数字化变电站相关技术介绍

数字化变电站相关技术介绍第一页，共七十六页，2022年，8月28日

主要内容 背景介绍1 电子式互感器/合并单元2 智能单元3 IEC61850标准4 工业以太网5 数字化变电站的应用展望6第二页，共七十六页，2022年，8月28日

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背景介绍数字化变电站是智能电网的重要内容智能(数字化)变电站是智能电网的重要基础和节点支撑智能电网输电发电变电配电调度用电变电领域发展重点是智能(数字化)变电站第三页，共七十六页，2022年，8月28日

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背景介绍工业自动化系统的发展历程和趋势监控管理层现场控制层过程接口层监控管理层现场控制层过程接口层模拟设备/电缆连接监控层网络化过程层网络化电缆网络监控管理层现场控制层过程接口层数字设备来取代模拟设备，通信网络取代电缆网络电缆第四页，共七十六页，2022年，8月28日

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背景介绍变电站自动化系统的发展历程和趋势变电站层间隔层过程层模拟屏/各种仪表模拟式保护电磁式互感器计算机监控系统微机保护/微机测控电磁式互感器微机保护/微机测控计算机监控系统新型电子式互感器变电站综合自动化数字化变电站一次设备的数字化接口第五页，共七十六页，2022年，8月28日

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背景介绍数字化变电站的本质特征现场设备的数字化信息传输的数字化电子式互感器/合并单元智能单元IEC61850标准工业以太网问题：哪些信息需要传输，如何传输问题：新型数字化设备或接口设备第六页，共七十六页，2022年，8月28日

主要内容 背景介绍1

电子式互感器/合并单元2 智能单元3 IEC61850标准4 工业以太网5 数字化变电站的应用展望6第七页，共七十六页，2022年，8月28日2

电子式互感器/合并单元绝缘问题：绝缘困难，含油有爆炸危险，造价高（500kV/单相/电流：30万）测量准确问题：含铁芯，具有非线性特性，存在饱和问题，不能反映系统故障时非周期性分量；频带响应特性较差，频带窄信号输出问题：模拟电信号（1A/5A，100V/57.7V）运行安全问题：电压互感器不能短路，电流互感器不能开路，电压互感器存在铁磁谐振问题传统电磁式互感器的缺点第八页，共七十六页，2022年，8月28日2.1电子式电流互感器 铁心线圈低功率电流互感器（有源） 罗可夫斯基空心线圈电流互感器（有源） 光学电流互感器（无源）名称铁心线圈低功率电流互感器罗可夫斯基空心线圈电流互感器光学电流互感器传感原理电磁感应原理（互感）电磁感应原理（自感）磁旋光效应原理传感材料与传感结构铁磁材料的线圈结构非铁磁材料的空心线圈结构玻璃材料的块状结构光纤材料的线圈结构2

电子式互感器/合并单元第九页，共七十六页，2022年，8月28日B铁芯线圈电流IRRb电流-电压转换器高阻VS铁心线圈低功率电流互感器VS与被测电流I成正比2

电子式互感器/合并单元第十页，共七十六页，2022年，8月28日2

电子式互感器/合并单元传统电磁式电流互感器I/I变换具备低功率输入接口的设备铁心线圈低功率电流互感器I/V变换对电磁式电流互感器的改进第十一页，共七十六页，2022年，8月28日罗可夫斯基空心线圈电流互感器2

电子式互感器/合并单元空心线圈的感应电压与被测电流的导数成正比（Rogowski，1912年）被测电流线圈感应电压B空心线圈电流I第十二页，共七十六页，2022年，8月28日普通光起偏器偏振光磁光材料磁场B检偏器Faraday旋光角2

电子式互感器/合并单元光学电流互感器法拉第磁旋光效应（1846年）入射光出射光电流旋转角与电流I成正比关系第十三页，共七十六页，2022年，8月28日II磁光玻璃光纤高压侧光纤高压侧空心线圈（或铁心线圈）低压侧低压侧低电压信号需要就地数字化有源型电流互感器无源型电流互感器A/D、积分器等需要供电！2电子式互感器/合并单元第十四页，共七十六页，2022年，8月28日2

电子式互感器/合并单元有源电子式互感器的供电方式功电方式供电原理主要缺点CT供电利用特殊CT从母线上感应电压，经整流、滤波、稳压后供电散热（大电流）死区（小电流）电容分压供电利用电容分压，经整流、滤波、稳压后供电电气隔离激光供电低压侧通过光纤传输光能，由光电池将光能专为电能（最大功率1W）能量有限/成本/寿命组合供电CT供能（或电容分压供电）+激光供电供能系统复杂切换问题第十五页，共七十六页，2022年，8月28日2

电子式互感器/合并单元光学电流互感器存在的问题该比例系数（维尔德常数）是温度和光源工作波长的函数温度对精度的影响LED发光二极管老化信号处理技术（自适应补偿）保证驱动电流恒定对策：光源工作波长是温度和驱动电流的函数第十六页，共七十六页，2022年，8月28日2

电子式互感器/合并单元主要类别铁心线圈低功率电流互感器罗可夫斯基线圈电流互感器光学电流互感器波长影响无无较大温度干扰无无较大测量频带存在测量频带问题没有磁路饱和铁心线圈导致磁路饱和没有没有是否有源是是否电子式电流互感器的比较第十七页，共七十六页，2022年，8月28日2

电子式互感器/合并单元分压型电压互感器（有源）2.2电子式电压互感器

阻容分压电容分压电阻分压R1R2Usr与常规电容式电压互感器原理相同，输出电压不超过±5V第十八页，共七十六页，2022年，8月28日光学电压互感器（无源） 线偏振光通过有电场作用的Pockels晶体时，折射成两束线偏振光，两者的光强度之比与被测电压有关2

电子式互感器/合并单元Pockels效应（1893年）第十九页，共七十六页，2022年，8月28日2.3合并单元2

电子式互感器/合并单元合并单元MUECTEVT其他MUIa，Ib，Ic（保护）Ia，Ib，Ic（测量）IoUa，Ub，Uc，Uo母线电压多路电流电压信号的采集与处理主要功能：信号同步报文处理和发送IEC60044-8IEC61850-9-2保护测控计量录波第二十页，共七十六页，2022年，8月28日合并单元与二次设备的接口规范2

电子式互感器/合并单元60044-861850-9-2采用FT3格式点对点传输，速率有限（2.5Mbps），采样率最高只能达到5k，不能满足计量、谐波检测和行波测距的要求传输延时固定，可用插值再采样实现同步，不依赖外部时钟无标准支持采用以太网传输（点对点或网络），通信速率高（100M/1000Mbps）传输延迟不固定，依赖外部时钟标准长期支持第二十一页，共七十六页，2022年，8月28日2

电子式互感器/合并单元传统电流互感器二次线圈母线保护1母线保护2线路保护1计量录波合并单元与二次设备的接口（点对点模式）线路保护2断路器保护测量PMUMU1母线1线路1断路器1录波1备用备用PMU测量MU2母线2线路2断路器2录波2备用备用计量备用第二十二页，共七十六页，2022年，8月28日2

电子式互感器/合并单元线圈、A/D和采集模块的双重化配置保护线圈1，2计量线圈光纤至合并单元1光纤至合并单元2双重化双A/D系统第二十三页，共七十六页，2022年，8月28日2

电子式互感器/合并单元电子式电流互感器结构1第二十四页，共七十六页，2022年，8月28日2

电子式互感器/合并单元电子式电流互感器结构2第二十五页，共七十六页，2022年，8月28日

主要内容 背景介绍1 电子式互感器/合并单元2

智能单元3 IEC61850标准4 工业以太网5 数字化变电站的应用展望6第二十六页，共七十六页，2022年，8月28日3智能单元智能单元的主要功能智能单元GOOSEA网GOOSEB网GOOSE点对点硬接点2）上传开关刀闸位置信号一次设备的数字接口：1）接收保护动作信息/分合闸信号/控制信号合并各种对一次设备的操作命令第二十七页，共七十六页，2022年，8月28日3智能单元智能控制功能系统故障时快速开断，其它情况低速开断，提高寿命选相分闸：各相在各自的电流过零点依次分闸，提高开断能力集成检同期和自动重合闸功能（试探—自适应）智能单元应具备的附加功能状态监视与状态检修跳闸回路的完好性，弹簧储能，气体压力，线圈监视等状态评估/故障预报/检修计划第二十八页，共七十六页，2022年，8月28日

主要内容 背景介绍1 电子式互感器/合并单元2 智能单元3

IEC61850标准4 工业以太网5 数字化变电站的应用展望6第二十九页，共七十六页，2022年，8月28日IEC（国际电工委员会）第57技术委员会制定的世界上第一个基于通用网络平台的变电站自动化系统通信标准目的：互操作性主要内容信息模型：哪些信息需要传输信息服务模型：信息如何传输2004年正式出版（第二版，2010年），国内等同引用为国家标准4IEC61850标准第三十页，共七十六页，2022年，8月28日4IEC61850标准IEC61850标准的内容框架建模方法7-4逻辑节点物理设备逻辑设备数据对象数据属性7-15信息模型信息服务模型公共数据类7-3模板7-2面向变电站层的通信面向过程层的通信89-1/9-2设备与系统的描述模型与服务的测试610MMS报文SV报文GOOSE报文8第三十一页，共七十六页，2022年，8月28日4IEC61850标准IEC61850模型与103模型103模型：点表形式，按照索引号进行访问IEC61850模型：面向对象的分层模型，按照分层对象名称进行访问模型是对现实事物一种抽象表达，体现共性，屏蔽个性建立统一模型的意义：对事物进行统一表达，便于交流列表表示圆上每一个点的坐标给出圆心坐标和半径，方程表示O(x1,y1)R第三十二页，共七十六页，2022年，8月28日4IEC61850标准103模型表达线路保护装置的距离保护I段动作功能类型信息序号信息元素集信息体时标信息体标识符公共地址传送原因可变结构限定词类型标识数据单元类型<29>:传送带标志的状态变位<1>:自发（突发）<178>:线路保护<78>:距离保护I段出口256个语义<79>:距离保护II段出口<80>:距离保护III段出口线性模型第三十三页，共七十六页，2022年，8月28日4IEC61850标准物理设备PHD逻辑设备LDPDIS1Op“PHD/LD/PDIS1$

Op$general”=1数据属性DAgeneral逻辑节点LN数据对象DOIEC61850模型表达线路保护装置的距离保护I段动作物理设备名逻辑设备名逻辑节点名数据属性名数据对象名第三十四页，共七十六页，2022年，8月28日4IEC61850标准举例说明含三段式距离保护和两段零序过流保护的继电保护装置物理设备1#LinePro逻辑设备1逻辑设备2PDIS1PDIS2PDIS3PTOC1PTOC2LinAng状态信息StrOp定值信息线路阻抗角K0FactK0FactAng零序补偿系数零序补偿系数角度PoRch欧姆图直径……generalphsAphsBphsC是否动作（总）A相是否动作B相是否动作C相是否动作动作特性PctOfs偏移百分比第三十五页，共七十六页，2022年，8月28日模型仓库逻辑节点数据对象数据属性模板“拷贝”实例设备1设备n搭建装置的信息模型4IEC61850标准第三十六页，共七十六页，2022年，8月28日4IEC61850标准IEC61850标准的内容框架建模方法7-4逻辑节点物理设备逻辑设备数据对象数据属性7-15信息模型信息服务模型公共数据类7-3模板7-2面向变电站层的通信面向过程层的通信89-1/9-2设备与系统的描述模型与服务的测试610MMS报文SV报文GOOSE报文8第三十七页，共七十六页，2022年，8月28日4IEC61850标准IEC61850信息服务模型定值组控制块模型报告控制块日志控制块模型控制模型文件传输模型1）保护设备与监控主机的通信（MMS报文）录波数据文件的传输分合闸控制，变压器抽头控制事件顺序记录的检索保护动作信号上传当地监控定值的读/写/切换第三十八页，共七十六页，2022年，8月28日通用变电站事件模型（GOOSE）采样值传输模型（SV）4IEC61850标准IEC61850信息服务模型2）保护控制设备与合并单元、智能单元的通信开关量模拟量合并单元智能单元SVGOOSE第三十九页，共七十六页，2022年，8月28日4IEC61850标准GOOSE传输机制：变时间间隔重复传输事件结束后以较长的间隔连续传输（1s），以保持通信线路的畅通事件发生时以较短的间隔连续传输（1ms，2ms，4ms），避免数据报文的丢失事件计数器C1报文计数器C2C1=10C2=10C1=11C2=11C1=11C2=15保护动作第四十页，共七十六页，2022年，8月28日4IEC61850标准GOOSE传输机制特点：1）事件产生是快速重复传输2）无应答跳闸1对策：1）连续接到两个跳闸GOOSE再动作2）接受到跳闸信号后，发报文确认跳闸2确认第四十一页，共七十六页，2022年，8月28日数字化变电站系统与设备的描述4IEC61850标准SSD：系统定义文件（描述一次系统接线图）SCD：变电站配置描述文件（一次系统、二次设备及其 与一次设备的关联、通信系统）是最完整的描述ICD：IED设备能力描述（功能，信息模型和服务模型）CID：已配置的IED描述文件（二次设备模型、与一次系 统的关联、通信参数）四个重要的描述文件第四十二页，共七十六页，2022年，8月28日各种描述文件的作用和流转过程4IEC61850标准.ssd文件(1个，设计院提供).icd文件(多个，由制造商提供)描述一次接线图描述二次设备的信息和服务模型通信系统设计.scd文件描述一次接线、二次设备和通信系统（最完整）实例化，确定二次设备与一次系统的对应关系…….cid文件.cid文件描述二次设备模型、通信参数及与一次系统的对应关系第四十三页，共七十六页，2022年，8月28日4IEC61850标准PhtoPh_PDIS_1PhtoPh_PDIS_2PhtoPh_PDIS_3ECT1QF1QF2ECT2.ssd文件LD_1LinePro_1PhtoPh_PDIS_1PhtoPh_PDIS_2PhtoPh_PDIS_3LD_1LinePro_2PDIS_1PDIS_2PDIS_3LD_1DisRelay.icd文件.cid文件.cid文件.scd文件通信系统SAGOOSE第四十四页，共七十六页，2022年，8月28日实际工程中配置文件的流转4IEC61850标准设计院不提供任何描述文件各种文件由系统总承包商提供.icd文件(多个，由制造商提供)设计院提供的设计图纸通信系统设计.scd文件实例化，确定二次设备与一次系统的对应关系…….cid文件.cid文件第四十五页，共七十六页，2022年，8月28日4IEC61850标准延续以往的端子排设计与校核清晰明确的电缆连接变成看不见摸不着的通信网络引入“虚端子”概念设计院方面制造商方面交换描述文件.scd和.cid配置输入输出并校核用户方面缺乏有效的运行管理工具网络记录仪仅用于事故后分析如何保证连接？第四十六页，共七十六页，2022年，8月28日

主要内容 背景介绍1 电子式互感器/合并单元2 智能单元3 IEC61850标准4

工业以太网5 数字化变电站的应用展望6第四十七页，共七十六页，2022年，8月28日在发送端和接收端简化对通信报文的处理5.1SV和GOOSE报文的实时传输5工业以太网技术SV和GOOSE报文发送MMS报文接收应用层表示层数据链路层会话层传输层网络层物理层应用层表示层数据链路层会话层传输层网络层物理层发送应用层数据链路层物理层应用层数据链路层物理层接收第四十八页，共七十六页，2022年，8月28日5.1SV和GOOSE报文的实时传输5工业以太网技术提供优先级服务正常报文GOOSE正常报文缓存区IECGOOSE快速通道以太网交换机SV和GOOSE报文的传输时间：4ms第四十九页，共七十六页，2022年，8月28日5

工业以太网技术5.2网络的可靠性（冗余）单环网双环网双星型网第五十页，共七十六页，2022年，8月28日5

工业以太网技术环网/双环网的运行机制（1）正常时，停用一个链路，开环运行（2）故障发生时，启用备用链路，保证相互的连通停用启用冷备用，故障恢复需要一定时间故障第五十一页，共七十六页，2022年，8月28日5

工业以太网技术双星型网的运行机制正常时从双网上获取数据，一主一备（热备用）故障时，快速切换到备用网络上，继续工作热备用，故障恢复时间可以为零数字化变电站中推荐采用该网络冗余方法第五十二页，共七十六页，2022年，8月28日5

工业以太网技术守时：独立的时钟保持时间精确的能力时钟同步：多个时钟之间保持一致的能力数据同步：采样数据是在同一个时间点上采得的电力系统的绝大多数参数都是时间的函数5.3时钟同步同步等级精度目的T1±1ms事件时标T2±0.1ms分布同期和数据时标T3±25us-T4±4us-T5±1us线路行波测距、同步相量第五十三页，共七十六页，2022年，8月28日5

工业以太网技术需要时钟同步的设备对策：a）保护装置插值同步（各间隔合并单元可以不同步）b）保证各间隔合并单元严格同步1）各相电流、电压的同步2）各间隔电流/电压的同步跨间隔保护（母线差动和变压器差动）对策：合并单元内同步IRIG-BIEEE1588第五十四页，共七十六页，2022年，8月28日5

工业以太网技术插值同步方法X1X2计算公式第五十五页，共七十六页，2022年，8月28日5

工业以太网技术插值同步法的缺点要求采样值等间隔传输，否则插值算法会导致信号畸变 IEC60044-8（抖动值≤10us） IEC61850-9-2（抖动值≤50us）为保证采样值等间隔传输，目前只能采用点对点传输（网络会产生不确定延迟）保护核心算法所依据的不是原始数据，给整个继电保护算法增加了新的环节仅仅满足了保护所需的数据同步要求，对时问题没有解决第五十六页，共七十六页，2022年，8月28日5

工业以太网技术SNTP/NTP时钟同步原理t：时钟偏差d1，d2：传输时间(T2－t)－

T1=d1T4－(T3－t)=d2其中最关键的假设：往返的传输时间相等主时钟从时钟T1T1+td1d2T2T2-tT3T3-tT4得知T2，T3第五十七页，共七十六页，2022年，8月28日5

工业以太网技术SNTP/NTP时钟同步精度不高的原因（1ms）网络路径时间应用层表示层数据链路层会话层传输层网络层物理层应用层表示层数据链路层会话层传输层网络层物理层主时钟从时钟写入/读取时标报文编码报文解码不确定不确定不确定三个环节都具有不确定性，d1与d2的偏差较大在高层（应用层）打时标，传输时间包含三个环节第五十八页，共七十六页，2022年，8月28日5

工业以太网技术举例说明网络路径时间应用层表示层数据链路层会话层传输层网络层物理层应用层表示层数据链路层会话层传输层网络层物理层主时钟从时钟345214d1=8d2=11第五十九页，共七十六页，2022年，8月28日5

工业以太网技术IEEE1588时钟同步原理（1）在底层（物理层）打时标，避免了报文处理时间的不确定性主时钟从时钟T1d1T2得知T1T3跟随报文含T1时刻得知T4d2T4物理层物理层T1T2T4T3时标获取的位置答复报文含T4时刻T0主时钟从时钟第六十页，共七十六页，2022年，8月28日主时钟从时钟交换机5

工业以太网技术IEEE1588时钟同步原理（2）交换机可记录“同步报文”在交换机内的驻留时间（t3-t2）T2－T1=d1+t直接测量d1第六十一页，共七十六页，2022年，8月28日5

工业以太网技术主时钟从时钟交换机IEEE1588时钟同步原理（3）交换机可以和主时钟发送报文计算主时钟到交换机的传输延迟以此类推，可以精确计算每一段传输路径的延时第六十二页，共七十六页，2022年，8月28日5

工业以太网技术IEEE1588时钟同步精度与可靠性典型同步精度：100ns在物理层打时标，需要专用的硬件，价格昂贵最佳主时钟选择机制：自动选择第二主时钟（容错性强）评价时钟同步精度高，可利用已有的通信网络具有高可靠性，减少对GPS的依赖IEEEPSRCH7工作组，正制定1588在电力系统中应用的标准（2010年），是今后的发展趋势第六十三页，共七十六页，2022年，8月28日

主要内容 背景介绍1 电子式互感器/合并单元2 智能单元3 IEC61850标准4 工业以太网5

数字化变电站的应用展望6第六十四页，共七十六页，2022年，8月28日6

数字化变电站的应用展望在系统设计方面：避免了复杂的端子接线图设计，通信网络设计成为设计的一部分内容引入“虚端子”概念，延续现有的二次系统设计规范在二次设备制造方面：新增设备：电子式互感器、合并单元和智能单元继电保护装置接口简化，提高可靠性，抗干扰性强利用IEC61850模型进行通信，加强通信处理能力提供设备的描述文件第六十五页，共七十六页，2022年，8月28日6

数字化变电站的应用展望数字化变电站继电保护设备的主要接口继电保护装置SV(点对点)MMSA网（星型）MMSB网（星型）时钟同步，1微秒（IRIG-B或IEEE1588）1～mGOOSE(点对点)GOOSEA网（星型）GOOSEB网（星型）1～n采样值重要开关量次重要开关量MMS报文第六十六页，共七十六页，2022年，8月28日6

数字化变电站的应用展望应用新型电子式互感器/合并单元/智能单元，节约电缆采用统一信息模型通信，避免了劳民伤财的规约转换（取消了故障信息子站的设置）网络不可靠，增设网络记录仪装置在用户方面：第六十七页，共七十六页，2022年，8月28日6

数字化变电站的应用展望SA/GOOSE/时钟同步三网合一IEC61850-90-4：以太网网络交换工程导则将各种专用点对点网络合并进一步简化二次设备的接口，进一步实现信息共享SA：IEC61850-9-2（统一采样率4k和12.8k）时钟同步：IEEE1588通信网络系统的重要性日益突出可借鉴工业自动化领域较为成熟的解决方案第六十八页，共七十六页，2022年，8月28日6

数字化变电站的应用展望数字化变电站交换机通用技术条件交换机是数字化变电站的关键设备国内目前起草了一个《电力专用工业以太网交换机技术规范》（2008年3月，征求意见稿）第六十九页，共七十六页，2022年，8月28日6

数字化变电站的应用展望数字化变电站二次系统的智能监视、告警和控制运行人员缺乏有效的工具来知晓二次系统状态（可视化：交换机/二次回路/网络流