数字化变电站系统中的定金快速通信文件应用方案

数字化变电站系统中的定金快速通信文件应用方案

在当前的数字化领域，为了完成自动职能，增加了应用场所，例如，网络当局之间的误误计算，以及对网络上备用电源的自动投资保护等。例如，这些功能的实现的重要前提是，系统中的传输可靠性和延迟性之间的数据结构具有很高的可靠性和实时性。IEC61850系列标准中定义了通用变电站事件(genericsubstationevent,GSE)模型,为在全系统范围内快速可靠地输入和输出数据提供了有效的手段。GSE分为2种不同的控制类和报文结构:一种是面向通用对象的变电站事件(genericobjectorientedsubstationevent,GOOSE),支持由数据集组织的公共数据交换;另一种是通用变电站状态事件(genericsubstationstateevent,GSSE),用于传输状态变位信息。本文着重分析数字化变电站中应用较多的GOOSE报文的实时处理设计特点,对GOOSE报文在数字化变电站中的应用及测试方法进行研究。1在微信中的应用根据IEC61850系列标准,GOOSE报文的传输服务是由应用层到表示层(ASN.1编码)后,直接映射到底层(数据链路层和物理层),不经网络层和传输层,并采用交换式以太网的各种先进技术(如优先级等),从而保证了报文的实时传输。GOOSE报文在数据链路层上采用ISO/IEC8802-3:2001《信息技术系统间的电信和信息交换局域网络和城域网络特定要求第3部分:载波监听多路访问-冲撞检测介质访问方法及物理层规范》的协议(即以太网协议),但在标准的以太网报文头加入了一个优先级标志-虚拟局域网(localareanetwork,LAN),用于将与保护相关的、时间性强的、优先级要求高的网络流量与低优先级网络流量分开。标志中包含了3bit的报文优先级码(IEEE802.1P)和12bit的虚拟LAN标识码(IEEE802.1Q)。由于GOOSE报文是直接从应用层映射到数据链路层,其并不包含传输控制协议(TransmissionControlProtocol,TCP)和用户数据协议(userdatagramprotocol,UDP)等协议报文头,根据多媒体短信服务(multimediamessagingservice,MMS)制造报文规范(应用层的数据规范)和ASN.1标准进行编码。GOOSE报文中定义了几个重要的控制参数来确保事件的实时性和可靠性:a)报文存活时间。由于GOOSE/GSSE报文的重要性,即使外部状态不再变换也应重发,此参数提示订阅者等待下一报文到来的最长时间。当等待时间大于报文存活时间仍未收到有效报文时,订阅者认为失去通信联系,以预先定义的默认值取代。b)事件序列计数器读数。该参数指GOOSE/GSSE报文的传输次数,订阅者通过该参数能够确认报文传输无漏包。c)状态改变计数器读数。该参数指由于外部状态变化导致报文发送的次数。d)状态改变时刻。该参数表示由于某种事件状态变化导致GOOSE/GSSE报文发送的时刻,订阅者利用此参数可对其内部计时器进行设置。e)全数据。该参数表示相应执行器的动作,是GOOSE报文中的关键数据。2高级功能+恶意信息的融合现行对GOOSE网的构建方式主要有2种:一种是数据网和GOOSE网在物理上分离,即GOOSE单独组网,此种方式通过增加交换机来配置专门网络,供GOOSE信息交互,其可靠性较高,但须增加成本;另一种是GOOSE网与数据网合并,即统一网络形式,其对网络交换机的性能及高级功能要求较高,但组网方案较简单。现今交换机技术的飞速发展,使网络交换机具备支持IEC61850系列标准的高级功能,如服务质量(qualityofservice,QoS)、虚拟局域网(virtuallocalareanetwork,virtualLAN)、简单网络管理协议(simplenetworkmanagementprotocol,SNMP)等,包括支持IEEE802.1P和IEEE802.1Q协议的优先级控制功能等。高级功能与GOOSE报文实时性设计的融合,为实现GOOSE报文实时传输提供良好的支持,保障了GOOSE信息的实时性。图1示意了GOOSE在不单独组网方式下,结合交换机高级功能的数据传输过程。在订阅者和发布者之间的GOOSE传输过程中,GOOSE的优先级控制功能根据优先级设置将变位信息直接传送至相应的优先级队列中,而不传送至通常的报文缓冲区中,通过支持IEEE802.1P优先级控制的以太网交换机,抢先到达目的地址,减少了抖动和网络延时,且IEEE802.1Q的virtualLAN技术,隔离了实时数据流,使带有关键实时数据的IED不需要处理无关的数据包,隔离产生大量数据输出的设备,同时可减小广播流量,有效地减小网络风暴的影响。对于复杂的功能应用,如母线保护与变电站级联锁等,还可采用virtualLAN交叉概念,将与它们相关的过程层装置组织在共享的virtualLAN中,有选择地实现子网间的数据共识。3保护控制量的传输IEC61850系列标准对GOOSE功能的强大设计,使其适合于完成各种保护控制量的传输,可实现开入、跳合闸、“五防”装置联闭锁、备用电源自动投入、同期等功能。下面以广东电网公司茂名供电局110kV文冲口数字化变电站为例,着重介绍GOOSE在变电站保护装置跳合闸和“五防”装置联闭锁的应用。3.1现场动作情况变电站中应用GOOSE技术实现备用电源自动投入,主要有3个功能:第一,10kV母联断路器备用电源自动投入,具备负荷均分功能;第二,主变压器备用电源自动投入;第三,备用电源自动投入装置动作后主变压器过负荷联切10kV馈线。母联断路器备用电源自动投入或变压器备用电源自动投入功能的实现,由备用电源自动投入装置根据断路器位置自动识别,其过程所需的断路器无电流、母线有电压、断路器位置信号及相关闭锁信号等信息均以GOOSE报文通信。以简单的110kV变电站(主接线如图2所示)为例,分析母联断路器(仅以Ⅰ段母线分段断路器为例)备用电源自动投入装置的动作过程:a)充电。投入硬压板,断路器QF500A处于分位置,断路器QF501和QF502A处于合位置,Ⅰ段母线和ⅡA段母线有电压,经延时ts1后母联断路器备用电源自动投入装置充电。b)动作1。充电完成后,Ⅰ段母线失电压,QF501无电流,QF501处于合位置,ⅡA段母线有电压,延时ts2后QF501跳闸,检查QF501处于分位置后延时ts4合上QF500A,检查QF500A处于合位置后联切断路器QF502B。c)动作2。充电完成后,ⅡA段母线失电压,断路器QF502A无电流,QF502A处于合位置,Ⅰ段母线有电压,延时ts3后QF502A跳闸,检查QF502A处于分位置后延时合上QF500A。d)闭锁。退出硬压板,手动或遥控切QF501或QF502A,各保护装置动作,动作顺序为1号主变压器高频后备保护→1号主变压器低频后备保护→1号接地变压器保护→2号主变压器高频后备保护→2号主变压器低频后备保护1→2号接地变压器保护。现场采用GOOSE网与间隔层网络共同组网的方式,并应用了virtualLAN和优先级技术。在现场验收测试中,着重对GOOSE传输信息量的完整性和可靠性进行测试,分正常和网络流量较大的异常情况对GOOSE的实时性进行测试。测试发现,在同一virtualLAN及不同virtualLAN的网络端口加100Mbps的广播报文,模拟网络发生网络风暴,GOOSE报文的实时处理设计与交换机的高级功能相结合,在网络流量较拥塞的情况下,GOOSE备用电源自动投入装置均能正确动作,且反应时间在100ms以内,能满足备用电源自动投入对时间的要求。3.2南系统的保护跳合闸安全技术测试110kV文冲口数字化变电站采用双光纤GOOSE网,实现所有开入和跳合闸功能。网络交换机不按照间隔组网。间隔层保护、测控装置采用GOOSE网给智能操作箱发跳闸信号,智能操作箱接收到保护装置发出的跳闸信号后,通过开入板(卡)采集跳闸信号,并由GOOSE网上送给保护测控装置,形成保护跳闸事件。隔离开关跳合闸信号也可以通过GOOSE网发给智能操作箱,从而实现隔离开关的跳闸和合闸操作。保护、测控装置可以通过GOOSE网接收智能操作箱采集的开入信号,另外线路保护也通过GOOSE网给母差保护装置发启动失灵信号。GOOSE保护开入、跳合闸的测试关键点在于各种不同网络条件下的GOOSE报文的网络传输延时。以广东电网公司中山供电局220kV三乡数字化变电站的110kV母差保护测试为例,测试将GOOSE保护跳合闸形式与常规保护跳合闸形式作比较,研究GOOSE报文的实时性,如图3所示。测试对带模拟量输入的数字化保护装置和常规保护装置作比较,通过继电保护测试仪分别向这2种保护装置加量,保护装置动作,分别以GOOSE报文及硬接点输出形式跳闸,再将2种形式下的跳闸出口硬接点输出返回至继电保护测试仪,记录和比较返回时间。测试包括2种不同情况,一是模拟无其它网络流量情况,即模拟单独组网方式;二是使用交换机测试仪模拟向交换机加不同网络流量,即模拟GOOSE网与其它数据网统一组网方式。在这2种情况下,分别测试常规跳闸形式和GOOSE跳闸形式的出口时间,并作比较,结果见表1。可见,在网络风暴的情况下,采用virtualLAN技术的GOOSE信息传输不受广播风暴的影响,仅在端口遭受网络报文冲击时才明显受到影响,验证了其具有较好的抗干扰性和传输的快速性、稳定性。3.3e通信中断的判断及关闭风险分析对于间隔层测控设备的“五防”装置,设备状态信息也可以通过GOOSE报文的形式在间隔层双网传输,完成间隔层不同测控装置间的相互通信,具有较好的可靠性。对于“五防”装置联闭锁功能的实现,其GOOSE报文的发送间隔时间、GOOSE通信中断的判断及闭锁实现具有重要的意义。测试需结合联闭锁的实现方式进行,关键测试点包括GOOSE联闭锁信息双网发送与接收、GOOSE报文发送间隔时间、GOOSE中断判断闭锁遥控条件和时间等,如GOOSE报文发送间隔时间过长,不能及时反映设备状态,可能造成遥控误出口概率较大,存在较大的风险;更重要的是如果GOOSE闭锁条件发送装置通信中断后,对侧接收端装置如仍保持原GOOSE报文传输的设备状态,未能正确闭锁遥控出口,则间隔层“五防”装置失效而可能造成误遥控事故。在110kV文冲口数字化变电站中,监控后台设置了全站的GOOSE通信状态图,在线监测GOOSE通信状态,且实现了GOOSE通信异常时的系统自诊断及告警,保证了间隔层GOOSE“五防