【精彩论文推荐】南瑞集团 郑玉平等:变电站二次设备就地化系统网络架构探讨

摘要: 原文发表在《电力系统自动化》2017年第41卷第16期,欢迎品读。

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原文发表在《电力系统自动化》2017年第41卷第16期,欢迎品读。



本文引文信息

郑玉平, 吴通华, 戴魏, 等. 变电站二次设备就地化系统网络架构探讨 [J]. 电力系统自动化, 2017, 41(16): 20-26. DOI: 10.7500/ AEPS20170308001.

ZHENG Yuping, WU Tonghua, DAI Wei, et al. Discussion on Network Architecture of Outdoor Installation Protection System in Substation [J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(16): 20-26. DOI: 10.7500/ AEPS20170308001.



变电站二次设备就地化系统网络架构探讨

DOI: 10.7500/AEPS20170308001

郑玉平,吴通华,戴魏,周华良,胡国,李延新




1

   

背景


目前,智能变电站普遍采用“三层两网”的系统架构,合并单元、智能终端等新IED设备得到广泛应用,安装方式也发生了较大变化,在促进智能变电站发展的同时,也带来一些新的问题,主要体现在:保护采样、跳闸环节增多、独立性降低;现场接线、配置、调试及检修等工作量大,安装调试及检修时间长,安调及运维检修力量承载力不足等方面。


变电站过程层和站控层网络互相独立,交换机独立配置,保证通信可靠性的同时,也带来一系列问题:网络布线繁琐,架构相对复杂,交换机数量和装置端口成倍增长,增加了变电站建设的成本和维护难度。


为了解决上述问题,同时兼顾智能变电站信息数字化和共享化的优点,提出了二次设备就地化方案。


2

   

全站二次设备配置方案


全站二次保护控制设备就地化主要遵循以下主要原则:


1)全站二次保护控制设备均采用就地化无防护安装,满足整体更换、即插即用要求。


2)单间隔保护控制设备采用电缆采样、电缆跳闸模式。跨间隔保护(变压器、母差)采用分布式设计。


3)不同设备对数据交互的需求各不相同,I/O接口设备可灵活支持多类型端口、多种协议数据传输,各端口支持不同采样率采样值输出,满足全站不同二次设备数据交互和共享的需求;I/O接口设备应采用免配置设计,实现即插即用、整体更换检修;I/O接口设备应遵循硬件尽量共用性、品种尽量减少的原则,可通过不同的软件实现不同应用,利于现场减少备用装置的数量和种类。


2.1 
单间隔保护配置原则


线路保护采用模拟量电缆采样,采集本间隔保护电流、电压,采用电缆跳闸方式。同时通过GOOSE发布本装置的跳闸信号及其他状态信号和订阅其它保护或控制设备的相关信号。按间隔配置两套就地化操作箱,安装于本间隔就地控制柜中,完成对本间隔断路器的跳合闸控制和间隔电压切换功能。线路同期电压采用电缆直接从母线电压并列装置接至间隔操作箱。


2.2 
公用采集控制终端配置原则


按间隔配置公用采集控制终端,完成本间隔模拟量、开关量采集及跨间隔保护和站域保护等其它设备的出口功能。


作为全站多种类型装置的公用数据源,公用采集控制终端具备以下功能:


1)公用采集控制终端作为跨间隔保护、站域保护等其它设备的公用数据源,可满足不同设备的数据采样需求,终端具备多种类型的数据端口,各端口支持不同采样频率独立采样,即终端可以看作不同类型设备的采样外延,实现“谁使用谁同步”原则。 


2)公用采集控制终端端口支持多种协议:HSR协议、IEC 61850-9-2 SV、GOOSE协议,支持B码、1588对时方式。


3)采集控制终端设备采用免配置设计,免维护,实现即插即用、整体更换检修。


2.3 
基于多HSR的跨间隔保护配置原则


跨间隔保护采用基于HSR的分布式“有主”模式,即单独设置保护主机,主机和各间隔公用采集控制终端之间通过环形通信网络串接,公用采集控制终端将本间隔采集的数据通过环网发送给保护主机,同时接收并转发其它所有间隔的信息,主机接收所有间隔的信息,完成所有保护逻辑判断功能,并将跳闸信号通过环网发送至各间隔公用采集控制终端,保护主机同时通过GOOSE发布和订阅与本保护相关的信号,并完成对外管理功能。


由于HSR的数据冗余,主机与任一终端通信中断,环网通信不受影响,不会导致母线或变压器差动保护闭锁。另外,采用HSR环网,可灵活根据变电站规模,划分不同HSR子环,有效减少HSR网络传输延时。可接入间隔多,不增加额外的硬件资源,间隔扩展方便。以母差保护为例,图1基于多HSR环的分布式母线保护配置方案。


图1  基于多HSR环网的分布式母线保护方案


跨间隔保护各公用采集控制终端采样同步采用“谁使用谁同步”原则,其基本原理是跨间隔保护根据自己保护控制算法所需的某一固定采样率在其采样中断时刻发送采样事件报文(内含采样序号),各个公用采集控制终端通过HSR环网报文的延时测量与补偿技术推算出跨间隔保护发送报文的采样时刻,在本终端高速采样缓冲池内进行线性重采样计算得到相应模拟量采样值,并通过SV 报文(内含相应采样序号)的方式发送至跨间隔保护,保护只需根据所需采样序号即可将各采集控制终端的采样值同步并处理。


2.4 
主从结构的测控装置配置原则


考虑到测控装置I/O数量需求众多,测控就地化方案采用主单元加从单元架构,主单元实现装置交流电气量采集和对外通信功能,从单元实现开入、开出、直流、闭锁的采集功能,采集容量可通过级联扩展单元的方式进行扩展。同时测控主单元向PMU等自动化设备上送采样数据和位置信息,减少二次设备种类,提高装置的通用性。


3

   

网络构架方案


本文综合考虑各类型设备信息流流量、信息流传输延时以及运行维护方便性,提出基于PRP的MMS/SV/GOOSE三网合一架构和基于全HSR环网的就地化网络架构,解决站控层通信、站域保护、故障录波、网络分析仪等设备数据传输问题。


3.1 
基于PRP的MMS/SV/GOOSE三网合一架构


采用基于PRP的冗余双网架构,如图2所示。通过使用三网合一技术传输站控层MMS信息,保护、测控联闭锁信息,站域保护、故障录波、网络分析仪和PMU等保护控制设备的SV和GOOSE信息,在保证可靠性的基础上,降低了设备CPU的处理时间,提高了装置的稳定性。利用延时可测交换机进行组网,解决了采样同步依赖于外部时钟问题。同时,通过报文中优先级的控制可保证SV,GOOSE报文的快速性。


图2  基于PRP的MMS/SV/GOOSE三网合一架构



3.2 
基于全HSR环网的网络架构


本文提出全站取消交换机,全部采用双向HSR环网进行通信的网络构架。按照功能独立、专业独立以及检修便利等原则,将整站划分为站控层MMS网络、网采网跳环网、测控环网以及主变、母差保护装置专网。系统网络架构如图3所示。


各环网之间相互独立,互不影响。对于需要跨多个功能环网装置,各装置设置多个HSR端口,可通过冗余盒(REDBOX,简称RB)隔离接入各网络,保证当装置检修或异常退出时不影响到环网运行及其他装置的功能实现。对于非HSR网络的传统装置,也通过冗余盒接入HSR网络。


图3  基于全HSR环网的网络架构


4

   

结语


本文提出了基于常规互感器采样的变电站二次设备就地化全站配置原则和网络构架方案,适用于各种接线方式和不同电压等级,具有以下特点:


1)间隔保护就地安装,功能纵向集成,提升可靠性,缩短动作延时;


2)跨间隔保护就地分布式安装,采用双向环网,可靠性高,改扩建灵活;


3)采用三合一PRP网络或全环网方案,减少交换机数量,提高网络冗余性能;


4)采用网络延时测量及补偿技术、“谁使用谁同步”方法,实现采样同步不依赖外部时钟。


经实验室和工程现场验证,方案在保护快速性、可靠性和和工程建设维护方面具有显著优势,可以作为未来变电站发展及一二次设备融合研究的有益参考。



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《电力系统自动化》2017年第16期目次

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作者及团队介绍

郑玉平,博士,博士生导师,教授级高级工程师,南瑞集团(国网电力科学研究院)副总经理(副院长)兼总工程师,“智能电网保护和运行控制”国家重点实验室主任和“国家电力自动化工程技术研究中心”主任,全国优秀科技工作者,新世纪百千万人才工程国家级人选、江苏省有突出贡献的中青年专家、江苏省十大杰出发明人,获全国五一劳动奖章,中国青年科技奖、江苏省创新创业人才奖、国家电网公司科技领军人才等,2016年获中国电力科技杰出贡献奖。主要研究方向:电力系统保护控制和变电站自动化领域的研究与开发。


吴通华,博士,智能电网保护和运行控制国家重点实验室高级工程师,国家电网公司专业领军人才培养对象。获中国专利优秀奖2项,江苏省专利金奖1项,国网科技进步一等奖1项,江苏省、湖南省科技进步二等奖各1项,2016年获中国电力优秀青年工程师奖。主要研究方向:电力系统继电保护研发。


戴魏,硕士,智能电网保护和运行控制国家重点实验室工程师,长期从事继电保护装置嵌入式软件开发工作,先后参与多项国家电网公司科技项目,申报国家发明专利近10项。主要研究方向:电力系统继电保护。


周华良,硕士,智能电网保护和运行控制国家重点实验室高级工程师,国家电网公司优秀工程专家,主要从事电力二次设备共性平台技术的研发工作,曾获得“国网科技进步一等奖”,“南京市科技进步三等奖”1项,并在“EI源”类期刊第一作者发表核心论文5篇,成功申请专利10余项。主要研究方向:电力系统保护控制和变电站自动化。


胡国,硕士,国电南瑞科技股份有限公司高级工程师,长期从事电力系统二次设备软件平台技术开发,申报国家发明专利10项,参编著作1部,发表论文10余篇。主要研究方向:电力系统保护控制和变电站自动化。


郑玉平博士所带领的研究团队共获省部级及以上科技奖励18项,其中国家科技进步一等奖1项(排名第2)、国家科技进步二等奖1项(排名第1)。获发明专利授权46项、中国专利优秀奖5项、江苏省专利奖金奖2项。出版学术著作1部,在核心期刊发表论文74篇。指导博士后、博士和硕士研究生17名,培养了一大批保护、控制和变电站自动化专业人才。


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