数字化变电站过程层系统介绍

Flat communication architecture
Performance classes – binary data, RMS values
Performance classes – raw analog data
系统方案的主要技术问题——系统可用性 和可靠性
可用性（Availability） 冗余 MTTF MTTF by repair
数字化变电站中保护控制设备
高速以太网通信
微 计 算 机 交 流 输 入 模 件 Ａ ／ Ｄ 变 换
人机对话模件 MU
1、A/D变换没有了，代之以高速通信。
开 入 开 出 模 件
一次设备的智能化改变了传统变电站继电保护设备的结构：
2、开关量输出DO、输入DI移入智能化开关，保护装置发布命令，由一次设 备的执行器来执行操作。
第三类保护也应在失去同步后延迟若干时间后 被闭锁。此后，只有检测到同步信号恢复，保 护才能投入运行。因此对于第三类保护必须冗 余配置
传统的变电站一次设备和保护的连接
交 流 输 入 模 件 Ａ ／ Ｄ 变 换 开 入 开 出 模 件
微 计 算 机
人机对话模件 端子箱
从CT、PT引出的电缆，根据需要，在端子箱内重新组成对应各保护、 测量等回路，二次设备引入测量量，进行A/D变换后，送入CPU处理判断 CPU处理的结果，或合闸、跳闸、闭锁（不允许其他的跳合闸起作用） 通过开入开出板连接到开关端子箱。 在过程总线中，保护装置的功能被组合到一次设备到一次设备，形成 新的接线模式。
第二类保护的正确动作同时需要信号的相位和幅值，但 所需信号来自于同一变电站，所以只要保证站内同步即 可实现保护的正确动作，比较典型的是距离保护和变压 器差动保护。 第三类保护的正确动作也同时需要信号的采样值，但是 所需信号只有在全站同步的情况下才能保证保护的正确 动作。这类保护典型的是母线电流差动保护。
过程层总线设备的技术问题 工业以太网交换机是核心元件 符合IEC-61850-3规范 是IT数字网络中实时性要求最高的 VLAN的划分 网段的合理规划
数字化变电站过程层系统的通信要求
应用领域： 变电站自动化
模型 (对象,服务)
抽象通讯 服务接口 (ACSI)
模拟量采样值 (SAV)
合并单元（MU）
智能终端
同步对时设备 带有过程层接口的间隔层设备
过程层总线
设备（process bus）
合并单元（MU）
对来自二次转换器的各相电流电压信号进行时间相 关性(同步)组合，并转发给二次设备。 完成各相电流电压的采样同步控制
MU及电子互感器的相关标准的发展
IEC 60044-7 : Instrument transformers Electronic voltage transformers IEC 60044-8 : Instrument transformers Electronic current transformers IEC 61850-9-1 IEC 61850-9-2 : Communication networks and systems in substations – Part 9-2:Specific Communication Service Mapping UCA 9-2 LE : Implementation guide for digital interface to instrument transformers using IEC 61850-9-2
IED
―Wires― Trip XCBR Circuit Breaker
IED
XCBR
State of (practice a)
Distributed SA with Process Bus
Distributed SA with Process Bus & Prot. Redundancy
什么是 goose？
Free configuration and allocation of functions (logical nodes)
IED
PTOC PDIS
IED
PTOC PDIS
IED
PTOC
IED
PDIS
PTRC ―GSE*― Trip XCBR
PTRC
PTRC ―GSE*― Trip
PTRC
*Generic Substation Event
– – – 断路器的跳闸命令 间隔闭锁 不同间隔保护之间的水平通信
IEC 61850 GOOSE Principle
一个装置（发布者）发布消息, 只有订阅者装置正在接收它。 每个接受者的反应取决于它的配置和功能
例子
Ethernet
GOOSE Sender Device X
GOOSE message
可靠性（Security） 减少系统的环节和元件数量 MTBR
采用数字式电子互感器和智能高压电器带 来的问题 同步问题 变电站设备可靠性和安全性考虑 设备的寿命和可维护性 电子设备对环境的适应性。如电磁干扰、温度、湿 度等
实例
NGC England Traws 400 kV substation IAIS Conventional before retrofit
Information exchanging among IEDs: Peer-to-Peer communication
8-20ms
信号
时间
设备 给接点通电 接点闭合 到达开入 量门槛时
装置之间的信息交换: 端对端的通讯
采用IEC61850 GOOSE 的网络反应时间：
Information exchanging among IEDs: Peer-to-Peer communication
Injection test device
FaE Sender Device X
GOOSE „Y does Receiver not react“ Device Y
GOOSE Receiver Device Z
„CB* off“
* CB = Circuit Breaker
“ Z starts its disturbance recording „
IEC 61850 GOOSE 信息的发送
•
•
•
定期发送GOOSE报文,并且通过重发相同数据来获得额外的可靠性,并且逐渐增加SqNum 和传输 时间来实现有效的传输。 GOOSE报文中的SqNum 和 StNum 的初始值为1。当有事件发生时，StNum 加1、SqNum 变为 0 ，之后SqNum 顺序加1。 GOOSE报文发送过程中各种时间间隔推荐如下： T0: 稳定条件(长时间无事件)下重传时间间隔应小于60秒并可配置。 (T0): 稳定条件下被事件缩短的重传时间间隔应小于T0。 T1: 事件发生后,最短的传输时间间隔应小于1秒并可配置。 T2, T3: 直到获得稳定条件的重传时间间隔应在1秒至20秒范围内。
数字化变电站过程层系统认识与实践
北京四方继保自动化股份有限公司 刘勇
内容提要
数字化变电站过程层系统的概念和构成
数字化变电站过程层系统的主要技术问题
数字化变电站的实践工作
变电站自动化发展的过去、现在与未来
数字化变电站的特征
数字化变电站的几个要素 变电站的数字化模型 高速通信网络 智能化的一次设备 网络化的二次设备 其他：运行管理数字化、变电站图像监视系统、变 电站设备在线监测、状态检修。
Time synch accuracy classes
SV示例
同步对时设备的技术问题 用于过程层同步对时设备的特殊性。 冗余热备的同步对时设备。 可灵活配置、便于扩展的主从时钟设备 带有守时功能的时钟设备
同步性问题
根据不同保护对时间同步需求的不同，将保护分为 三类：
第一类保护的正确动作仅仅依赖于输入信号的幅值，它 不要求信号在时间上的严格同步，例如过流保护、低电 压保护等；
≤4ms
在以太网上使用 GOOSE
信号
设备A 发送信 号
网络传输 与冲突检 测时间
时间
设备B收到信号
系统方案的主要技术问题——同步采样
若采用就地采集单元，各电压、电流之间，变压器不同的电压 等级之间需考虑同步采样 变压器差动保护从不同电压等级的多个间隔获取数据存在同步 问题 母线差动保护从多个间隔获取数据也存在同步问题 线路纵差保护线路两端数据采样也存在同步问题
IEC 61850 GOOSE 信息优先发送
以太网交换机
IEC GOOSE快速通道
GOOSE 正常报文
正常报文缓存区
IEC 61850 使用标准以太网 IEC 61850 能够利用现代以太网的所有选项功能 其他规约无法利用这些选项功能
装置之间的信息交换: 端对端的通讯
硬接点的反应时间：
数字化变电站的最终目标是简化整个变电站的建设，达成工业和 自然的和谐 132 kV substation before retrofit Built- in 132 kV IAIS
数字化变电站系统实施方案
调度 GPS接收 装置
操作员站1
操作员站2
工程师站
五防工作站
远动主站
网络打印机
站 控 层 以太网A 以太网B
GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) 一个机制，用来快速传输变电站的事件；诸如命令、告警、指示、信息。 单个的 GOOSE 信息由 IED 发送* 能被接收并被若干个接收者使用 GOOSE 利用了强大的以太网，支持实时的行为要求。 它被应用的例子
数据接口
ECTa（测量） ECTb（测量）
ECTc（测量）
ECTa（保护）
ECTb（保护） 合并单元 ECTc（保护）
数字输出
ECT中性点
EVTa
EVTb
时 钟 输 入
电 源
EVTc
EVT中性线
EVT母线
IEC61850-9-1、2应用
Free allocation
Distributed Functions
GOOSE Receiver Device Y
GOOSE Receiver Device Z
Tripping via GOOSE
GOOSE message with commands for CB * tripping and disturbance recorder starting Configuration: sender X --> receiver Z
对时
IEC61850
IEC61850
IEC61850
CSC2000 间 隔 层 信息管理机 以太网/LonWorks/串口 IEC103/DNP/CDT/等
通用变电站对象事件 (GOOSE)
特定通讯服务映射(SCSM)
Client /Server 通讯
通 讯 技 术
实时性要求 MMS TCP IP 以太链路层 带优先级的以太物理层
协 议 栈 接 口
过程总线基本组网方案
面向间隔 原则
面向功能 原则
单一总线 原则
面向位置 原则
System architecture with 61850-9 Busses
过程层系统示意图
过程层系统定义
过程层系统是连接智能化一次设备和保护、测控、 状态监视等二次设备的系统。 过程层系统的通信应是实时的、高可靠性的、数据 可共享的。它主要传输两类报文，采样值报文SV和 GOOSE报文。 过程层系统是构建未来数字化变电站的基础。。
一、数字化变电站过程层系统的构成


同步信号丢失后保护系统的策 略
在同步信号丢失后。 对于第一类保护，保护仍能维持正确的动作状 态； 而对于第二类保护，虽然失步以后各信号间的 相位出现一定的误差，但是由于数字采样的高 采样率（每周波96点），这样的相角误差不会 超过4度，装置在判断出失步后，对算法进行 微调就可以适应这种情况，无需闭锁保护。
可连接过程总线的保护设备 *保护可接受符合IEC61850的采样值数 据格式。 *采样速率可达4800点/每秒，MU可达 四组时，可保证数据顺畅接受。 *采用双CPU与门判决方式，用双路数据源保证出口的可靠 性 *每个CPU板配有100M以太网，光纤输出和电气输出端口 各一组。 *在有同步脉冲，和失去同步脉冲时，装置可根据情况执 行不同的保护逻辑。