基于SDH网络的广域保护系统研究.pdf

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第39卷第5期2011年3月1目电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVbl-39NO.5Mar.1,2011基于SDH网络的广域保护系统研究殷玮瑶,袁丁,李俊刚,韩如月,狄军峰,魏勇(1.江苏天源招标有限公司,江苏南京210018;2.江苏徐州供电公司,江苏徐州450052;3.许继电气股份有限公司,河南许昌461000;4.内蒙古工业大学电力学院,内蒙古呼和浩特010080)摘要:阐述了广域保护的基本概念及主要特点,并对广域系统构造、网络通信平台、保护方案实现等加以分析,提出了基于集中分布式的新型广域保护系统,运用先进的SDI/光纤自愈环网,满足广域保护对网络实时性、可靠性的要求。以IEC6185O建模为基础,提出了广域保护中心和保护子站设计方案。在单个变电站内,利用站内信息,保护子站实现集中保护;在广域电网范围,利用广域信息,保护中心实现广域保护功能;两者利用保护信息的配合,保证电网的安全可靠运行关键词:广域保护;SDH;集中分布式;保护中心;保护子站;集中保护Research011wide.areaprotectionsystembasedonSDHnetwork‘—YINWei-jun,YUANDing2,LIJun-gang,HANRuyue.DIJun-feng,WEIYong(1.JiangsuTianyuanBiddingLimited,Nanjing210018,China;2.PowerGridofXuzhou,Xuzhou450052,China;3.XJElectricCorporationLimited,Xuchang461000,China;4.SchoolofElectricPower,InnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot010080,China)——Abstract:Thispaperdescribesthebasicconceptandmainfeaturesofthewideareaprotection,andanalyzesthewideareasystem—configuration,networkcommunicationplatformandprotectionschemeimplementation.Anewwideareaprotectionsystembasedonfocus-distributedtypeisproposed,whichusesadvancedSDHopticalfiberself-healingringnetworktomeetthedemandsfornetworkcommunicationsinrealtimeanddependability.Atthesametime,basedonIEC61850modeling,thedesignschemeofprotectioncenterandtheprotectionsub-stationispresented.Inasinglesubstation,usingst—ationinformation,substationsachieve—centralizedprotection.intherangeofwide-areanetwork,usingwideareainformation,protectioncenterachieveswide-areaprotection;usingbothoftheprotectioninformation,thesafeandreliableoperationofpowersystemisensured.Keywords:wide・・areaprotection;SDH;focus・・distributedtype;protectioncenter;protectionsub--station;centralizedprotection中图分类号:TM77文献标识码:A—文章编号:16743415(2011)05-0120-040引言随着社会经济的发展,人们对电力的需求和依赖越来越大,对安全稳定供电的要求越来越高。然而,随着互联电网区域的扩大,交换容量的增加,电网电压等级的提高,由互联电网故障引起的特大停电事故几乎成为社会灾难,停电造成的损失也越来越大。而保障互联电网的运行安全性,避免重大停电事故的发生却变得越来越困难。这说明电力系统对继电保护和安全自动控制的要求越来越高,而人们对大型电力系统的安全运行和控制规律的认识仍然不够深刻,现有的继电保护系统和安全自动控制系统依然不能完全保障大容量电力系统的安全运行。只有为电网配置广域保护系统,利用电网多点信息,实现保护装置之间动作的协调配合,避免出现因切除故障引起潮流转移而导致保护装置连锁跳闸造成整个系统停电的现象。电网广域信息是广域保护系统保护策略制定的依据,因此,实时、快速地收集并处理整个电网的信息是实现广域保护的基础【1]。计算机技术和网络通信技术的高速发展,以及数字化、智能化变电站的推出,为广域保护的实现提供有利的技术条件与支持。纵观国内外关于广域后备保护理论的研究,目前提出的广域保护系统可以分为两类【2J:一类是利用广域信息,主要完成安全监视、控制、稳定边界计算、状态估计等功能,其侧重点在广域信息的利用和安全功能的实现:另一类则是利用广域信息完殷玮瑁,等基于SDH网络的广域保护系统研究一121.成继电保护功能。传统的继电保护装置一般只能反应保护安装处的就地信息。保护装置无法利用区域电网的信息进行故障判断,因而只能通过定时、定值的整定来实现主、后备保护的配合。从信息论的角度,采集的信息越多,利用信息的冗余性,系统的容错性就越强。因而如果将保护装置联网,利用数字通信的优势,实现数据共享和信息共享,继电保护装置就可以得到更多的系统故障信息,进而就可以改善保护的性能pJ。此外,如果继电保护装置能够得到的系统故障信息愈多,则对故障性质、故障位置的判断和故障距离的检测愈准确。进而要真正实现保护对系统运行方式和故障状态的自适应,必须获得更多的系统运行和故障信息,才能做到这一点。1系统方案系统设计要考虑到两方面的要求:其一,要具有高速、可靠的通信网络信息传输,实时性和可靠性是广域保护实现的基础;其二,要具有先进的保护算法和功能强大的保护中心和终端IED,保护中心是整个系统的主要决策者,而终端IED则是次要决策者,是一些就地保护和广域保护的执行单元。只有同时具有上述两个条件,广域保护才能解决现有保护系统不能解决的问题。目前,广域保护系统研究主要有分布式与集中式结构。分布式结构将保护和控制功能完全分散到各个中完成,它对终端IED的要求比较高,需要独立完成信息的采集、通信、算法的执行、策略的生成以及跳、合闸命令的执行功能。分布式结构系统受故障的影响较小,某个故障一般不会影响到整个保护系统的工作,在分布式结构中,只要确定好信息交换的范围,不会出现信息在之间多次往返的情况,因此通信延时不会较长。集中式结构中,保护中心具有强大的决策功能,这种结构对保护中心的依赖程度非常高,因此也需要对保护中心进行双机或多机备用配置,在这种结构下,保护中心要通过通信系统获取各终端设备的信息,做出决策后再由通信系统将控制命令下达到终端IED,由终端IED执行决策命令。这样如何控制好信息交换的延时就成为影响到广域保护系统性能的重要因素。综上分析二者的优点和缺点都非常明显。因此本文提出了一种综合二者优点的系统结构,即集中式与分布式相结合的广域保护系统结构。将广域大电网按照变电站进行区域划分,在各个变电站内,各保护子站作为集中保护【4】完成保护任务,区域电网配置一个保护中心,通过从保护子站获取信息监视区域电网运行状态。保护主站收集各个保护子站的状态信息与部分采样信息,监测整个广域电网的运行状况,协调各个保护子站的保护命令L5j。进而保证大电网的安全可靠运行。2通信网络由于网络数据通信在变电站系统内的重要性,实时、可靠的数据通信成为系统的技术核心。广域保护系统的连续性、瞬时性和同时性决定了通信网络必须具有如下基本功能和特点。实时性:变电站系统的数据网络要及时地传输现场的实时运行信息和继电保护、稳定控制信息,因此网络必须很好地保证数据通信的实时性。可靠性:变电站内通信环境恶劣、干扰严重,网络通信对整个变电站自动化系统的安全运行起着重要作用,因此通信系统必须保证很高的可靠性。2.1SDH网络结构因此,基于以上两点要求,特提出了以SDH光纤自愈环网为通信基础的系统,同时加以GPS+1588对时系统,保证整个系统的实时与可靠性。通信系统如图1所示,各个变电站内信息,通过合并器上送至保护子站,保护子站在完成相应保护的同时,再通过SDH设备上送至SDH网络,各个保护子站和保护中心都可以从网络上获取自己需要的信息,同时保护中心依据获得的广域信息,做出相应的保护和控制决策,进而发送至SDH网络,相应的保护子站和保护IED在获得决策后,执行相应的保护与控制命令。图1广域保护系统结构图—Fig.1Wideareaprotectionsystemstructure2.2网络通信模型.122一电力系统保护与控制按OSI标准以及IEC61850规范建立的广域保护系统通信模型和采用的相关协议如图2所示。报文传输的可靠性靠各层通信协议来保证。IEC61850MMSTCP(UDpAT臌术sDH光纤自愈环网用户数据层应用层网络层数据链路层物理层图2广域保护系统通信模型Fig.2Wide-areaprotectionsystemcommunicationmodel如图2所示,物理层采用以SDH光纤环网,数据链路层采用ATM技术。工业控制现场常用的总线型网络(如以太网)的传输通道都是共享的,通道共享就难免产生冲突,因此,在链路层上采用CSMA/CD(带冲突检测的载波侦听多路访问)协议。网络上的某个节点只有确认网络空闲之后才能发送信息,如果多个节点几乎同时检测到网络空闲并发送信息,则产生冲突。检测到冲突的发送信息的节点必须采用某种算法(如回溯算法)来确定延时长短,延时结束后重复上述过程再试图发送。要在链路层上保证报文传输的可靠性,必须减小各发送节点之间的冲突,控制好每段网络所带节点的个数。TCP/IP协议是目前应用最广泛的协议之一。TCP是传输控制层协议,IP是网络层协议,数据在最终都要打IP数据包在网络中传送。TCP协议是面向链接的带差错控制和重传机制的协议,有较高的可靠性,但是由于带有确认和重传功能,不利于信息的快速传输,这就造成了通信快速性和可靠性之间的矛盾。可采用UDP/IP协议取代TCP/IP,UDP不是面向链接的,不具备接收确认和重传功能,在保证网络不发生较严重拥塞的前提下可作为一种折衷方——案。在应用层采用制造报文规范(MMS)ISO9506标准。该标准提供了丰富的读写定义以及形成数据对象等通信服务,并定义了当执行相关服务时,设备所应表现出的网络可见行为。MMS还具有定义和处理逻辑对象的强大能力。通过定义设备对象、服务、行为,使设备之间具有很高的互操作性。同时,IEC61850也完全支持从其抽象通信服务接口(ACSI)到MMS的映射。因此,将GSSE信息模型映射到MMs是非常简单的。2.3SDH网络实时性分析继电保护的动作时间直接关系到电网的安全,所以对通道的传输延时要求非常严格。在本系统中传输延时与通信介质类型、网络带宽、报文长度有关。以带宽为100M的以太网为例设传输距离为100km,传输速度为光速的2/3,报文长度厶为5000bit,则报文在介质上的传播时延死为:Td=&l(Ftx2/3)STd=lxlO/(3x10 ̄2/3)STd=0.5ms报文发送时间为:=Lt/(1xM0sTt=5000/(1xl0、S=0.05ms设接收时间与发送时间相等,那么报文从一端开始发送,到另一端全部接收完毕,所用的时间为:ota1=Td+2Tt=0.6ms从上面计算可以看出,增大网络带宽或减小每段报文的位数都可以缩短报文传输延时,但在实际应用中,报文的长度不可能很小,长度越小传输效率越低。鉴于继电保护对通信实时性的要求,以及站域保护系统通信信息量大、通信频繁的特征,位于站域保护通信系统最低层的物理载体必须是能够提供大带宽和高速度的通信媒介。SDH光纤通信网即能满足上述要求。3保护中心与保护子站3.1保护中心保护中心是整个系统的大脑,在获得广域信息后,会做出相应的保护和控制决策,因此就显得格外重要,保护中心结构图如图3所示。图3保护中心系统结构Fig.3Protectioncentersystemarchitecture对于保护中心而言,如何处理信息、采用何种保护和控制策略尤为重要,一方面要保证保护的快速性,另一方面,又要保证保护的可靠性。采用实时操作系统,依据广域信息进行IEC61850建模J。保护中心设备主要是接受各保护子站传递过来的各点状态信息,监视区域电网运行状态,可基于广域信息进行故障后紧急控制。由于保护中心设备接受的是较大区域电网的各点状态量,数据量较大,因此配置了数据库管理模块,用数据库的形式将众殷玮瑁,等基于SDH网络的广域保护系统研究.123.多数据进行管理优化,供广域保护处理CPU进行运算时使用。广域保护处理CPU对运算速度、数据处理能力都要求比较高,因此可采用性能优异的工业控制计算机。保护中心设备在大多数情况下是对区域电网运行状况进行监视,供运行人员了解电网的实时运行状况。3.2保护子站广域继电保护的功能实现是以保护子站为中心完成的。子站依据集中保护策略进行IEC61850建模[8l。面向整体功能建模,整体建模可减少部分模型的重复,对于单个变电站来说,一个保护子站就是一个站内集中保护。只需站内信息即可完成的保护,在子站上即可实现。这种集中保护有无可比拟的优势【9J。而需要外部信息才能是实现的保护,可以通过SDH网络获取必要的信息。增加了1588时钟信号处理模块和远程网络通信模块,能在统一时钟坐标下进行实时采样,并把采集到的电气量信息和本地故障判断信息通过远程网络通信模块在广域网络上共享。保护子站的设计:遵循开放式体系结构,借鉴工业控制机小型化、组合化、模块化和标准化的思想,本文设计的保护子站采用插件式结构,将保护自站的各个功能单元模块化。具体说来,保护子站的插件包括中央处理插件、GPS+1588时钟信号处理插件、远程网络通信插件、本地网络通信插件、人机界面插件、电源管理插件、执行插件等。中央处理插件负责整个局域系统信息采集、处理和控制,是保护子站最核心的部分。系统构架如图4所示。图4保护子站系统结构Fig.4Protectionsub-stationsystemarchitecture4结语本文对广域保护系统进行分析。将集中控制模式和分布控制模式结合起来,提出了一种基于SDH光纤自愈环网的系统构架。讨论了广域保护通信系统的特点,设计了满足继电保护对信息传输实时性和可靠性要求的网络。最后,提出了保护中心和保护子站的设计方案。广域保护中心和站内保护子站二者的保护互相配合。保证大电网安全可靠的运行。因此,对智能电网的研究有重要的示范意义。参考文献[1]丁道齐.未来型电力系统的广域测量和通信【JJ.电力系统通信,2004(111:1-6.——DINGDaoqi.Thewideareameasurementandcommunicationsoffuturetypeelectricpowersystem[J】.PowerSystemCommunction,2004(111:1-6.[2]徐天奇,尹项根,游大海,等.广域保护系统功能与可行结构分析【J].电力系统保护与控制,2009,37(3):93.97.——XUTian-qi,YINXianggen,YOUDahal,eta1.Analysisonfunctionalityandfeasiblestructureofwideareaprotectionsystem[J].PowerSystemProtectionand—Control,2009,37(3):9397.[3]易俊,周孝信.电力系统广域保护与控制综述[J].电网技术,2006(4):7.12.—YIJun,ZHOUXiaoxin.Asurveyonpowersystemwide-areaprotectionandcontrol[J].PowerSystemTechnology,2006(4):7-12.[4]吴国吻,王庆平,李刚.基于数字化变电站的集中式保护研究[J].电力系统保护与控制,2009,37(10):15一l8.—wUGuo-yang。WANGQingping,LIGang.Studyofcentralizedprotectionbasedondigitalsubstation[J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(10):l5.18.[5]肖健,文福拴.广域保护及其应用【J】.电力系统及其自动化学报,2008(4):22.30.XIAOJia—n,WENFushuan.Wide-areaprotectionanditsapplications[J].ProceedingsoftheCSU-EPSA,2008(4):22.30.[6]刘英亮,丛伟,张洁.基于IEC61850的广域保护系统通信服务模型『J1.继电器,2007,35(8):9-13.LIUYing-liang,CONGWei,ZHANGJie.CommunicationservicemodelforwidearearelayingprotectionsystembasedonIEC61850[J].PowerSystemProtectionandControl,2007,35(8):9.13.[7]王阳光,尹项根,游大海.遵循IEC61850标准的广域电流差动保护IED[J].电力系统自动化,2008(1):53-58.WANGYang-guang,YINXiang-gen,YOUDa-hai.DevelopmentofwideareacurrentdifferentialprotectionIEDconformingwithIEC61850[J].AutomationofElectricPowerSystems,2008(1):53-58.[8]徐振明,翟富昌,李绍滋.基于IEC61850标准的电力系统的两种建模方式[J].继电器,2008,36(6):55.58.—XUZhen-ming,ZHAIFu-chung,LIShaozi.TwomodelingmethodsofpowersystembasedonIEC61850standard[J].Relay,2008,36(6):55・58.[9]国家电网公司.数字化电网及数字化变电站关键技术研究框架[S】.2007.StateGridCorporationofChina.Keytechnologiesresearchframeworkofdigitalpowergridanddigitalsubstation[S].2007.(下转第127页continuedonpage127)“”高亚栋,等数字化变电站的虚端子设计方法应用研究.127.线路间隔保护GOOSE配置表逻辑连线起点终点编号名称设备名称虚端子号数据属性设备名称虚端子号数据属性LL0l断路器A丰日位置220kV云山I线智能终端-PSIU601oU1D2RPIT/QOAXCBRI.Pos.stVal220kV云山I线智能终端-PSL603UIN0lGOLD/GOlNGGDO1.DPCS01stValLLn2断路器B相位置220kv云山l线智能终端-PSIU601oU1D3T/QOAXCBRIPos.stVal220kV云山1线智能终端-PSL603UIND2G0LD/OOINGGDOIDPCS02.stValLL03断路器c相位置220kV云山I线智能终端-PSIU601oU"104RPlT/QOAXCBR1PosstVal220kV云山1线智能终端.PSL603UIND3GOLD/GoINGGD01.DPCS03.stVal图3220kV线路间隔保护GOOSE配置表(部分)Fig.3GOOSEconfigurationchartof220kVlineinterralprotection(part14结语本文针对数字化变电站保护装置GOOSE应用“”的新特点,研究提出了一种全新的GOOSE虚端子设计方法,包括虚端子、逻辑连线图、GOOSE配置表等内容,很好地解决了数字化变电所保护装置GOOSE信息无接点、无端子、无接线、设计难以“”表现等问题,达到了数字化变电站是设计出来的要求。“”GOOSE虚端子设计方法在500kV兰溪变工程实践中首次应用,取得了很好的设计效果,目前该设计方法已获得了国家知识产权局发明专利申请受理,并已进入实质性阶段。该方法不仅能应用于保护GOOSE的设计,对数字化变电站其他领域的设计也能起到指导和借鉴作用。参考文献[1]变电站通信网络和系统IEC61850[S].CommunicationnetworkandsystemofsubstationIEC61850[s].E2]丁峰,陆承宇.基于IEC61850标准的变电站防误闭锁工程应用[J].电力系统保护与控制,2010,38(9):96.99.DINGFeng,LUCheng-yu.EngineeringapplicationofinterlockinginsubstationbasedonIEC61850[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(9):96-99.[3]何世恩,刘峻.IEC61850数字化变电站对继电保护专业的影响[J].电力系统保护与控制,2009,37(3):1-4.—HEShien,LIUJun.ImpactsofIEC61850digitalsubstationonrelayingprotection[J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(3):1.4.[4]刘贞,殷小虹.智能变电站的实现[J].机电信息,2009(36):26.29.—LIUZhen,YINXiaohong.Therealizationofintelligentsubstation[J].ElectromechanicalInformation,2009(36):26.29.[5]李慧,赵萌,杨卫星,等.应用IEC61850规约的220kV变电所继电保护设计[J].电力系统保护与控制,2009,37(6):60-63.LIHui,ZHAOMeng,YANGWei-xing,etai.Relayprotectiondesignschemeof220kVsubstationforapplicationofIEC61850[J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(6):60-63.[6]QGDW-11-152-2009IEC61850I程应用模型【s].QGDW-11-152-2009ThemodelofIEC61850engineeringapplication[S].收稿日期:202010-02-23:修回Et期:2010-03-26作者简介:高亚栋(1978-),男,工程师,主要从事电力系统二次设计和咨询工作;E-mail:gyd.zj@163.tom朱炳铨(1967-),男,高YL_z_程师,主要从事电力系统调度专业管理工作;李慧(1971一),女,高级工程师,主要从事电力系统二次设计和咨询工作。(上接第123页continuedfrompage123)—收稿日期:2010-0205;作者简介:殷玮瑁(1982-),女,其自动化;——修回日期:20100819本科,研究方向为继电保护及袁丁(1977-),男,硕士,研究方向为电网调度运行与控制:李俊刚(1981-),男,硕士,研究方向为智能变电站系统及相关产品研发。E-mail:aogusdu@gmail.com
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