數字化變電站過程層系統(tǒng)介紹講義

1、數字化變電站過程層系統(tǒng)認識與實踐北京四方繼保自動化股份有限公司劉勇內容提要n 數字化變電站過程層系統(tǒng)的概念和構成n 數字化變電站過程層系統(tǒng)的主要技術問題n 數字化變電站的實踐工作變電站自動化發(fā)展的過去、現在與未來變電站自動化發(fā)展的過去、現在與未來數字化變電站的特征數字化變電站的幾個要素n 變電站的數字化模型n 高速通信網絡n 智能化的一次設備n 網絡化的二次設備n 其他：運行管理數字化、變電站圖像監(jiān)視系統(tǒng)、變電站設備在線監(jiān)測、狀態(tài)檢修。過程層系統(tǒng)示意圖過程層系統(tǒng)定義n 過程層系統(tǒng)是連接智能化一次設備和保護、測控、狀態(tài)監(jiān)視等二次設備的系統(tǒng)。n 過程層系統(tǒng)的通信應是實時的、高可靠性的、數據可共享的

2、。它主要傳輸兩類報文，采樣值報文SV和GOOSE報文。n 過程層系統(tǒng)是構建未來數字化變電站的基礎。n合并單元（MU）n智能終端n同步對時設備n帶有過程層接口的間隔層設備n過程層總線設備（process bus） 一、數字化變電站過程層系統(tǒng)的構成一、數字化變電站過程層系統(tǒng)的構成合并單元（MU）n 對來自二次轉換器的各相電流電壓信號進行時間相關性(同步)組合，并轉發(fā)給二次設備。n 完成各相電流電壓的采樣同步控制MU及電子互感器的相關標準的發(fā)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數據接

4、口ECTa（測量）ECTb（測量）ECTc（測量）ECTa（保護）ECTb（保護）ECTc（保護）ECT中性點EVTa合并單元EVTbEVTcEVT中性線EVT母線時鐘輸入電源數字輸出IEC61850-9-1、2應用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 一個機制，用來快速傳輸變電站的事件；諸如命令、告警、指示、信息。一個機制，用來快速傳輸變電站的事件；諸如命令、告警、指示、信息。n 單個的單個的 GOOSE 信息由信息由 IED 發(fā)送發(fā)送* 能被接收并被若干個接收者使用能被接收并被若干個接收者使用n GOOSE 利用了強大的以太網，支持實時的行

6、為要求。利用了強大的以太網，支持實時的行為要求。n 它被應用的例子它被應用的例子 斷路器的跳閘命令斷路器的跳閘命令 間隔閉鎖間隔閉鎖 不同間隔保護之間的水平通信不同間隔保護之間的水平通信GOOSE Sender Device XGOOSE ReceiverDevice YGOOSE ReceiverDevice ZEthernet一個裝置（發(fā)布者）發(fā)布消息一個裝置（發(fā)布者）發(fā)布消息, 只有訂閱者裝置正在接收它。只有訂閱者裝置正在接收它。每個接受者的反應取決于它的配置和功能每個接受者的反應取決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 定期發(fā)送GOOSE報文,并且通過重發(fā)相同數據來獲得額外的可靠性,并且逐漸增加SqNum 和傳輸時間來實現有效的傳輸。GOOSE報文中的SqNum 和 StNum 的初始值為1。當有事件發(fā)生時，StNum 加1、SqNum變?yōu)?0 ，之后SqNum 順序加1。GOOSE報文發(fā)送過程中各種時間間隔推薦如下：T0: 穩(wěn)定條件(長時間無事件)下重傳時間間隔應小于60秒并可配置。(T0): 穩(wěn)定條件下被事件縮短的重傳時間間隔應小于T0。T1: 事件發(fā)生后,最短的傳輸時間間隔應小于1秒并可配置。T2, T3: 直到獲得穩(wěn)定條件

9、的重傳時間間隔應在1秒至20秒范圍內。IEC 61850 GOOSE GOOSEIEC GOOSE裝置之間的信息交換: 端對端的通訊Information exchanging among IEDs: Peer-to-Peer communicationu 硬接點的反應時間：硬接點的反應時間： 信號時間設備給接點通電接點閉合到達開入量門檻時8-20ms裝置之間的信息交換: 端對端的通訊Information exchanging among IEDs: Peer-to-Peer communicationu 采用采用IEC61850 GOOSE 的網絡反應時間：的網絡反應時間： 信號時間設備A

10、發(fā)送信號網絡傳輸與沖突檢測時間4ms設備B收到信號在以太網上使用在以太網上使用GOOSE系統(tǒng)方案的主要技術問題同步采樣n 若采用就地采集單元，各電壓、電流之間，變壓器不同的電壓等級之間需考慮同步采樣n 變壓器差動保護從不同電壓等級的多個間隔獲取數據存在同步問題n 母線差動保護從多個間隔獲取數據也存在同步問題n 線路縱差保護線路兩端數據采樣也存在同步問題Time synch accuracy classesSV示例同步對時設備的技術問題n用于過程層同步對時設備的特殊性。n冗余熱備的同步對時設備。n可靈活配置、便于擴展的主從時鐘設備n帶有守時功能的時鐘設備同步性問題l 根據不同保護對時間同步需求的

11、不同，將保護分為根據不同保護對時間同步需求的不同，將保護分為三類：三類：第一類保護的正確動作僅僅依賴于輸入信號的幅值，它第一類保護的正確動作僅僅依賴于輸入信號的幅值，它不要求信號在時間上的嚴格同步，例如過流保護、低電不要求信號在時間上的嚴格同步，例如過流保護、低電壓保護等；壓保護等；第二類保護的正確動作同時需要信號的相位和幅值，但第二類保護的正確動作同時需要信號的相位和幅值，但所需信號來自于同一變電站，所以只要保證站內同步即所需信號來自于同一變電站，所以只要保證站內同步即可實現保護的正確動作，比較典型的是距離保護和變壓可實現保護的正確動作，比較典型的是距離保護和變壓器差動保護。器差動保護。第三

12、類保護的正確動作也同時需要信號的采樣值，但是第三類保護的正確動作也同時需要信號的采樣值，但是所需信號只有在全站同步的情況下才能保證保護的正確所需信號只有在全站同步的情況下才能保證保護的正確動作。這類保護典型的是母線電流差動保護。動作。這類保護典型的是母線電流差動保護。同步信號丟失后保護系統(tǒng)的策略l 在同步信號丟失后。在同步信號丟失后。 對于第一類保護，保護仍能維持正確的動作狀對于第一類保護，保護仍能維持正確的動作狀態(tài)；態(tài)； 而對于第二類保護，雖然失步以后各信號間的而對于第二類保護，雖然失步以后各信號間的相位出現一定的誤差，但是由于數字采樣的高相位出現一定的誤差，但是由于數字采樣的高采樣率（每周

13、波采樣率（每周波9696點），這樣的相角誤差不會點），這樣的相角誤差不會超過超過4 4度，裝置在判斷出失步后，對算法進行度，裝置在判斷出失步后，對算法進行微調就可以適應這種情況，無需閉鎖保護。微調就可以適應這種情況，無需閉鎖保護。 第三類保護也應在失去同步后延遲若干時間后第三類保護也應在失去同步后延遲若干時間后被閉鎖。此后，只有檢測到同步信號恢復，保被閉鎖。此后，只有檢測到同步信號恢復，保護才能投入運行。因此對于第三類保護必須冗護才能投入運行。因此對于第三類保護必須冗余配置余配置傳統(tǒng)的變電站一次設備和保護的連接交流輸入模件變換微計算機開入開出模件人機對話模件端子箱 從CT、PT引出的電纜，根據

14、需要，在端子箱內重新組成對應各保護、 測量等回路，二次設備引入測量量，進行A/D變換后，送入CPU處理判斷 CPU處理的結果，或合閘、跳閘、閉鎖（不允許其他的跳合閘起作用）通過開入開出板連接到開關端子箱。 在過程總線中，保護裝置的功能被組合到一次設備到一次設備，形成在過程總線中，保護裝置的功能被組合到一次設備到一次設備，形成新的接線模式。新的接線模式。數字化變電站中保護控制設備交流輸入模件變換微計算機開入開出模件人機對話模件MU一次設備的智能化改變了傳統(tǒng)變電站繼電保護設備的結構：一次設備的智能化改變了傳統(tǒng)變電站繼電保護設備的結構：1、A/D變換沒有了，代之以高速通信。變換沒有了，代之以高速通信

15、。2、開關量輸出、開關量輸出DO、輸入、輸入DI移入智能化開關，保護裝置發(fā)布命令，由一次設移入智能化開關，保護裝置發(fā)布命令，由一次設備的執(zhí)行器來執(zhí)行操作。備的執(zhí)行器來執(zhí)行操作。高速以太網通信可連接過程總線的保護設備*保護可接受符合IEC61850的采樣值數據格式。*采樣速率可達4800點/每秒，MU可達四組時，可保證數據順暢接受。*采用雙CPU與門判決方式，用雙路數據源保證出口的可靠性*每個CPU板配有100M以太網，光纖輸出和電氣輸出端口各一組。*在有同步脈沖，和失去同步脈沖時，裝置可根據情況執(zhí)行不同的保護邏輯。過程層總線設備的技術問題n工業(yè)以太網交換機是核心元件n符合IEC-61850-3

16、規(guī)范n是IT數字網絡中實時性要求最高的nVLAN的劃分n網段的合理規(guī)劃 協(xié)協(xié)議議棧棧接接口口 Client /Server 通通 訊訊 模模 擬擬 量量 采采 樣樣 值值 (SA V) 模模型型 (對對 象象,服服務務) 抽抽 象象 通通 訊訊服服 務務 接接 口口 (ACSI) 實實實實時時時時性性性性要要要要求求求求 以以 太太 鏈鏈 路路 層層 帶帶 優(yōu)優(yōu) 先先 級級 的的 以以 太太 物物 理理 層層 IP TCP MMS 特特定定 通通 訊訊 服服務務 映映 射射(SCSM) 通通 用用 變變 電電 站站 對對 象象 事事 件件 (GOOSE) 通通訊訊技技術術 應應用用 領領 域域

17、 ： 變變電電 站站 自自 動動化化 過程總線基本組網方案面向位置面向位置原則原則單一總線單一總線原則原則面向功能面向功能原則原則面向間隔面向間隔原則原則System architecture with 61850-9 BussesFlat communication architecturePerformance classes binary data, RMS valuesPerformance classes raw analog data系統(tǒng)方案的主要技術問題系統(tǒng)可用性和可靠性n 可用性（Availability）冗余 MTTFMTTF by repairn 可靠性（Security）

18、減少系統(tǒng)的環(huán)節(jié)和元件數量MTBR采用數字式電子互感器和智能高壓電器帶來的問題n 同步問題同步問題n 變電站設備可靠性和安全性考慮變電站設備可靠性和安全性考慮n 設備的壽命和可維護性設備的壽命和可維護性n 電子設備對環(huán)境的適應性。如電磁干擾、溫度、濕電子設備對環(huán)境的適應性。如電磁干擾、溫度、濕度等度等NGC EnglandTraws 400 kV substationConventional before retrofitIAIS實例實例Built- in 132 kV IAIS132 kV substation before retrofit數字化變電站的最終目標是簡化整個變電站的建設，達成工

19、業(yè)和自然的和諧數字化變電站系統(tǒng)實施方案變壓器間隔的實現方案合并單元（ MU）*符合IEC61850-3的要求*能工作在500KV變電站的開關場內，有優(yōu)良的抗EMC能力。*適應環(huán)境溫度范圍寬*當外界同步脈沖丟失時，利用內部的同步時鐘仍可繼續(xù)工作，但數據幀中有反應失步的信息*有鑒別同步脈沖是否有干擾的能力。通道1-通道12光纖以太網1光纖以太網2雙路秒脈沖同步電以太網接口直流電源n 與國內外互感器廠家（北京浩霆光電、武漢長江通信、西安華偉、日本三菱、德國斯尼文特、 北京天威瑞恒）達成穩(wěn)定合作關系。過程層產品電子式互感器的分類 非常規(guī)互感器非常規(guī)互感器（NCITNCIT）光學互感器光學互感器（OCTOCT/ /OVTOVT）電子互感器電子互感器（ECTECT/ /EVTEVT）電壓電壓變換變換電流電流變換變換普克爾效應（Pockel effect）法拉第效應(Faraday effect)塞格奈克效應(Sagnac effect)電阻分壓電容分壓羅柯夫斯線圈(Rogowski coil)無源型無源型傳感系統(tǒng)傳感系統(tǒng)有源型有源型傳光系統(tǒng)傳光系統(tǒng)