基于站域保护原理的智能变电站过程总线信息共享特性分析_朱俐颖

基于站域保护原理的智能变电站过程总线信息共享特性分析朱俐颖高亮（上海电力学院，上海 200090）摘要针对传统继电保护动作延时长、整定配合复杂及自适应能力较弱等弊端，引入了利用全站数据信息的站域保护的概念，并分析了站域保护的基本原理和动作功能。

从站域保护的通信需求出发，以交换以太网的变电站组网方案为基础，对过程总线通信特性进行评估分析。

对过程总线面向间隔以及面向位置的两种组网方案进行了OPNET的仿真和建模，分析了SV报文以及GOOSE报文在过程总线传输过程中的共享特性。

验证了当采样率较低时，过程层能够在100Mbit/s 网络下实现具有较高实时性的跨间隔数据共享。

关键词：变电站；站域保护；信息共享；OPNETAnalysis of Data Sharing based on Principle of Substation—Area ProtectionZhu Liying Gao Liang(Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090)Abstract According to the characteristics of smart substation, the function and principle of substation area protection were discussed. Substation area protection is based on multi-source information, which can overcome the shortcomings of long action delay, complex configuration and coordination, and weak self-adaption in conventional substations. The communication features of process bus are analyzed based on the switched Ethernet substation network scheme. Location network oriented process bus featured with SAV and GOOSE message sharing mechanism is been simulated by using OPNET software. It is verified that data sharing under lower sampling rate and its real-time response ability is basically achieved between the process layer at 100Mbit/s network.Keywords：substation；substation area protection；date sharing；OPNET变电站是电力系统中必不可少的组成部分,是电网基础运行数据的采集源头和命令执行单元，担负着电能转换、分配、控制和管理的重要任务。

随着电力系统不断发展电网互联和运行方式日趋复杂，利用元件“本地”信息的变电站传统继电保护也暴露了其固有的缺陷[1]：动作速度慢，选择性需要时间和定值的配合来；整定配合复杂，存在误动作和加速扰动扩散的风险；配置冗余重复且二次设备的接线复杂，投资成本高；面对复杂多变的电网运行方式，自适应能力较弱等。

IEC 61850标准的不断完善、微机及通信技术的发展，为变电站站内信息的共享提供了便利。

基于全站多源信息的站域保护应运而生。

目前，智能变电站的信息采集可实现数字化且直接通过网络传输交互。

智能变电站站域保护的实现需要在保证实时性的基础上收集全站内所有间隔的信息，包括断路器、刀闸位置及电压电流等信息。

因此，实现站域保护需要构建有效的网络共享平台，而过程层通信网络的实时性及可靠性将直接决定保护动作的快速性及动作正确性。

针对过程层的通信特性及跨间隔信息共享的研究对站域保护的实现意义重大。

本文从变电站站域保护的通信需求出发，以交换式以太网的变电站组网方案为基础，对过程总线2015年第3期 872015年第3期88通信特性进行评估分析。

基于OPNET 软件，对过程总线进行面向间隔组网以及面向位置这两种组网方案的建模与仿真，分析了过程层跨间隔信息共享的实时性。

1 站域保护的原理及功能智能变电站站域保护的动作原理大体可以概括为：立足站内标准化信息的交互共享机制，利用过程层通信实时地获取各元件的电压电流同步采样信息（SV 报文）以及开关量信息（GOOSE 报文），在划分冗余信息范围的基础上，采取多信息融合算法来识别故障元件，并通过设计的优化逻辑策略来执行断路器跳闸，实现故障的快速可靠切除，达成保护站内各电气元件的功能[2]。

站域保护在获取多源冗余信息的基础上，可以从站内全局角度上实现综合故障处理，有助于补充改善传统继电保护的性能，具体表现在：①与传统的继电保护系统相比，站域保护可以获得更多的故障特征信息，有助于改进和提高其保护性能；②站域保护可实现全站控制功能的协调和集成，可实时获取变电站电气信息，综合判断变电站运行状态，优化控制功能；③站域保护能够简化变电站继电保护和控制系统的结构，改善其性能，同时也可以作为子站接入广域保护系统，与广域保护配合，实现区域电网的安全控制[3]。

与广域保护相比，站域保护的对象主要是集中在变电站内的变压器母线等电气元件，因此所需的信息有限。

2 变电站站域保护的通信需求2.1 智能变电站通信结构及组网方案从物理层面上看，变电站分为一次设备和二次设备，从逻辑上来看，智能变电站内部各层次之间采用高速网络通信达到信息共享，完成自动化功能。

IEC 61850从功能上将智能变电站分为三层式结构，如图1所示，即过程层、间隔层和变电站层。

分层的智能变电站通信系统存在下面几种方式的数据传输流：①远方控制中心和变电站层之间的通信；②变电站层内部通信，不同设备之间交换数据；③间隔层内部的信息交换；④间隔层之间直接通信；⑤变电站层与间隔层之间的保护和控制数据交换；⑥间隔层和过程层之间的通信。

IEC 61850引入两类总线将三个功能层相互连接：变电站总线和过程总线[4]。

其中变电站总线用于处理站控层与间隔层之间的通信以及间隔层内部装置之间的数据交换。

过程总线用于过程层设备和间隔层装置之间的通信，是智能一次设备和二次设备的接口面，主要用于两种高速信息服务：①过程层断路器和间隔层保护装置之间的跳闸命令；②过程层非常规互感器实时采样值上传至间隔层。

由于引入了变电站总线和过程总线，层间和层内数据的采集和传输不再是点对点方式，而是以网络通信的方式集中采集和处理。

图1 IEC 61850标准的变电站通信结构其中，根据现场情况以及信息传输可靠性要求可以采用的过程总线组网原则有四种，即面向间隔原则、面向位置原则、面向功能原则以及单一总线原则[4]。

单一总线原则，因为全站范围仅有一条通信总线，所有设备均连接在此总线上，系统的可靠性较差，所以往往不被采用。

面向功能原则的组网方式，理论上可以从具体功能出发，根据不同功能的要求确定具体的信息间隔数，可以针对保护的功能需求分析信息的相关性。

应用最为广泛的是面向间隔原则组网和面向位置原则组网。

面向间隔组网的每个间隔有一条独立的总线再连接到全站范围的总线上，因此结构清晰明了，维护相对方便。

而面向位置组网，因为每条总线覆盖了多个间隔，所以节约了设备，也降低了成本。

2.2 站域保护对过程层信息共享的通信需求智能变电站站域保护旨在改进现有传统继电保护的性能，对其间存在的不足，进行相应补充，且主要面向于完善后备保。

为了提升系统运行的稳定性，缩短故障清除时间，实现保护动作尽可能快而且切除故障范围尽可能小。

通信系统需要具有较高的实时性和可靠性，需要过程层的信息可以快速共2015年第3期 89享，主要包括SV 报文以及GOOSE 报文。

从继电保护角度，站域保护方案要能够改善后备保护整定动作延时长、整定配合复杂的弊端。

例如，针对变电站的双回线保护，智能变电站站域保护可以通过引入两回线路的电流、电压量，并与就地线路的主保护相结合解决现有的各类问题。

一次设备如电子式互感器的异常可能导致该间隔保护功能缺失，而站域保护可以获取相邻设备及全站的信息，可以快速识别故障并切除。

智能变电站站域保护的实现需要通信系统实现变电站全站信息的共享。

通过过程层网络获取的高低压侧所有进出线的SV 报文（采样值信息）以及GOOSE 报文（通用面向对象变电站事件）快速共享。

当变电站过程总线为星型冗余结构时，能够满足智能变电站可靠性要求，具备较高的通信实时性，并且节约的交换机数较为可观，是能够兼顾可靠性和经济性的继电保护通信系统结构。

因此，将从实时性的角度出发，以星型冗余的通信结构为基础，利用OPNET软件仿真分析SV报文和GOOSE 报文在变电站过程总线上的共享特性。

3基于站域保护的变电站过程层信息共享分析3.1 OPNET 仿真网络模型以一个典型的110变电站为例，利用网络仿真软件OPNET ，对该智能变电站的过程总线的通信特性进行仿真分析。

如图2所示，为110kV 的变电站各通信间隔内信息传输结构。

其中包含110kV 线路两回进线间隔，母线间隔，两台主变间隔，以及10kV 线路的8回出线间隔和母线间隔。

图2 110kV 智能变电站各间隔仿真选用OPNET Modeler10.0中的ethernet_ station_adv 节点模型来模拟MU 节点、IGS 节点，主要传输GOOSE 和SV 信息。

选用 ethernet_wkstn 节点模型来模拟P&C 节点主要传输MMS 报文、保护定值等报文，完整地映射了OSI7层堆栈。

SW 节点则选用16端口以太网交换机，并用100Mbits/s 通信链路连接。

2015年第3期901）过程总线面向间隔组网模型利用OPNET 软件对面向间隔的过程总线建立的仿真模型如图3所示。

OPNET 为清晰表示网络分布与层次为用户提供了子网（subnet ）的功能，在仿真模型图中用表示。

面向间隔的组网方案中，每个间隔作为一个子网连接在全站范围的总线上。

（a ）面向间隔的过程总线仿真模型（b ）母线间隔子网OPNET 模型（c ）线路间隔子网OPNET 模型（d ）变压器间隔子网OPNET 模型图3 面向间隔的过程总线组网的OPNET 仿真模型 2）过程总线面向位置组网模型按照面向位置的过程总线组网原则，建立的OPNET 仿真模型如图4所示。