智能变电站母差保护数据接收优化

冯彦钊,王晨,龚石林,张兆云,陈卫,曾臻

(1.云南电网公司,昆明 650011；2.强电磁工程与新技术国家重点实验室,华中科技大学,武汉 430074)

智能变电站母差保护数据接收优化

冯彦钊1,王晨2,龚石林1,张兆云2,陈卫2,曾臻2

(1.云南电网公司,昆明 650011；2.强电磁工程与新技术国家重点实验室,华中科技大学,武汉 430074)

智能变电站通信网络中以太网技术的发展为全站的数据共享提供了更有效的途径,如何利用现有的网络结构优化其他智能电子设备的功能值得研究。针对智能变电站中现有的过程层冗余通信网络结构,提出了一种基于并行冗余网络的母差保护数据接收延时优化方案,并给出了理论计算分析。

智能变电站；并行冗余网络；母差保护；时延特性

0 前言

随着非常规互感器、网络通信技术、智能断路器技术的不断发展,基于IEC61850协议的智能变电站二次系统日益完善。IEC61850 Ed2废除了采样值点到点传输方案,基于IEC61850-9-1[1]的过程总线技术正向IEC61850-9-2[2]网络化传输方式过渡,对过程层采集的电气量及状态量信息进行数字化、网络化处理。过程总线技术通常采用点对点单独运行,网络流量较低。过渡到IEC61850-9-2后,采样测量值 (SMV)、跳闸指令及断路器隔离开关状态量 (GOOSE)传输于由交换机组成的过程总线数据网络,通信技术成为变电站自动化系统的关键[3-5],数据传输网的可靠性也显得尤为重要。

目前,智能变电站电压等级越来越高,对通信网络的可靠性要求也随之更高,通信网络结构、数据报文的优先权配置等都可能影响到过程总线及其继电保护方案的可靠性。由于继电保护本身的速动性和可靠性要求以及保护双重化配置的推广应用,导致目前智能变电站普遍采用双网络的冗余通信方案：文献 [6-8]对采用星形和总线型环形的双网互备组网形式进行了分析比较；文献 [9]研究了不同冗余技术在智能变电站通信网络应用的可能性；文献 [10]研究了一种基于并行冗余协议的智能变电站高可靠性过程总线通信。然而这些文献都只是对冗余网络的组网及其相关技术进行了探讨,冗余网络的目的也只限于提高通信网络的可靠性,充分利用冗余结构来优化、改善智能变电站的网络通信性能等方面的研究鲜有涉及。

由于母差保护需要收集多间隔电流、电压信息,并且要求数据的同步性、实时性和有效性,尤其是实时性要求至关重要,越早获取所需数据信息就能越早判断出故障并及时做出反应,以保证变电站的安全稳定运行。

本文基于智能变电站过程层的冗余网络结构,提出了一种母差保护数据接收延时优化方案,并针对一般的智能变电站结构对方案进行了相应的理论分析。

1 并行冗余网络结构

IEC62439高实用性自动网络标准的发布为工业网络的冗余提供了标准化支持.它给出了4种冗余协议：基于环网的媒介冗余协议 MRP (Media Redundancy Protocol based on a ring topology)；并行冗余协议 PRP(Parallel Redundancy Protocol)交叉冗余协议CRP(Cross-network Redundancy Protocol)以及信号冗余协议BRP(Beacon Redundancy Protocol)[11]。由于PRP实现双网冗余的同时可以完成GOOSE报文的双网同时发送且经过的交换机跳数较少,经济性好,因此比较适合在现有技术条件下的智能变电站中应用。

并行冗余系统采用两个独立的局域网A、B实现。在网络中,可以根据连接网络的链路数划分两类节点：①DAN(Doubly Attached Nodes)节点：通过两个网络接口连接到双网的节点；②SAN(Single Attached Nodes)节点：通过一个网络接口连接到单网的节点。如图1所示。

图1 PRP网络结构

并行冗余网络是通过DAN节点实现的。DAN节点有两个使用相同MAC地址和IP地址的网络适配器和一个链路冗余实体 (Link Redundancy Entity,LRE)。两个适配器与两个网络A、B连接。上层应用与网络接口通过LRE连接。LRE层实现报文的双发双收,LRE收到上层应用传来的发送报文,将报文加上网络标识符后复制成两份,然后从A网、B网的物理层发出,这样在两个局域网中会有相同的报文被转发,在一个局域网失效时,另一个局域网也会将报文送达。接收节点从A网、B网的物理层先后收到报文,LRE对标识进行判别,丢弃后到的报文而先到的报文去除网络标识后传送给上层应用[12]。节点的内部功能结构如图2所示。

图2 PRP终端节点冗余功能结构

2 母差保护数据接收优化方案

在基于IEC61850的智能变电站过程层采用组网方式作为报文传输方式的模式下,报文端到端延时特性是通信网络性能的重要指标,采样值报文网络延时的大小也将影响到间隔层保护的动作特性。母差保护由于要汇集连接到母线的各线路的实时电气量信息,信息量大且涉及到采样值报文的跨间隔传输,因此报文端到端的延时大,不利于母差保护的快速动作。基于并行冗余协议的网络结构为智能变电站通信网络提供了可靠的热备份,同时在空间上也拓宽了信息的传输途径,本文在并行冗余网络结构的基础上,研究一种母差保护接收跨间隔网络报文优化方案。

2.1 智能变电站网络延时分析

基于IEC61850的智能变电站实时通信网络中传输着不同的数据流信息,根据不同的功能要求,各种数据流端到端的延时特性也有差异。基于以太网的智能变电站报文端到端时延构成如图3所示。

图3 智能变电站报文通信时延构成

报文时延主要包括源节点的发送端处理延时ta、网络传输延时tb、和目的节点的接收端处理延时tc,即总延时t=ta+tb+tc。延时ta、tc主要取决于帧的长度和以太网的通信速率；网络传输延时tb主要包括交换机存储转发时延、交换机交换时延、光缆传输延时、排队时延,其中排队延时是由于交换机发生帧冲突时采用排队方式顺序传送,这也是导致报文端到端延时不确定性的主要原因,研究减少报文的网络传输延时tb是改善智能变电站信息实时性的关键。

2.2 母差保护数据接收优化方案

基于并行冗余的智能变电站的过程层星型网络结构如图4所示,采用并行冗余通信网络,工作时,合并单元 (Merging Unit,MU)同时向两个独立的过程层A、B网络发送采样值信息,A网和B网中传输的数据完全相同。接收端 (保护及测控装置或母差保护单元)同时从A网和B网获取采样值报文,优先利用先收到的采样值信息,另一个则丢弃,如果收不到另一个网络的信息就告警。当A网和B网的结构相似,且布线路径相近时,A网和B网具有相同或相近的网络性能。当数据拥塞时,两个网络可能会同时发生拥塞,此时将导致数据接收延时增大。

图4 基于并行冗余的智能变电站的过程层星型网络结构

图5 母差保护优化方法

母差保护单元必须在接收到A网或B网中传输的所有线路间隔的电气量信息后才能进行母线保护运算,只是在其中一个网络出现故障时才会利用另一个冗余网络的数据信息,而不是充分利用两个网络中先到的电气量信息,因此在智能变电站中采用并行冗余协议的通信网络并没有提升过程层通信网络的性能尤其是母差保护的快速动作特性。

在上述结构的基础上,提出一种智能变电站的母差保护优化方法,见图5.

3 母差保护端口延时分析

在智能变电站中各设备通过划分VLAN可以将数据流量较好地限制在各个间隔内,因此大多数保护功能的流量均可较为稳定地在过程层网络中传输。在80点12路采样模式下,一个合并单元发送的采样值数据量约为5 Mbps,则一个100 Mbps的通信网络理论上可支持19个合并单元设备。即使考虑到合理的网络性能,仍然可以支持5个合并单元设备。因此在线路保护等间隔内, 100 Mbps网络可以满足通信需求。

假设某智能变电站具有一条母线,母线上具有6条出线,其通信网络结构图及采样值报文接收顺序如图6所示。

图6 网络优先级设置及采样值报文到达母差保护顺序

每条进出线上具有断路器和合并单元,合并单元将采样值数据发送到母差保护,母差保护对同一时刻的各条线路电流进行运算从而判断出故障。假设中心交换机为线速交换机,即其交换总线带宽大于等于所有端口带宽之和。同时假设光纤线路上的延时基本忽略,各端口处理速度相同。由于所有合并单元会在同一时刻向母差保护发送采样值,因此在采样值发送时刻,母差保护端口会形成短时间拥塞。此时,6个合并单元当前的采样值数据将依次排列在母差通信端口,且PRP双网上的顺序相同。

以每个采样值报文长度为159 byte计算,6个采样值报文在100 Mbps的链路上全部接收到的时间为74.53 us。

当采用优先级分组方式发送采样值数据后,母差保护的两个端口排列方式如下图所示。由于PRP协议防止重复报文原理的存在,母差保护将同时分别从两个网络端口收到a1-a3和b1-b3的采样值数据,并抛弃掉之后接收到的低优先级数据。以每个采样值报文长度为159 byte计算,6个采样值报文在100 Mbps的链路上全部接收到的时间为37.27 us,延时特性得到了很大程度的优化。

4 结束语

优先级分组方法通过在基于并行冗余协议的双网通信方式中引入以太网优先级,将设备的数据通过优先级的方式分别分到两个通信网链路中。在经优先级分组后的PRP双网冗余通信链路上,网络延时显著降低,尤其在数据汇聚端口和发生数据拥塞的情况下性能改善明显。同时等效增大了交换机端口缓冲区,进一步降低了丢包率。同时,优先级分组方法完全与以太网协议和PRP协议兼容,对智能变电站通信网络的构建提供了一种参考。

[1] IEC61850-9-1 Communication networks and systems in substations 9-1：Specific communication service mapping-Sampled values over serial unidirectional multi-drop point to point link[S].

[2] IEC61850-9-2 Communication networks and systems in substation 9-2：Specific communication service mapping-Sampled analogue values over LSO 8802-3[S].

[3] 殷志良,刘万顺,杨奇逊,等.基于IEC 61850标准的过程总线通信研究与实现 [J].中国电机工程学报,2008,25 (8)：84-89.

[4] 辛建波,段献忠.基于优先级标签的变电站过程层交换式以太网的信息传输方案 [J].电网技术,2004,28(22)：26-31.

[5] 沈国荣,黄健康.2000年国际大电网会议系列报道——通信技术是变电站自动化的关键 [J].电力系统自动化, 2001,25(5)：1-5.

[6] ALI ITHOMAS M S.Substation communication networks architecture C Power System Technology and IEEE Power India Conference2008.New Delhi,India IEEE 2008 18.

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[10] 莫峻,谭建成.基于并行冗余协议的高可靠性过程总线通信研究 [J].电工技术学报,2012,27(4)：263-268.

[11] International Electrotechnical Commission.IEC62439 SC 65C High availability automation networks[S].Geneva,Switzerland：IEC,2008.

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Research on Optimization Scheme for Data Reception of Busbar Differential Protection in Smart Substations Based on PRP

FENG Yanzhao1,WANG Chen2,GONG Shilin1,ZHANG Zhaoyun2,CHEN Wei2,ZENG Zhen2
(1.YUNNAN Power Grid Corporation,Kunming 650011,China；2.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

A more efficient way is provided for data sharing in smart substations with the development of ethernet technology in communication network,How to optimize the function of other intelligent electronic devices by using the existing network structures is worth studying.Aiming at the existing structure of the process layer redundant communication network in smart substations,this paper proposes an optimization scheme for data reception of busbar differential protection and gives the theoretical analysis.

smart substation；PRP；busbar differential protection；time delay characteristic

TM76

B

1006-7345(2015)01-0018-04

2014-09-10

冯彦钊 (1968),男,工程师,云南电网公司,从事电力系统生产设备投运工作 (e-mail)yxsw＠263.net。

王晨 (1988),男,硕士研究生,华中科技大学,从事智能变电站、微机继电保护与控制研究 (e-mail)328162722＠qq.com。

龚石林 (1979),男,工程师,云南电网公司,从事电力系统生产设备投运工作 (e-mail)8323072＠qq.com。