 层层 IP TCP MMS 特特定定 通通 讯讯 服服务务 映映 射射(SCSM) 通通 用用 变变 电电 站站 对对 象象 事事 件件 (GOOSE) 通通讯讯技技术术 应应用用 领领 域域

17、 ： 变变电电 站站 自自 动动化化 过程总线基本组网方案面向位置面向位置原则原则单一总线单一总线原则原则面向功能面向功能原则原则面向间隔面向间隔原则原则System architecture with 61850-9 BussesFlat communication architecturePerformance classes binary data, RMS valuesPerformance classes raw analog data系统方案的主要技术问题系统可用性和可靠性n 可用性（Availability）冗余 MTTFMTTF by repairn 可靠性（Security）

18、减少系统的环节和元件数量MTBR采用数字式电子互感器和智能高压电器带来的问题n 同步问题同步问题n 变电站设备可靠性和安全性考虑变电站设备可靠性和安全性考虑n 设备的寿命和可维护性设备的寿命和可维护性n 电子设备对环境的适应性。如电磁干扰、温度、湿电子设备对环境的适应性。如电磁干扰、温度、湿度等度等NGC EnglandTraws 400 kV substationConventional before retrofitIAIS实例实例Built- in 132 kV IAIS132 kV substation before retrofit数字化变电站的最终目标是简化整个变电站的建设，达成工

19、业和自然的和谐数字化变电站系统实施方案变压器间隔的实现方案合并单元（ MU）*符合IEC61850-3的要求*能工作在500KV变电站的开关场内，有优良的抗EMC能力。*适应环境温度范围宽*当外界同步脉冲丢失时，利用内部的同步时钟仍可继续工作，但数据帧中有反应失步的信息*有鉴别同步脉冲是否有干扰的能力。通道1-通道12光纤以太网1光纤以太网2双路秒脉冲同步电以太网接口直流电源n 与国内外互感器厂家（北京浩霆光电、武汉长江通信、西安华伟、日本三菱、德国斯尼文特、 北京天威瑞恒）达成稳定合作关系。过程层产品电子式互感器的分类 非常规互感器非常规互感器（NCITNCIT）光学互感器光学互感器（OCTOCT/ /OVTOVT）电子互感器电子互感器（ECTECT/ /EVTEVT）电压电压变换变换电流电流变换变换普克尔效应（Pockel effect）法拉第效应(Faraday effect)塞格奈克效应(Sagnac effect)电阻分压电容分压罗柯夫斯线圈(Rogowski coil)无源型无源型传感系统传感系统有源型有源型传光系统传光系统