智能变电站基础知识（教学课件）

1、智能变电站基础知识,智能变电站概述,智能电网的特征,智能电网的内涵,智能变电站概述,智能变电站概述,通信规约统一,高级应用,智能一次设备,数字化和网络化,智能电网,智能变电站的演变和组成,采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。,电子式互感器应用,IEC61850标准的颁布和实施,高速工业通信网络技术发展,断路器智能接口技术应用,一次设备智能化及高级应用要求,智能 变电站,网络化,标准化,

2、智能变电站的定义,智能变电站概述,高级应用,一次设备智能化,智能变电站概述,传统变电站设备功能分布,传统微机保护测控,交流输入组件,A/D 转换组件,保护逻辑(CPU),开入开出组件,人机对话模件,二次设备和一次设备功能重新定位。,智能变电站设备功能分布,智能终端,MU,传统微机保护,交流输入组件,A/D 转换组件,保护逻辑(CPU),开入开出组件,人机对话模件,二次设备和一次设备功能重新定位：,ECT,一次设备智能化,IED 数字化保护,SMV 光纤,GOOSE,服务器1,RCS,-,9785,系列,GPS,对时装置,RCS-9698H,各级调度、 集控中心,以太网,服务器2,操作员站,五防

3、 工作站,继电保护 工程师站,GOOSE网,光纤以太网,PCS-221 MU,PCS-222智能终端,220kV保护室,打印 服务器,PCS-931,PCS-915,PCS-221 ECVT,PCS-9705,光纤GOOSE网,PCS-221 MU,PCS-222智能终端,110kV保护室,PCS-943,PCS-915,PCS-221 ECVT,一体化平台,智能变电站_方案,什么是GOOSE? 面向通用对象的变电站事件( GOOSE-Generic Object Oriented Substation Event) 是IEC 61850标准中用于满足变电站自动化系统快速报文需求的一种机制 G

4、OOSE可以传输什么？ 可以传输开入（智能终端的常规开入等），开出（跳闸，遥控，启动失灵，联锁，自检信息等），实时性要求不高的模拟量（环境温湿度，直流量） GOOSE传输的数据类型？ 常见传输布尔量，整型，浮点型，位串,GOOSE介绍,10,GOOSE发送机制,GOOSE采用多播方式传送数据 以太网传输方式有：点对点、广播、多播 GOOSE采用连续多次传送的方式实现可靠传输：T1=2ms T2=4ms T3=8ms T0=5s (默认值，由SCD确定),感性认识GOOSE（线路跳闸）,测试仪输入,线路保护A,线路保护B,智能终端A,智能终端B,SV输入,1 仿真故障,2 跳闸,3 新位置,4

5、重合,5 新位置,电缆,开关,GOOSE,电缆,感性认识GOOSE（母差跳闸）,测试仪输入,线路保护A,线路保护B,智能终端A,智能终端B,SV输入,1 仿真故障,2 跳闸,3 新位置,电缆,开关,电缆,母差保护A,GOOSE,闭锁重合,闭锁重合,电缆,GOOSE报文,stNum: 范围（1-4294967295）状态序号，状态改变一次+1，溢出后从1开始； sqNum: 范围（0-4294967295）顺序序号，初始值为1，状态不变化时，每发送一次+1，溢出后从1开始; 0专为stNum变化时首帧传输保留。 装置重启：stNum,sqNum都从1开始。,注释1：stNum,sqNum,T0（

6、心跳时间,Maxtime） GOOSE报文在稳定事件时的重传时间，61850标准未说明具体时间，应根据当地实际来设定，建议为TAL的一半，国内工程一般5s. T1（Mintime） GOOSE报文有时间发生时的最短传输时间，61850标准未说明具体时间，应根据当地实际来设定，国内工程一般2ms. 生存时间（TAL（timeAllowedtoLive） GOOSE报文的允许生存时间，即有效时间，用于通知接收方等待下一次重传的最长时间。如果在该时间间隔内部没有收到新报文，接收方将认为关联丢失.61850标准建议为T0的2倍。 UTC时间（(Universal Time Coordinated） 整

7、个地球分为二十四时区，每个时区都有自己的本地时间。在国际无线电通信场合，为了统一起见，使用一个统一的时间，称为通用协调时(UTC, Universal Time Coordinated)。UTC与格林尼治平均时(GMT, Greenwich Mean Time)一样，都与英国伦敦的本地时相同。 北京时间比UTC时间早8小时，以1999年1月1日0000UTC为例，UTC时间是零点，北京时间为1999年1月1日早上8点整。,几个时间概念,什么是SMV? Sampled Measured Value采样测量值，也称为SV (Sampled Value),一种用于实时传输数字采样信息的通信服务 从发

8、展历史来说，SMV的发展先后经历： IEC60044-8，IEC61850-9-1，IEC61850-9-2 目前主要采用IEC61850-9-2，IEC60044-8,SMV介绍,IEC 60044-7 : Instrument transformers Electronic voltage transformers IEC 60044-8 : Instrument transformers Electronic current transformers IEC 61850-9-1 IEC 61850-9-2 : Communication networks and systems in s

9、ubstations Part 9-2:Specific Communication Service Mapping UCA 9-2 LE : Implementation guide for digital interface to instrument transformers using IEC 61850-9-2,相关标准发展,IEC60044-8是国际电工委员会为电子式互感器专门制定的一个标准，点对点光纤串行数据接口 采用IEC69870-5-1的FT3格式，故常称之为FT3格式 传输延时确定 可以采用再采样技术实现同步采样 硬件和软件实现简单 通道传送瞬时标幺值 固定12通道,IE

10、C60044-8,为了满足变电站更加灵活的需求，国网公司在Q/GDW441-2010智能变电站继电保护技术规范对60044-8所定义的通用帧格式从12通道扩展到22通道，一般称之为扩展FT3格式,扩展FT3,IEC61850-9-2：是国际电工委员会标准IEC 61850-9-2：特定通信服务映射(SCSM) 中所定义的一种采样值传输方式，网络数据接口 传输延时不确定 无法准确采用再采样技术 硬件软件比较通用，但对交换机要求极高 硬件和软件实现都将困难 不同间隔间数据到达时间不确定，不利于母差、变压器等保护的数据处理 通道传送一次瞬时值,IEC61850-9-2,为了满足变电站更加可靠的需求，

11、合并单元不再依赖时钟源进行同步，国网公司在Q/GDW441-2010智能变电站继电保护技术规范定义了点对点9-2的方式，具体技术要求如下： 合并单元应输出电子式互感器整体的采样响应延时，额定延时时间不大于2ms。 采样值发送间隔离散值应小于10S. 通道延时需要在采样数据集中作为一路通道发送。,IEC61850-9-2（点对点）,采样方式的优缺点,IEC 60044-8： 优点：不依赖于外部同步时钟，谁用数据谁同步 处理，可靠性高。 缺点：物理接口专用接口； 数据点对点传输，接线较复杂。 IEC 61850-9-1/2： 优点：物理接口标准以太网接口； 可以组网传输，利于数据共享； 缺点：依赖

12、外部时钟，时钟丢失时影响二次设备 功能。（组网） 数据点对点传输，接线较复杂（点对点）,44-8报文（借助仪器）,9-2报文标注,智能变电站过程层网络相当于常规变电站的二次电缆，各IED之间的信息通过报文交换，信息回路主要包括SV采样、GO开入和开出。 从结构上讲，智能变电站可分为站控层设备、间隔层设备、过程层设备、站控层网络和过程层网络，即“三层两网”。间隔层设备跨两个网络 。 从功能实现上讲，智能变电站可分为过程层（含设备和网络）和站控层。过程层面向一次设备，站控层面向运行和继保人员。,智能变电站过程层特点,过程层技术,过程层技术,智能变电站过程层特点,智能变电站分层,过程层技术,过程层设

13、备： 电子式互感器：实现采样的数字化。 合并单元：实现采样的共享化。 智能终端：实现开关、刀闸开入开出命令和信号的数字化。,智能变电站过程层特点,过程层信息传输,过程层技术,过程层设备可靠性要求： 过程层信息的传输要求准确、可靠、快速。可分为两种： SV：周期性采样信号，要求保证传输的实时性和快速性。 GO：事件驱动的开入开出信号。实时性和可靠性要求高。,3.1 智能变电站过程层特点,过程层信息传输,过程层技术,智能变电站过程设备： 合并单元、智能终端和过程层交换机。,3.2 智能变电站过程层设备,MU,智能终端,交换机,过程层技术,合并单元定义（MU：merging unit）： 用以对来自

14、二次转换器的电流和/或电压数据进行时间相关组合的物理单元。合并单元可是互感器的一个组成件，也可是一个分立单元。 MU的必要性： 电子式互感器的远端模块输出没有统一规定，各厂家使用的原理、介质系数、二次输出光信号含义不相同。因此，电子式互感器输出的光信号需要同步、系数转化等处理后，以统一的数据格式供二次设备使用。否则，电子式互感器无法与二次设备通信。 合并单元是电子式互感器接口的重要组成部分。,智能变电站过程层设备,过程层技术,合并单元是实现ECVT 与二次设备接口的关键装置 - 数据合并及发送。合并单元同时接受并处理三相电流和三相电压信号，并按IEC60044-8 或IEC61850-9-2

15、格式输出送给二次设备使用； - 数据同步。合并单元实现独立采样的三相电流和三相电压信号的同步。,过程层技术,MU的采样同步： MU利用同步时钟同步电子式互感器的采样，同步可采用同步法或插值法，采样的同步误差不大于1us。 A、同步法： 由MU向电子互感器发送采样脉冲。 B、插值法：电子互感器各自独立采样，并将采样的一次电流或电压数据以固定延时时间发送至MU，MU以同步时钟为基准插值。 MU的采样频率： 4000Hz（80点：保护、测量）或12800Hz（256点：电能质量）。,智能变电站过程层设备,过程层技术,智能断路器的实现方式： 智能断路器的实现方式有两种：一种是直接将智能控制模块内嵌在断

16、路器中；另一种是将智能控制模块形成一个独立装置-智能终端，安装在传统断路器附近。 现阶段采用常规断路器+智能终端方案。 智能终端的定义：smart terminal 一种智能组件。与一次设备采用电缆连接，与保护、测控等二次设备采用光纤连接，实现对一次设备（如：断路器、刀闸、主变压器等）的测量、控制等功能。,智能变电站过程层设备,过程层技术,一种智能组建。与一次设备采用电缆连接，与保护、测控等二次设备采用光纤连接，实现对一次设备的测量、控制等功能。,过程层技术,智能终端的作用： A、与一次设备的接口：采用电缆硬接线 采集与断路器、隔离开关、地刀相关的开入信号。控制断路器、隔离开关、地刀的操作。

17、B、与间隔层设备的接口：光纤 将一次设备的开入信息通过光纤上送给间隔层保护、控制装置。并接收间隔层设备的控制命名。,智能变电站过程层设备,过程层技术,交换机的定义：switch 一种有源的网络元件。交换机连接两个或多个子网，子网本身可由数个网段通过转发器连接而成。 交换机为有源元件，降低了保护的可靠性。 过程层交换机的管理 智能变电站过程层交换机要与继电保护同等对待。将交换机的VLAN及所属端口、多播地址端口列表、优先级描述等配置作为定值管理。,智能变电站过程层网络,过程层技术,智能变电站过程层网络,过程层技术,IEC61850的服务和协议栈：,Client /Server,通讯,模拟量采样值

18、,(,SAV),模型,对象,服务,实时性要求,以太链路层,带优先级的以太物理层,IP,TCP,MMS,特定通讯服务映射,SCSM),通用变电站对象事件,GOOSE,过程层技术,过程信息传输要求： 准确、快速、可靠。 过程层报文传输： IEC61850规范了过程层SV和GO的通信协议栈。应用层数据直接映射到数据链路层的MAC子层，传递给物理层发送，会话层、传输层和网络层为空。输出传输减少了协议栈的处理过程，增加强了数据的实时性。,智能变电站过程层网络,过程层技术,组播技术 发布者/订阅者模型是利用以太网发布的一种模型，特别适用于多数据源向多接受者发送流量大、实时性要求高的数据。 SV和GO发布者

19、/订阅者模型，可采用两种实现方案：基于VLAN的多播模式和基于MAC多播地址过滤的多播模式。 网络冗余 网络冗余包括链路冗余和设备冗余，链路冗余指交换机冗余，设备冗余主要指装置的网口冗余。,智能变电站过程层网络,过程层技术,网络冗余 A、链路冗余。单环网、双环网和双星形等网络结构都具备链路冗余。环网在网络故障时，网络重构时间较长。且不同厂家采用不同生成树协议，不便于组网，易产生网络风暴。星形结构，任意两点间通信最多经过三级交换机，延时短，没有网络重构问题。 B、装置网口冗余。分主备方式和双网独立工作方式。 C、同源双网和双源双网概念。,智能变电站过程层网络,过程层技术,过程层实时性的要求： I

20、EC61850规定过程层采样值和保护跳闸传输时间小于3ms，保护事件传输2ms10ms。 网络的实时性与哪些因素有关： 通信网络的实时性是由网络带宽、访问仲裁/传输控制方法、组网方式等诸多因素共同决定的。,过程层网络的实时性,过程层技术,网络延时分析： 网络传输延时由以下几部分构成： TALL=N(TSF+TSW+TQ)+TWLA（N为交换机级联台数） A、交换机存储转发延时TSF。以太网帧最长为1522B，加上8B同步帧头。交换机TSF最长为120us左右。 B、交换机延时TSW。不超过10us。 C、光缆传输延时TWL。光缆光速约为2/3倍光速。 D、交换机排队延时TQ。,过程层网络的实时

21、性,过程层技术,GO报文传输的可靠性： 为了降低报文处理延时，GOOSE网络协议对原有TCP/IP协议栈进行了裁剪，去掉了网络层、传输层和会话层，使得链路层直接向上映射到表示层。由于GO传输缺少了传输层，必须在应用层采取措施保证其可靠性。 A、重发机制。GO报文传输是触发机制，但出于可靠性考虑，即使外部状态不再变化，也应重发，只是重发间隔逐渐拉长。 B、报文中应携带“报文存活时间TAL”和数据品质等参数。如果接受端在TAL时间内未收到任何报文，则接收端认为GO链路断链。,过程层网络的可靠性,过程层技术,过程层网络的可靠性,SV报文传输的流量： SV交换机主要考虑数据流量的控制，以我们的PCS2

22、22EA合并单元MU来计算： MU每秒数据流量（按照IEC61850-9-2协议、SMV数据集为21个数据通道为参考） S（流量）=248Byte*8bit*4000点/S =7.568 Mb/S,过程层技术,防止网卡溢出的措施： 采取SV和GO报文过滤机制： B、交换机多播过滤。既能减少网络GO报文，又可解决装置CPU资源的不必要占用。 （1）静态多播配置。通过配置交换机静态多播地址表实现多播报文过滤。其缺点是装置连接的交换机端口必须固定，扩建或更换交换机时，必须修改或设置交换机多播配置。 （2）动态多播配置。由交换机根据实际情况分配多播报文路径。动态多播管理协议还缺乏运行经验。,过程层网络

23、的可靠性,过程层技术,交换机VLAN配置： A、交换机VLAN配置的必要性： 1）减轻交换机和装置的负载。SV网络实时性要求高、数据流量大、数据流向单一，采用VLAN技术，有效隔离网络流量，可减轻交换机和装置负担，提高网络可靠性、实时性。 2）安全隔离。GO报文相对SV报文，其流量小、数据流向复杂、装置配置变动大（改扩建），GO采用VLAN进行划分，可有效限定GO传输范围，到每个端口只收所需报文，避免无关信号干扰，提高GO网络的安全性和可靠性。,过程层网络的可靠性,过程层技术,交换机VLAN配置： A、VLAN的配置原则： 1）采用装置VID（装置发送的报文中带802.1Q字段，交换机根据VLAN配置表中的规则，决