一种实用的IEC61850过程总线结构分析

阳林峰，荀吉辉，薛玮，李大公

(1.湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南长沙 410004;2.湖南省电力公司科学研究院，湖南长沙 410007)

IEC61850国际标准在世界各地已得到大量推广，是智能变电站应用的基础〔1〕。

IEC61850标准中采样值传输采用过程总线的方式。现有的过程总线结构为IEC61850－9－2组网方式〔2〕，达到采样数据的信息共享。然而实际应用中由于数据流量、合适的结构体系、可靠性、时间同步、数据共享、可维护性、可测试性、可升级性等一系列问题，采用组网方式传输数据的模式还在进一步的探讨实践之中，不宜大规模推广应用。

本文提出了一个实用的过程总线结构体系，此结构符合IEC61850－9－2标准并基于变电站拓扑规律，适用于变电站的保护和控制，能较好地解决数据共享和交流输入采样同步这两大关键技术难点。

1 现有的过程总线结构

目前常用的IEC61850－9－2组网结构如图1所示〔3〕，合并单元 (MU)采集TA，TV和开关量状态信息并进行数字化处理，合并单元 (MU)的数据通过交换机组成以太网，光纤传输到IED。MU要求每周波采样80个点用于保护，每周波采样256个点用于电力质量或高分辨录波〔4〕。

图1 过程总线组网结构

这种采样值数字化、网络共享化的方式所面临的第一大问题是数据共享引起的网络传输延时和网络流量问题，IEC61850－9－2和GOOSE报文编码格式非常复杂，解码计算量大，实时采样数据信息量庞大，尤其母差、变压器保护等需接收多个合并单报文的IED，所要求的处理能力非常高。处理不当，则会出现电流或电压数据信息延时、堵塞或丢失的情况，这对于继电保护来说是不能接受的。一般变电站若少于20个IED，通过合理的优化可以避免上述情况发生，但对于一些大型的变电站IED超过50个，上述问题会变得较为突出。

第二大问题是时间同步，包括同一站内不同间隔MU的同步、线路两侧不同站的MU同步等问题。如差动保护需要接收多个MU的数据，同步误差要求1μs以内。目前常见的做法是通过时钟源装置的PPS给MU对时，虽然能满足同步误差1μs的要求，但保护的可靠性严重依赖于第三方设备时钟源装置，运行存在一定的不安全因素。

2 实用的过程总线结构

2.1 结构特点

本文推荐的结构体系如图2所示，合并单元(MU)采集相关信息，通过独立数字内核的设计及点对点的连接用光缆将信号传输到各保护装置IED〔5〕。

图2 实用的过程总线结构

结构体系的元件包括安装在一次设备附近的合并单元 (MU)、光缆、担当合并单元 (MU)与IED之间联系的交叉连接板及IED，特点如下:

合并单元 (MU)的信号，包括来自TA/TV的交流电流电压、断路器状态和控制信号、刀闸状态和控制信号、温度和压力等等。合并单元 (MU)可以露天安装，用于严酷的环境，包括极端气温、振动、电磁场、阳光辐射、高压冲洗以及暴露在盐碱及其他化学物质环境中。每个合并单元 (MU)包含4个微处理器控制的数字内核，对每个IED都有专门的光纤提供点对点通讯。采样值通讯遵循IEC61850－9－2规约，GOOSE通讯遵循IEC61850－8－1规约。这些数字内核完全隔离、相互独立，共享具有高度出错保护设计的输出输入硬件平台。

所有的电/光缆都采用军用或航用等级的电子产品元件，预先配置接口，便于布置与更换。在户外光缆中包含了1根双芯铜缆为合并单元 (MU)提供电源，同时也为开关站内相关设备节点输入提供电源 (如断路器辅助节点，瓦斯告警节点等)。

光纤交叉连接板用来安放和固定户外光缆并作为中转站，通过户内光缆与IED相连，同时给相应的合并单元 (MU)提供电源。光缆之间的连接使用标准的光纤接头，保证 IED与合并单元(MU)之间的IEC61850通讯按照变电站一次结构一一对应，不包含切换网络。

每个IED具备8个光纤接口，可以连接8个合并单元 (MU)。IED接口数量的设计是在详细分析变电站拓扑结构及所需的数据流后得出的。这样的8/4连接方式覆盖了几乎所有可能的典型应用。根据已有的保护原理，每个IED提供1个基本区域的保护，它由安全专一的网络通过直接光纤联接到IEC61850合并单元 (MU)。由于那些专用的光纤芯有完全确定的交换数据量，因此可以依靠每个IED所联系合并单元 (MU)数字内核的采样时间来得到一个简单、完整的时钟同步方案，而不需要依赖外部时钟提供过程总线数据同步。

2.2 数据共享

数据共享可经点对点连接解决。这是一个非常简单实用的方案，它避免了许多与网络切换和网络安全有关的问题。在本文提出的结构体系中，每个IED允许接8个合并单元 (MU)，每个合并单元(MU)可以接4个IED。这样可以建立一个公用的合并单元 (MU)与保护装置之间的一点对多点的双向数据通道。一对需交换保护信号的IED也可以通过合并单元 (MU)作为信箱来传送信号。通过对典型的变电站接线分析，一个合并单元(MU)提供信息给4个IED基本可以满足除母线保护之外间隔的应用。

如图3的系统，每个合并单元 (MU)包含1个公共的I/O./模块和4路数字内核，公共的输入输出模块由底层硬件控制，独立于IED和内核。公共输入输出模块及相关连线设计成紧凑的就地装置，通过合适的硬件缓冲考虑，输入输出模块与数字内核相互隔离、互不干扰。

这些数字内核在硬件层上是完全隔离的，它们由独立的微处理器控制并通过独立的光缆点对点与IED通讯，每个数字内核只与相关的IED联系，每个内核都独立运行在合并单元 (MU)中。举例来说:内核1作为线路差动保护A运行软件版本5.61，同时内核2作为过流保护B运行软件版本4.32，内核3则可作为母线保护C运行软件版本2.22。

图3 采样数据共享

2.3 时间同步

通过IED发送IEC61850－8－1GOOSE到与之相关的合并单元 (MU)内核来进行同步，而不依赖外部时钟源来同步。每个IED按自己的“时区”运行，发送自身的采样保持信号 (S＆H)来满足应用算法的需要。这一 S＆H 信号经IEC61850GOOSE瞬时送到相关的合并单元 (MU)，误差在1μs之内。每个IED可以以自己的频率跟踪采样，不同的IED可以用不同的采样率采样。在合并单元 (MU)设置独立的数字内核不仅容易实现独立的时区，也容易实现独立的软件区。当IED启动时，每个IED对所连接的合并单元(MU)内核的软件版本进行检查。如果软件不匹配，IED自动装载合适的软件到所连的内核，操作仅持续几毫秒，而其它内核继续正常运行感觉不到其相邻内核正在进行的变化。GOOSE信号是1组数据集用来控制合并单元 (MU)的模拟量采样和输出 (如跳闸、合闸、连锁等)。

合并单元 (MU)的公共I/O模块通过自身高速率独立运行的采样时钟采集交流量，这些交流量经合并单元 (MU)内部独立的数字链接拷贝到4个数字内核中。当接到GOOSE所发的S＆H信号后，这些内核将对本区内的物理采样重新采样并返回与所请求的IED保持精确同步。合并单元(MU)没有软件和定值，它们完全由与它们相连的IED控制。用户不会受到在IED和合并单元(MU)之间软件和定值反复更换的影响，不需要使用专门的软件工具来调试合并单元 (MU)，一个传统意义上的保护定值程序足够设置整个系统。

3 结论

文中给出了一个坚固耐用的IEC61850－9－2过程总线构架，可用于分布式保护、测量和控制。当系统中电子设备的数量和连接增加时，其可靠性不会降低。某个间隔保护推出进行升级、定检、故障维修不会影响其他二次系统。其具有良好的升级性、可测试性、网络安全性和可维护性，既适用于智能变电站改造，也适用于智能变电站新建。

〔1〕高翔.数字化变电站应用技术〔M〕.中国电力出版社，2008.

〔2〕殷志良，刘万顺，杨奇逊，等.基于IEC61850标准的过程总线通信研究与实现〔J〕.中国电机工程学报，2005，25(8)．

〔3〕B.Kasztenny.An architecture and systemfor IEC61850 Process Bus〔J〕.Protection ＆ Control Journal，2008，10.

〔4〕IECInternational Standard.Communication networks and systems in substations-Part9-2:Specific Communication Service Mapping(SCSM)-Sampled values over ISO/IEC8802-3〔S〕.2004.

〔5〕Drew Baigent.IEC 61850 Communication Networks and Systems In Substations:An Overview for Users〔J〕.Proceedings of theⅧSimposio.Iberoamericano Sobre Proteccion de Sistemas Electricos de Potenica.Monterey，Mexico:2005.