特高压换流站二次系统网络方案研究

2024-01-11项茂阳郑艳彬

机电信息 2024年1期

郝克项茂阳郑艳彬

（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东济南 250000；2.山东送变电工程有限公司，山东济南 250000）

0 引言

国内换流站建设已具备较高智能化水平，体现了设备智能化、连接网络化、信息共享化等特征。换流站对通信网络的性能要求主要体现在实时性、可靠性、冗余性。本文结合国内已投产换流站的组网方式、国内主要控制保护系统厂家的产品方案，对某工程的网络分层及方案进行了详细研究和论证。

1 换流站全站二次系统网络

1.1 二次系统网络结构

换流站控制系统为模块化、分层分布式网络结构，整个系统根据设备功能及控制位置可分为站控层、控制层和就地层三个层次，三个层次互相通过标准接口和网络总线互通互联[1]。

站控层也称运行人员控制层，其设备主要由系统服务器、各类工作站、远动通信设备、远程诊断系统及网络打印机等组成。站控层设备之间通过站级网络进行通信，站控层设备与控制层设备可通过网络通信，也可通过SCADA服务器实现指令传输。站控层设备是换流站运行人员的人机界面，实现全站所有系统和设备的数据采集和处理、监视和控制、记录和存储等功能。

控制层设备能够实现直流输电系统的功率/电流稳定控制[2]。目前国内常用的控制层设备主要包括换流器控制、极控、交流站控、直流站控等，控制层设备之间以及控制层设备与就地层设备通过控制层网络或总线进行通信。

1.2 运行人员控制层网络

根据数字换流站的相关要求，交直流系统在换流站内必须实现相互统一，运行人员控制系统为运行人员提供控制操作界面，其应满足直流输电系统对大容量过程数据的管理、存储和高速处理要求，以便针对直流输电工程的需要实现各种复杂的操作控制和运行监视功能。

站控层设备间通过网络连接，站控层设备与控制层设备可通过网络通信，也可通过SCADA服务器实现通信，系统服务器通过控制层网络接收相关数据信息和事件/报警预告，同时将信息上送给站控层，各类工作站通过网络或服务器下发控制指令到相应的控制保护主机[2]。

站控层网络是基于通用以太网技术的局域网，其拓扑结构以星型结构为主，网络传输速率大于等于100 Mb/s。为了提高关键电路的可靠性，站控层网络目前双重甚至三重化冗余设计，以便满足网络的稳定性和可扩展性要求，单网线或单硬件故障都不应导致系统故障。站控层设备如交换机等可单独组屏，也可与其他公用设备共同组屏。

站控层网络根据电力监控系统安全防护相关规定分为生产控制和管理信息两个分区，前者又根据系统要求分为控制区（安全Ⅰ区）和非控制区（安全Ⅱ区）。

特高压换流站各区主要设备配置如下：

（1）控制区（安全Ⅰ区）设备主要包括系统监控主机、数据通信网关机、数据服务器、操作员工作站、工程师工作站、控保设备、一体化电源系统、远程诊断工作站等。

（2）非控制区（安全Ⅱ区）设备主要包括电能量采集终端、保护及故障录波管理子站、一次设备在线监测、消防系统、Ⅱ区综合应用服务器等。

（3）管理信息大区（安全Ⅳ区）设备主要包括智能巡视系统、安全防卫系统、动环监控系统、阀厅空调系统、电子防范系统、Ⅳ区综合应用服务器等。

1.3 控制层网络

1.3.1 控制层网络结构

在控制层网络结构方面，直流控制系统从高到低可划分为四个主要层次，分别为系统控制层、双极控制层、极控制层和换流器控制层[3]。

系统控制层作为直流控制系统中最高级别的控制层，相当于整个网络信息的运行大脑，其主要功能是能与调度中心通信，接收其控制指令，同时可以将系统运行的有关状态信息和监测情况进行有效传输。根据总控中心发出的输电功率参数，科学分配各个直流回路中的输电功率，一旦发生系统故障，能够快速将故障功率转移到正常线路中，尽可能实现输电有效功率不变。

换流器控制作为一个直流输电换流单元的控制层次，其主要功能是实施换流器触发控制操作、换流变压器分接开关控制、换流器解锁/闭锁顺序控制等。

控制层网络采用双重化设计，星型拓扑结构。控制层网络包括两部分：控制层冗余控制系统主机之间的接口和通信网络，控制层控制保护设备之间的接口和通信网络。

1.3.2 控制层各层设备之间的接口

接口是在不同设备之间实现信息和数据传输、指令交换的重要单元，根据实时性传输要求，目前在不同控制主机之间、控制主机与保护设备之间的接口必须同时配置快速和慢速两种通信方式[4]。

（1）快速通信：关联紧密的双极层、极层和换流器层控制保护主机之间可采用实时网络通信（如南瑞继保方案）（图1）或高速控制总线（如许继方案）（图2），以满足控制保护的实时性要求。

图1 控制保护主机实时网络通信示意图（南瑞继保方案）

图2 控制保护主机总线通信示意图（许继方案）

（2）慢速通信：换流站内除实时性要求较高的信息以外，通常采用站层控制LAN方式进行通信，站层控制LAN网用于主控单元之间以及主控单元与保护单元之间的通信，独立于各主控单元/保护单元与各自I/O之间。

双重化的光纤LAN网络连接所有的保护控制设备，这个网络主要用于无功控制、主机间的辅助监视和慢速的状态信息交换，比如交流线路断路器的状态等。

1.4 就地层网络

就地层网络采用双重化设计，星型拓扑结构。就地层网络主要指控制层设备与就地层设备互相通信，在逻辑单元中包括控制层设备与测量接口设备之间的通信、控制层设备与开关接口设备之间的通信两部分。

1.4.1 控制层设备与测量接口设备之间的通信

目前国内常见的控制层设备与测量设备互相通信大多以标准的现场总线通信方式为主。受直流控制保护系统技术路线的差异等要素影响，目前常用的主要有IEC 60044-8总线（如南瑞继保方案）（图3）和时分多路TDM总线（如许继方案）（图4）[5]。

图3 IEC 60044-8总线通信示意图（南瑞继保方案）

图4 TDM总线通信示意图（许继方案）

1.4.2 控制层设备与开关接口设备之间的通信

控制层设备与开关接口设备之间通常采用标准现场总线和网络通信，目前常用的有现场LAN方式（如南瑞继保方案）（图5）、Profibus总线（如许继方案）（图6）、CAN总线方式（柜内层间通信）。

图5 现场控制LAN通信示意图（南瑞继保方案）

图6 Profibus总线通信示意图（许继方案）

Profibus总线是欧洲规范EN 50170要求的标准总线，采用主从方式，通信速率可达12 Mb/s，接口采用双绞线或光纤的型式。

许继的HCM3000系统直流控制保护系统与现场开关设备的传输网络通常采用的是Profibus总线方式[5]。

2 直流控制保护系统网络配置方案

目前主流控制保护系统采用IEC 61850规约与SCADA系统、远动系统、就地控制系统通信。整个换流站的控制保护系统、工程师实验站、网络服务器、远动工作站等都应用冗余网口连接到SCADA LAN，再通过服务器与站LAN通信。SCADA LAN与站LAN采用星型结构连接，采用完全冗余的A、B双重化系统进行信息交互，LAN网络与交换机均为冗余配置。

SCADA服务器通过站LAN网接收控制保护装置发送的换流站监视数据及事件/报警信息，同时接收SCADA LAN网运行人员工作站发出的控制指令到相应的控制保护主机。SCADA功能模块将对接收到的数据进行处理并同步到SCADA服务器和各OWS上的实时数据库。各区域网络设备配置如表1～5所示。