变电站通信技术探讨

变电站通信技术探讨 -----中国能建集团湖南火电调试所唐宁 摘要：随着变电站综合自动化系统不断地发展变化，变电站内的网络通信已逐渐成为变电站数据传输的基本要求。本文从通信的基本原理出发对变电站内通信系统的构成、网络通信结构、通信媒介的选择、通信过程的实现等进行了详细的探讨和分析。 关键词：变电站；网络通信；通信结构；IEC61850规约 Research On Substation Communication Technology ABSTRACT: With the substation automation system continue to evolve，The network communication with the substation is gradually becoming one of the key requirements for substation data transmission. This paper detailed discussion and analysis the substation with communication system constitute, the network communication structure, the choice of communication medium, the realization of a communication from the basic principle. KEYWORDS: Substation; Network communication; communication structure; IEC61850 0 引言 随着计算机网络技术和通信技术的飞速发展，特别是以太网技术的发展，传统的变电站自动化系统正逐步被集控制、测量、采集、保护、网络通信于一体的网络化变电站自动化系统所代替[1]，网络是连接变电站内各种设备的纽带，它的可靠性与信息传输的快速性决定了自动化系统的可用性，同时也决定了变电站网络通信结构和网络通信 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 的发展方向，目前，国内新建的变电站和改造的老变电站基本都采用网络通信，国内外主要厂家也都推出了相应的上网装置（如GE-HARRIS公司的D25、ABB公司的R580、NARI公司的NSD500等）[2]。本文主要从通信的基本原理出发对变电站内通信系统的构成、网络通信结构、通信媒介的选择、通信过程的实现等进行了详细的探讨和分析。 1 通信系统的构成 通信系统由监控主机、RTU总机和就地安装单元组成。监控主机与RTU 通过网络访问各安装单元，得到各种数据，远动RTU主机按远动规约传给远方调度中心, 并接收调度中心遥控、 遥调命令,交给间隔单元执行，实现就地通信规约和远动通信规约的转换及远动的功能。 总线型网络所有节点往网上的连接方式都是一样的，从功能上可分为变电站监控层和间隔层两层[3]。间隔层直接同开关设备等一次设备连接，而变电站层则通过通信网同间隔层通信，收集由各间隔层采集的各种信息和事件报文，得到实时数据以及下达控制命令。监控主机通过以太网可同就地监控PC机通信或经调制解调器(Modem)和通道连接远方控制中心。为了适应各种不同的通道，还可以选用其它形式的通讯接口，例如专用光纤、微波或光纤通信系统的脉码调制( PCM)接口等。监控主机同网络之间的数据传递功能由主站 CPU完成, 它设有一个实时数据库,存放着全站各测点的模拟量和状态量。间隔层采用微机装置接入TV、TA 二次侧电量及开关、刀闸等辅助接点位置，有出口控制回路, 具有测量、保护、就地监控与控制功能，并通过通信网与监控主机通信。由于采用总线型网络,间隔层新增、投退线路不会影响整个通信网正常工作。 2 网络通信结构 网络通信结构在变电站综合自动化中占有重要地位，它不但决定了变电站的运行效率，且反映了变电站自动化程度。 按照IEC/TC-57国际电工委员会电力系统控制与通信技术委员会的划分，变电站内设备在逻辑结构上可以划分成3个层次[4]，三个层次的关系如图1所示。第l层为生产过程层，包括开关、变压器、CT/PT等一次设备。第2层为分散控制设备层(也称为间隔层)，包括保护设备、监控设备等。第3层为变电站层，通常为站级计算机,实现变电站级的协调、优化控制，并实现与远方调控中心的通信。早期变电站的站内通信实际只牵涉到第2、第3层，第l、第2层之间还不具备普遍意义上的通信,仅是通过二次电缆传送模拟信号和开关信号，现在国家电网在大力发展智能变电站，过程层与设备层也大量使用光纤，将模拟信号和开关量信号就地转换成数字信号传送到设备层。 图1 变电站内网络通信的系统框图 邵阳县220kV变电站的过程层与设备层仍然使用传统的二次电缆连接。其自动化系统主要是采用国电南京自动化股份有限公司提供的TS6000+系列微机监控系统，采用双以太网，分层分布式系统，220kV保护及测控、110kV保护及测控和主变压器保护及测控分别集中组屏安装；10kV采用保护测控一体化装置，安装在10kV配电室开关柜上。所有220kV、110kV及10kV保护测控装置，同时上以太网A，以太网B，然后接入变电站层以太网。一体化电源系统，电能采集器分别通过以太网关上变电站层网络。间隔层单元除了完成本机的数据输入、存储、处理及显示，还要与变电站进行通信，发送本间隔各种数据，接受下达的指令并执行处理。站控层单元的主要通信功能为获得间隔层相关数据，进行数据信息的存储、统计、分析和处理，发送指令给间隔层执行。变电站监控系统的信息通过远动设备分别送省调、地调。 邵阳县220kV变电站工程站设备层与站控层的通信采用IEC61850规约传输数据，该规约采用了面向对象建模、自描述的方式，定义了基于客户机/服务器结构数据模型[5-7]。每个IED包含一个或多个服务器，每个服务器本身又包含一个或多个逻辑设备。逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象。数据对象则是由数据属性构成的公用数据类的命名实例。从通信而言，IED同时也扮演客户的角色。任何一个客户可通过抽象通信服务接口（ACSI）和服务器通信可访问数据对象，实现了变电站内不同厂家电子设备之间的互操作和信息共享。 2.1 IEC61850规约简介 1999年3月委员会提出了IEC61850标准草案版本，该草案主要包括的系列文档如图2所示。从内容上可以分为4大部分：(l)系统部分主要包括IEC61850-l、IEC61850-2、IEC61850-3、IEC61850-4和IEC61850-5五个标准。在这几个部分中介绍了IEC61850标准制订的出发点，其内容不光从通信技术本身进行描述，还从系统工程管理、质量保证、系统模型等方面进行叙述，使IEC61850标准能够更好地应用于电力系统。(2)配置部分，IEC61850-6定义了变电站系统和设备配置、功能信息及相对关系的变电站配置描述语言。(3)数据模型、通信服务和映射部分作为IEC61850最核心的技术部分，包括了IEC61850-7系列、IEC61850-8系列和IEC61850-9系列等一共7个标准。这个部分从技术实现的角度描述了IEC61850的信息模型、通信服务接口模型以及信息模型与实际通信网络的映射方法，从而实现了系统信息模型的统一、通信服务的统一和传输过程的一致。(4)测试部分为验证系统和设备的互操作性，IEC61850-10定义了一致性测试的方法、等级、环境和设备要求等规定。 图2 IEC61850标准草案包括的系列文档 随着一次设备技术和网络通信技术的不断发展，保护设备、智能开关、电子电压/电流互感器等不具备网络接口的一次设备可通过一个具有嵌入式以太网接口的智能终端（如信号处理单元、网络发送单元等）实现网络化操作和接入，智能终端是一次设备的智能化接口设备，采用电缆与一次设备连接，采用光纤与保护、测控等二次设备连接，智能终端以GOOSE方式上传一次设备的状态信息，同时接收来自二次设备的GOOSE下行控制命令，实现对一次设备的实时控制功能，同时将传感器、微处理器、操作箱、通信接口等全部或部分部件集成于一次设备本体，集智能诊断和控制技术于一身，对外数据传送通过光缆实现，成为变电站内网络通信结构的未来发展方向，它结构紧凑、功能完善，进一步减少了不必要的通信冗余，从根本上提高变电站自动化系统的运行效率[8]。 3通信媒介的选择 变电站自动化系统安装在一个高电压、大容量的开关场内，电磁环境污染严重，所以分散式系统变电站控制室内后台机与现场单元之间的站内通道，应考虑电磁影响。这就要求我们在选择通信媒介时,既要满足可靠性的要求又要经济实用[9]。变电站自动化系统常使用的通信媒介有光纤、电缆, 后者又分同轴电缆和对称双绞线电缆两种。变电站使用电缆做通讯媒介时，具有造价低、安装转接和维护方便的优点，但抗干扰性能差，开关场内偶发的强大脉冲可能造成通信出错，另外电磁干扰可能导致系统元器件损坏。光纤的一个突出的优点是不怕电磁干扰，传送数据信息量大、速度高，但它的缺点是不能像电缆一样, 随意支接, 且造价昂贵。光纤安装和维护都远比电缆复杂得多。 从通信质量和可靠性角度考虑, 以OPGW光缆为通信媒介的光纤通道最理想。光纤通道可以快速正确地传送从分相电流差动保护信息和保护原理角度考虑，采用分相电流差动保护最完美。OPGW光缆具有高可靠性，一般情况下, 即使电力线路倒塌, OPGW光缆也不会中断，而电缆通道则肯定无法使用，因此保护通道应首选OPGW为通信媒介的光纤通道。 保护通道根据不同的电压等级而配置，500kV输电线路一般距离较长，一般采用2条光纤电路复用通道，距离允许时可以采用一条光纤电路复用通道,一条专用光纤的方式。采用 2条光纤电路复用通道时, 传输电路、通信电源应满足双重化要求。220 kV输电线路一般距离较短, 可以采用一条专用光纤的方式，一条为不同路由的光纤电路复用通道，也可以采用 2条不同路由的电路复用通道或专用光纤的方式。线路长度在50 km以上时宜以光纤电路复用通道为主,线路长度在30 k m以下时可以专用光纤为主, 30~ 50 km之间可视具体情况而定。在没有光缆的情况下采用电力线载波通道。复用通道的电路接口宜采用2048kbit / s的G..703接口, 同一套SDH设备传输的线路保护信号不宜过多。电力线路在传输通道具备环路时,每条线路的2条保护通道可采用一条直接通道和一条环路通道，没有环路通道在条件允许时架设2条OPGW 光缆。在2条光缆的情况下，每条线路的保护通道采用一条光纤电路复用通道和一条专用光纤的方式。 根据媒介的性能，条件允许时，宜采用取长补短的方法，例如，在靠近室外开关场的保护小间中，可铺放一条光缆连接保护小间和控制室,而在被光缆连接的两地都分别用双绞线电缆连成总线网,这样既充分利用了光纤不怕干扰的优点,用它远距离经过室外传输, 又发挥了电缆总线网的许多优点；此种通信网可靠又经济、实用性强。条件不足时，可考虑采用抗干扰较强的屏蔽电缆。 邵阳县220kV变电站的自动化通信采取室内用屏蔽网线，主控室与10kV高压室通信用ADSS光缆，与站外通信用OPGW光缆方式，兼顾了抗干扰、可靠性强与经济实用性特点。 4 通信的实现 数据采集过程：数据采集过程即站内监控主机和远方调度中心得到下层设备实时数据的过程。监控主机和间隔层单元之间的通信采用轮询( Polling) 式异步通信规约[10-11]，以主站为主,间隔层单元为从。监控主机不停地向通道上每个单元轮询采集实时数据, 存放在实时数据库内。监控主机的微机可以直接以访问内存的方式得到实时数据库中的数据, 而不必占用主站CPU 的处理时间。远动职能也是按此模式实现,远动规约一般由调度中心决定,若是异步通信,调度中心为主,间隔层为从;如是同步通信, RTU将接收到的数据主动向调度中心发送。 　 控制操作通信过程：若在变电站主控室进行控制操作，监控主机将命令通过通信网向间隔层单元发送下去, 下层单元执行完毕后将执行结果等数据回送到监控主机，从而得到执行结果。若在远方进行遥调或遥控, RTU收到控制命令后，按就地通信规约将命令内容转发给下层单元执行，下层单元执行完毕后将执行结果回送到 RTU，RTU将这些数据按远动规约送往调度中心。 5 结论 本文从传统变电站建设所需要的关键技术手段入手，全面阐述了变电站内通信系统的构成、网络通信结构、通信媒介的选择、通信过程的实现。随着电力需求的高度增长，数字经济的发展，环境监管的严格以及各国能源政策的调整，电网与电力市场、客户之间的关系越来越紧密。客户对电能质量要求逐步提高，分布式能源不断增加，传统的电力网络已经难以满足这些发展要求。为了满足电力供应的节能、环保、高效、可靠、稳定及可持续发展的要求，智能电网的建设势在必行。目前，智能变电站的研究工作刚刚起步，未来智能变电站必须打破以往的专业壁垒，将先进的电力电子、通信、计算机、控制技术互相融合，最终达到资源优化配置的目标，实现智能变电站易集成、易扩展、易升级、易改造、易维护的工业化应用要求。 参考文献 [1] 赵祖康,徐石明.变电站自动化技术综述[J].电力自动化设备,2000,20(1):38～4 2 . 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