智能变电站通信

智能变电站通信技术及其他 国电南自电网分公司 数字化变电站事业部 郭 乐 Tel13851619009 F 我的名片 主要内容 IEC 61850与以太网 以太网交换技术 网络方案 其他问题 以太网 以太网（ Ethernet） o 以太网不是一种具体的网络，是一种技术规范 o 由 Xerox公司创建并由 Xerox， Intel和 DEC公司联合开发的局域网规范，后来被 IEEE作为 802.3标准所采纳 o 典型特征：使用 CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测 )技术 o 共享式以太网与交换式以太网 IEC 61850与以太网 o IEC 61850特点：应用与通信相分离 o IEC 61850特定通信服务映射 IEC 61850-8-1：在 8802.3上映射到 MMS IEC 61850-9-1：基于串行单方向多路点对点链接的采样值传输 IEC 61850-9-2：基于 8802.3上的采样值传输 IEC 61850在以太网协议栈映射 电站环境 发电厂 中压 /高压变电站 电磁场 静电释放 高频瞬态电流 高能电涌 接地故障引起地电势升高 天气变化 : 温度和湿度 地震 / 振动 空气污染 : 灰尘 , 金属尘埃 , 凝露 , 太阳幅射 电站环境的 EMI和环境特点 变电站和电站中的 EMI 现象 连续现象 幅射干扰 传导干扰 电源频率，电磁场 缓慢的电压变化 谐波和间谐波 直流电源纹波 电压周期变化 瞬态现象 (高发生率 ) 静电释放 电压突降 雷电冲击 高压开关切换 （操作冲击 ） 无功负载切换 瞬态现象 (低发生率 ) 电源频率变化 电源系统故障 Short Duration Power Freq. Magnetic Fields 变电站和电厂环境中的设备必须能克服连续和瞬态的 EMI现象。 通信标准 IEEE 1613 (2003) “Standard Environmental and Testing Requirements for Communications Networking Devices in Electric Power Substations” 变电站中通信网络设备的标准环境和测试要求 IEC 61850-3 (2002) “Communications networks and systems in substations” 变电站中的通信网络和系统 IEC 61850-3: 抗电磁干扰 T E S T T e s t L e v e l s S e v e r i t y L e v e l s+ / - 6 k V 3+ / - 8 k V 3 I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 3 1 0 V / m 3+ / - 4 k V 2 . 5 k H z x+ / - 4 k V 4+ / - 4 k V 4+ / - 4 k V 4+ / - 4 k V l i n e - t o - e a r t h , + / - 2 k V l i n e - t o - l i n e 4+ / - 2 k V l i n e - t o - e a r t h , + / - 1 k V l i n e - t o - l i n e 3+ / - 4 k V l i n e - t o - e a r t h , + / - 2 k V l i n e - t o - l i n e 410V 310V 310V 310V 3I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 8 4 0 A / m c o n t i n u o u s , 1 0 0 0 A / m f o r 1 s N / A3 0 % f o r 0 . 1 s , 6 0 % f o r 0 . 1 s , 1 0 0 % f o r 0 . 0 5 s N / A3 0 % f o r 1 p e r i o d , 6 0 % f o r 5 0 p e r i o d s N / AI E C 6 1 0 0 0 - 4 - 1 1 1 0 0 % f o r 5 p e r i o d s , 1 0 0 % f o r 5 0 p e r i o d s2N / A2 . 5 k V c o m m o n , 1 k V d i f f e r e n t i a l m o d e 1 M H z 32 . 5 k V c o m m o n , 1 k V d i f f e r e n t i a l m o d e 1 M H z 32 . 5 k V c o m m o n , 1 k V d i f f e r e n t i a l m o d e 1 M H z 33 0 V C o n t i n o u s , 3 0 0 V f o r 1 s 43 0 V C o n t i n o u s , 3 0 0 V f o r 1 s 4I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 1 7 10% 3D e s c r i p t i o nESDE n c l o s u r e C o n t a c tE n c l o s u r e A i rI E C 6 1 0 0 0 - 4 - 5 S u r g eS i g n a l p o r t sD . C . P o w e r p o r t sA . C . P o w e r p o r t sI E C 6 1 0 0 0 - 4 - 6 I n d u c e d ( C o n d u c t e d ) R F IS i g n a l p o r t sD . C P o w e r p o r t sA . C . P o w e r p o r t sE a r t h g r o u n d p o r t s3M a g n e t i c F i e l d E n c l o s u r e p o r t sR i p p l e o n D . C . P o w e r S u p p l y D . C . P o w e r p o r t sD . C . P o w e r p o r t sV o l t a g e D i p s & I n t e r r u p t sD . C . P o w e r p o r t sA . C . P o w e r p o r t sI E C 6 1 0 0 0 - 4 - 2 9A . C . P o w e r p o r t sD . C . P o w e r p o r t sI E C 6 1 0 0 0 - 4 - 1 2 D a m p e d O s c i l l a t o r yS i g n a l p o r t sS i g n a l p o r t sI E C 6 1 0 0 0 - 4 - 1 6 M a i n s F r e q u e n c y V o l t a g eE a r t h g r o u n d p o r t s3B u r s t ( F a s t T r a n s i e n t )I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 4U T I L I T Y I E C 6 1 8 5 0 - 3 ( 6 1 0 0 0 - 6 - 5 ) C o m m u n i c a t i o n s N e t w o r k s a n d S y s t e m s I n S u b s t a t i o n s ( J a n 2 0 0 2 )R a d i a t e d R F I E n c l o s u r e p o r t sS i g n a l p o r t sD . C . P o w e r p o r t sA . C . P o w e r p o r t s I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 2 变电站环境抗电磁干扰的要求 比工业环境抗电磁干扰的水平更高 按照继电保护 IED（智能电子设备）的要求进行测试 IEC 61850-3: 性能 C on t i no us ph e no m e naTra ns i e nt ph e no m e naw i t h hi gh oc c ura nc eTra ns i e nt ph e no m e naw i t h l ow oc c ura nc ePr o te c ti o n a n d te l e p r o te c ti o nO n- l i ne proc e s s i ng a ndr e gu l a t i onM e t e r i ngC om m a nd a nd C on t r ol S h o r t d e l a yS up e r v i s i onT e m p o r a r y l o s s , s e l fr e c o v e r e dM a n- m a c hi ne i nt e r f a c e S t o p a n d r e s e tA l a r mD a t a t r a ns m i s s i on a ndt e l e c om m un i c a t i onN o l o s s , p o s s i b l e b i te r r o r r a t e d e g r a d a t i o nT e m p o r a r y l o s sD a ta a c q u i s i ti o n a n d s to r a g eM e a s ure m e ntO f f - l i ne proc e s s i ng T e m p o r a r y d e g r a d a t i o n T e m p o r a r y l o s s a n d r e s e tP a s s i v e m on i t ori ng T e m p o r a r y d e g r a d a t i o n T e m p o r a r y l o s sS e l f - di a gn os i sI E C 6 1 0 0 0 - 6 - 5 T a b l e 7 - P e r f o r m a n c e C r i t e r i a f o r t h e m o s t r e l e v a n t f u n c t i o n s( i n de s c e nd i ng orde r of c r i t i c a l i t y )T e m p o r a r y d e g r a d a t i o n , s e l f r e c o v e r e dT e m p o r a r y l o s s , s e l f r e c o v e r e dFu nc t i on a l r e qu i r e m e nt s v e r s us e l e c t r om a gn e t i c ph e no m e naFu nc t i on sS h o r t d e l a y , t e m p o r a r y w r o n g i n d i c a t i o nT e m p o r a r y d e g r a d a t i o n* * N o D e l a y s o r D a ta L o s s * *IEC 61850-3 环境指标 四类应用场合 : 1.Class A: 空调环境 (室内 ) 2.Class B: 带加热和冷却的密闭空间 3.Class C: 室内无空调环境 4.Class D: 室外环境 Class C 工作温度范围 : 1.Class C1: -5 to +45 C 2.Class C2: -25 to +55 C 3.Class C3: -40 to +70 C 4.Class Cx: 特殊范围 (取决于制造商 ) 光纤 vs. 铜缆 : EPRI研究 EPRI 对 UCA(用户通讯结构 )采用的铜缆的研究(1997) 变电站中常见的 EMI现象产生的瞬态过程对屏蔽和非屏蔽五类线的影响 结果表明，出现很大的数据帧丢包率 : 32% 1kV 66% 2kV 75% -2kV 结论 在不允许发生通信故障的实时控制应用中需要采用光纤 主要内容 IEC 61850与以太网 以太网交换技术 网络方案 其他问题 IEC 61850交换机的网络管理功能 o 重要 优先级和 VLAN(802.1p/Q) GMRP (Generic Multicast Registration Protocol)组播自动配置 o 不重要 IGMP (Internet Group Messaging Protocol) Snooping 链接聚合 (IEEE 802.3ad) 三层交换 o 可选 网 络状态显示 , 统计 , 故障分析功能 (SNMP) Rapid Spanning Tree (IEEE 802.1w) 用于容错环网结构 IEEE 802.1p 优先级 Class of Service (CoS) Quality of Service（ Qos） 高优先级数据优先通过 多个出口数据队列，较高优先级的数据可以先被发送 对实时数据（如声音 /GOOSE），减少抖动和网络延迟 与 802.1Q VLAN共享标签字节 1 2 2 2 1 2 2 1 1 组播处理 重要性 :过程层通信 (GOOSE和采样值 )均依赖组播！ 装置组播过滤方案 o 普通交换机把组播向所有端口转发（当广播处理） o 以太网卡硬件依靠 Hash算法进行过滤 o 很可能误收！（ 8-1附录 B、 9-2附录 C） 用 VLAN来划分组播 o 手工划分广播域（繁琐且不便管理） 自动组播管理协议 o IGMP只适用于 IP组播，对 GOOSE、 SMV不适用 o GMRP二层组播管理协议，唯一可用！ VLAN (802.1Q) Virtual LAN: 一个独立的以太网，它与其它网络共用相同的硬件 每个 VLAN作为一个独立的广播域 逻辑分割而非物理分割 划分原则：基于端口、 MAC地址、 IP地址 装置和交换机都需要配置 IEEE 802.1Q 标准定义了 tagged帧格式 VLAN示意图 21 GMRP GARP Multicast Registration Protocol GARP的一个具体应用 报文格式为 802格式 两个组播地址： GMRP用地址、用户用地址 二层组播协议 22 要接收某个组数据的设备需发送Declaration 组播数据发送者、转发者需 Register 转发者重新组织发送 Declaration 长时间无 Declaration时会终止组播的发送 组播运作步骤 23 组播数据流 24 共享网络可以直接监视数据帧 交换网络无法直接监视数据，必须开启。 可以分别监视输入、输出 PORT MIRRORING 25 PORT MIRRORING 26 端口速率限制是后备保护 可以限制所有、广播、组播 使用时需要计算、估算数据流，避免干扰正常通信 PORT RATE LIMITATION 主要内容 IEC 61850与以太网 以太网交换技术 网络方案 其他问题 IEC 61850组网原则 IEC 61850: 要使用者根据可行性、可靠性和重要性等因素综合分析！ 站控间隔层网络 o 功能和综自站相同 o 多套用成熟方案（国外单环网，国内单 /双星） 过程层网络 o 目前尚无定论 o 组网 vs 点对点 o 采样值、 GOOSE、采样同步、 MMS，谁和谁合？ o 是否采取双网？ 环网和星型网对比 交换机环网 : 利用 RSTP协议，交换机之间通过带内管理报文获得网络拓扑信息，决定冗余链路在何处解环。 环型网络（国外应用较多） o 具有一定的冗余特性（对随机性的数据流效果较好） o 有因为交换机软件 bug导致网络风暴的风险 IED IED IED IED 需要采用 RSTP 实现备用连接 IED冗余接线增强网络弹性 环网和星型网对比（续） 星型网络（国内应用较多） o 简单、经济、可靠，无冗余链路不会造成广播风暴 o 和变电站的主接线及数据流天然一致 o 冗余需采用双套网络设备，且需设备支持 IED IED IED IED 多级星型网 通信带宽 16个间隔，极限情况为 30M 站控层 GOOSE和 MMS共网 2009年，点对点方案 GOOSE网络 单网双网之争 o 装置单网： 单网单源 网络随设备双重化 简单清晰，双重化系统间无公共耦合 o 装置双网： 双网单源 利用网络实现双重化：实现特殊应用需求 多一倍网络投资，实际增加了故障点 GOOSE网络 秒脉冲（ PPS）采样同步网 o 必须在过程层构建独立的采样同步网，增加了设备投资。同时增加了故障发生点，降低了系统的整体可靠性指标； o 不同厂家的合并单元对秒脉冲的处理机制不同会产生误差； o 该同步机制只能做到相对时间同步，不能做到绝对时间的对时，因此合并单元的数据不能被某些需要绝对时间标签的装置使用，比如 PMU。 采样同步网 IEEE 1588 精密对时协议 o 硬件对时精度在 ns级别，满足计量需要； o 与数据网络合一，减少了故障点，增加了系统的 可靠性 o 支持绝对时间； o 与 GPS信号的配合关系； o 保护、测控装置不需要采用硬件 1588对时，光纤纵差保护除外。 采样同步网 过程层合网的可能性 采样值、 GOOSE、采样同步三网合一将大大提高系统可靠性。 IEC 60044-8/FT3实际上是采样值和采样同步合网 GOOSE和采样值合网 o 带宽上具有可行性 (稳定流量和突发性流量配合 ) o 降低了成本 o 9-2可采用 48点 /周波供保护测控， 9-1用 200点 /周波点对点供计量 o 9-2、 48点 /周波， 16回达到 80Mbit/s 以太网时钟 同步与采样网合一 o IEEE 1588v2，硬件参与， ns级对时，满足计量要求 o 提高了采样数据的可靠性 数字化 /智能变 电站网络结构 I 变电站层设备间隔层设备间隔 1间隔层设备间隔 2间隔层设备间隔 N.互感器间隔 1.开关间隔 1互感器间隔 2开关间隔 2互感器间隔 N开关间隔 N100 M 交换以太网100 M 交换以太网100 M 交换以太网母差等跨间隔的间隔层设备100 M 交换以太网100 M / 10 M 交换以太网变电站层设备间隔层设备过程层设备站控间隔层网络过程层网络蓝色线 ： 双绞线以太网黑色线 ： 光纤以太网各种连线颜色示例 ：绿色线 ： 光纤 （ FT 3 协议 ）数字化 /智能 变电站网络结构 II 数字化 /智能 变电站过程层网络 III 数字化变电站过程层网络 计量数据 带宽 保护数据 带宽 GOOSE 带宽 保护装置 带宽 MU 带宽 线路间隔 15M 12M 2.4 14.4M 21M 主变大间隔 15M 18M 6M 24M 21M 母线保护 （ 12个单元） 82M 30M 112M 过程层通信带宽 o 采用 GMRP技术； o 保护数据为 80点、计量数据 200点； o GOOSE考虑极端情况 主要内容 IEC 61850与以太网 以太网交换技术 网络方案 其他问题 非常规 CT对保护装置的影响 o 互感器特性对保护的影响； o 由于各通信环节的可靠性问题带来的保护影响； o 不同保护对采样同步的依赖性区别； o IEC 61850检修状态的影响 o 保护试验的方案 技术层次的影响 互感器特性对保护的影响 o 电子式互感器暂态电流型式试验情况； o 互感器对一次电流的还原程度； * 硬件积分：固有角差、离散度 * 软件积分：收敛性、去直流特性 o 采样点数 +截至频率：抗混叠的问题； 技术层次的影响 C-0.12s-O-0.45s-C-0.