數(shù)字化變電站繼電保護的GOOSE網(wǎng)絡(luò)方案概要

1、 第33卷第3期2009年2月10 日Vol. 33No. 3Feb. 10, 2009數(shù)字化變電站繼電保護的G OOSE 網(wǎng)絡(luò)方案王松, 陸承宇(浙江省電力試驗研究院系統(tǒng)所, 浙江省杭州市310014摘要:根據(jù)數(shù)字化變電站繼電保護的面向通用對象的變電站事件(GOOSE 需求, 針對速動性分析了網(wǎng)絡(luò)傳輸延時后提出了改進方法, 并針對可靠性和安全性分別分析了不同冗余方式和交換機分配模式的特點。網(wǎng)絡(luò)方案的方法, 并給出了典型接線形式下的GOOSE 。, 護配置特點對交換機虛擬局域網(wǎng)(VLAN 劃分、關(guān)鍵詞:IEC 61850; ; ; ; :; 0引言面向通用對象的變電站事件(GOOSE 是IEC

2、 61850標(biāo)準(zhǔn)中用于滿足變電站自動化系統(tǒng)快速報文需求的機制。從中國目前的變電站自動化系統(tǒng)的實際應(yīng)用來看, 快速報文主要應(yīng)用于繼電保護領(lǐng)域以傳輸一些簡單的二進制布爾型數(shù)據(jù), 例如跳閘、合閘、啟動、閉鎖、允許等實時信號。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)還明確規(guī)定了快速報文的傳輸時間要求:對于跳閘等重要信號要求在3ms 內(nèi)1。GOOSE 通信采用基于以太網(wǎng)多播技術(shù)的多播應(yīng)用關(guān)聯(lián), 為了保證實時性和可靠性, GOOSE 報文傳輸不需要回執(zhí)確認(rèn), 而是采用順序重發(fā)機制。網(wǎng)絡(luò)方案對于GOOSE 通信的實時性和可靠性至關(guān)重要2。本文結(jié)合繼電保護的需求, 分析了各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、冗余方式及交換機分配模式的特點, 并綜合考

3、慮了各種因素的影響, 提出了不同主接線形式下的GOOSE 網(wǎng)絡(luò)方案。定的時間范圍內(nèi)。采用GOOSE 后, 繼電保護通過網(wǎng)絡(luò)傳輸跳閘和相互之間的啟動閉鎖信號。與傳統(tǒng)回路方式相比, 可靠性主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)的可靠性和運行檢修及擴建的安全性上。1. 1速動性分析IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在第5部分定義了報文傳輸延時, 如圖1所示 。圖1傳輸時間定義Fig. 1Def inition of transfer time1繼電保護的G OOSE 需求分析電力系統(tǒng)繼電保護有4個基本要求, 即選擇性、速動性、靈敏性和可靠性。其中選擇性和靈敏性與繼電保護系統(tǒng)(包括量測和保護通信 相關(guān), GOOSE 主要影響繼電保護的速

4、動性和可靠性。在相同的一次、二次設(shè)備條件下, 與傳統(tǒng)保護接點直接跳閘方式相比, 繼電保護采用GOOSE 報文經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)信給智能操作箱的方式增加了中間環(huán)節(jié), 保護總動作時間有所延長, 關(guān)鍵在于這段延時能否穩(wěn)定地控制在一收稿日期:2008209218; 修回日期:2008210231。報文發(fā)送和接收延時與裝置通信處理能力和處理方式有關(guān), 保護裝置設(shè)計時必須考慮最大傳輸量情況下的傳輸延時, 尤其是接收延時, 要防止在固定時間內(nèi)由于最大接收GOOSE 報文量引起的網(wǎng)口溢出而丟失報文或延時過長2。在所有保護中, 母線保護要接收母線上所有間隔的母差啟動或啟動失靈信號, 必須考慮所有間隔啟動報文或心跳報文同時

5、到達的極限情況。此外, 還要采用合理的交換機虛擬局域網(wǎng)(VL AN 規(guī)劃和多播地址過濾或保護裝置網(wǎng)卡媒體訪問控制(MAC 地址過濾等方式, 避免其他GOOSE 多播報文對網(wǎng)口的沖擊3。網(wǎng)絡(luò)傳輸延時由以下延時組成4:1 交換機存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時T SF現(xiàn)代交換機都是基于存儲轉(zhuǎn)發(fā)原理的, 因此, 單51 臺交換機的存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時等于幀長除以傳輸速率。以100Mbit/s 光口為例, 以太網(wǎng)最大幀長是1522B , 加上同步幀頭8B , 交換機存儲轉(zhuǎn)發(fā)最長延時為122s 。2 交換機交換延時T SW交換機交換延時為固定值, 取決于交換機芯片處理MAC 地址表、VL AN 、優(yōu)先級等功能的速度。一般工業(yè)以太網(wǎng)

6、交換機的交換延時不超過10s 。3 光纜傳輸延時T WL光纜傳輸延時是光纜長度除以光纜光速(約2/3倍光速 。以1km 為例, 光纜傳輸延時約5s 。4 交換機幀排隊延時T Q送, 情況, K -。忽略幀間時間間隔, 最長幀排隊延時約為(K -1 T SF , 最短排隊延時則為0, 平均排隊延時為(K -1 T SF /2。根據(jù)以上分析, 可估算最不利情況下經(jīng)過N 臺交換機的最長報文網(wǎng)絡(luò)傳輸延時T ALL 為:T ALL =N (T SF +T SW +T Q +T WLAT ALL =9×(12s +10s +8. 5×12s +(122s +10s +8. 5×

7、;122s +5s 2. 3ms采用星形結(jié)構(gòu)時, 網(wǎng)絡(luò)任意2點間傳輸路徑最短, 報文沖突概率較小, 交換機級聯(lián)端口可采用100Mbit/s (1000Mbit/s 多端口骨干工業(yè)交換機不多且價格昂貴 , 但網(wǎng)絡(luò)規(guī)模要小, 建議不超過2層。4 合理規(guī)劃交換機分配, 盡量將同一間隔內(nèi)聯(lián), 以減少式中:T WLA 為報文經(jīng)過N 臺交換機的光纜傳輸總延時。T Q 用平均排隊延時評估, 最不利情況下, 所有交換機其他端口均同時向目的端口或交換機級聯(lián)端口發(fā)送最長報文。以10臺交換機、每臺交換機18個100Mbit/s 光口、光纜總長1km 為例, 最不利情況下網(wǎng)絡(luò)傳輸延時為:T ALL =10×

8、(122s +10s +8. 5×122s +5s 11. 7ms這個延時已經(jīng)遠超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3ms 延時, 不符合繼電保護要求。然而, 這是最不利的情況, 實際應(yīng)用中繼電保護通常只傳輸少量布爾值, GOOSE 報文一般不會超過300B 。結(jié)合以上分析, 可采取以下方法來減少網(wǎng)絡(luò)延時:1 啟用交換機分級服務(wù)質(zhì)量(QoS 提供優(yōu)先傳輸機制, 保證重要報文優(yōu)先傳輸, 減少重要幀的排隊延時T Q 。GOOSE 報文也按重要等級區(qū)分優(yōu)先級。2 合理規(guī)劃VL AN 和交換機多播過濾, 防止GOOSE 多播報文在網(wǎng)絡(luò)中廣播發(fā)送而占用網(wǎng)絡(luò)帶寬, 減少相同優(yōu)先級別的GOOSE 報文幀排隊延時T Q

9、。3 如果網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為環(huán)形或總線形, 盡量減少交換機級聯(lián)數(shù)量。交換機級聯(lián)端口采用1000Mbit/s 光口。最不利情況下網(wǎng)絡(luò)傳輸延時為:52, 的保護系、冗余方式等有關(guān)系。1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以太網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)主要有總線形、星形、環(huán)形結(jié)構(gòu)3種形式。總線形結(jié)構(gòu)是多臺交換機簡單串接, 布線容易, 缺點是可靠性不高, 總線中間任意一臺交換機故障將引起兩邊通信中斷。星形結(jié)構(gòu)任意2點間通信路徑最短, 但布線較多。此外, 根交換機故障將引起所有子交換機之間通信中斷, 但是可以根據(jù)變電站一次結(jié)構(gòu)的特點, 合理布置交換機, 使交換機或鏈路故障的影響范圍局限于單個線路或元件保護。環(huán)形結(jié)構(gòu)在正常工作情況下有一個邏輯斷點, 在其

10、他鏈路中斷的情況下此邏輯斷點將自動愈合。因此, 環(huán)網(wǎng)有一定的冗余能力:任意一臺交換機故障或任意一根交換機連線中斷不會影響其他交換機之間的通信。標(biāo)準(zhǔn)的快速愈合是通過快速生成樹協(xié)議(RSTP 實現(xiàn)的, 愈合時間達到數(shù)百毫秒級。大部分工業(yè)以太網(wǎng)交換機廠商采用了自主開發(fā)的私有協(xié)議實現(xiàn)更快速度的自愈。然而, 部分私有協(xié)議在實際應(yīng)用中卻存在發(fā)生環(huán)網(wǎng)風(fēng)暴的危險。除了以上3種基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)外, 還有網(wǎng)狀形等其他結(jié)構(gòu)及各種復(fù)合型結(jié)構(gòu)形式, 但都比較復(fù)雜, 不滿足繼電保護可靠快速的要求。3種基本結(jié)構(gòu)中, 環(huán)形有一定的冗余能力, 可靠性最高; 星形在合理分配交換機后可靠性其次; 總線形可靠性最差。2 冗余方式冗余方式

11、中最常見的是雙網(wǎng)冗余, 即任意一臺交換機或鏈路發(fā)生故障后網(wǎng)絡(luò)仍可正常工作。但IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)并未規(guī)定冗余機制, 實際工程可采用私有協(xié)定5。為保證實時性, GOOSE 雙網(wǎng)必須同時工作而非主備工作, 以減少網(wǎng)絡(luò)切換帶來的時間差。因此, 雙網(wǎng)冗余增加了裝置通信程序的復(fù)雜程度, 也難以消除網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴等網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重故障的影響。此外, 雙網(wǎng)冗余將使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備投資增加1倍。按照繼電保護設(shè)計規(guī)范, 繼電保護雙重化包括保護裝置的雙重化及與保護配合回路(包括通道 的雙重化, 雙重化配置的保護裝置及其回路之間應(yīng)完全獨立, 不應(yīng)有直接的電氣聯(lián)系627。采用GOOSE 時, 將這一原則應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)配置, 即雙重化的保護裝

12、置及其網(wǎng)絡(luò)連接完全獨立, 不應(yīng)有直接的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。這樣雙重化保護裝置與網(wǎng)絡(luò)完全獨立運行, 可以防止任意一臺保護裝置、交換機或一條鏈路故障甚至網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴等嚴(yán)重故障導(dǎo)致的保護功能失效, 具有較高的可靠性。但這需要將傳統(tǒng)設(shè)計中部分不必雙重化的保護, 如開關(guān)失靈及重合閘等也雙重化配置, 除增加了保護裝置投資, 還需考慮自動重合閘在雙重化運行中可能發(fā)生2次重合等問題。1. 3安全性分析8全性。采用時, 還需考慮網(wǎng)絡(luò)交換機分配模式的影響。因電力系統(tǒng)繼電保護有按間隔配置的特殊性, 間隔間通常無信號聯(lián)系或聯(lián)系較少, 母線則與母線上所有間隔都有信號聯(lián)系。這些信號量與一次接線方式和繼電保護配置密切相關(guān), 據(jù)此, 可按

13、間隔分散配置交換機, 劃分VLAN , 讓大部分只與本間隔相關(guān)的GOOSE 多播報文在本間隔交換機內(nèi)傳輸。與集中組屏配置相比, 按間隔分散配置交換機有利于繼電保護的檢修和擴建, 也容易隔離間隔間多播報文, 提高系統(tǒng)運行的安全性。間隔檢修時, 只需將間隔交換機至母線交換機的連接斷開即可; 間隔擴建時, 先將間隔內(nèi)保護調(diào)試完畢, 再將間隔交換機接入母線交換機調(diào)試。無論檢修還是擴建, 安全措施簡單可靠。分散配置還可減小單臺交換機故障造成保護系統(tǒng)癱瘓的范圍, 也提高了保護系統(tǒng)的可靠性。但若按間隔分散配置, 交換機數(shù)量將大大增加, 尤其是單母線或雙母線結(jié)構(gòu), 間隔內(nèi)裝置數(shù)量很少。另外, 根據(jù)分散配置的特

14、點, 檢修及擴建時間隔交換機可能停機, 交換機不宜組成環(huán)形或總線形結(jié)構(gòu)。GOOSE 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。為了安全性, 交換機按出線、主變和母線等間隔分散分配。雙重化間隔交換機分別安裝在雙套線路或主變保護屏上, 雙重化母線交換機則安裝在雙套母線保護屏上, 間隔交換機與母線交換機以星形單網(wǎng)方式連接。以線路和主變間隔為例, 其中一套保護的GOOSE 網(wǎng)絡(luò)方案見圖2 。圖2220kV 雙母線接線中一套保護的G OOSE網(wǎng)絡(luò)方案Fig. 2One set of protection G OOSE netw orkscheme of 220kV double bus structure按繼電保護設(shè)計規(guī)范和繼電保護原

15、理,220kV 雙母線結(jié)構(gòu)中一個線路間隔保護間的信號聯(lián)系如表1所示。表1220kV 線路間隔的典型信號聯(lián)系T able 1Typical signal relations of 220kV line b ay聯(lián)系信號線路保護跳閘、重合閘開關(guān)位置刀閘位置刀閘位置線路保護啟動失靈母線保護跳閘母線保護閉鎖重合閘、啟動遠方跳閘發(fā)送方線路保護智能開關(guān)智能刀閘智能刀閘線路保護母線保護母線保護接收方智能開關(guān)線路保護線路保護母線保護母線保護智能開關(guān)線路保護2G OOSE 網(wǎng)絡(luò)方案根據(jù)上述繼電保護的GOOSE 需求分析, 并綜合考慮繼電保護速動性、可靠性、安全性和經(jīng)濟性, GOOSE 網(wǎng)絡(luò)方案應(yīng)根據(jù)一次接線形式

16、和繼電保護配置特點確定。下面列舉典型接線形式的GOOSE 網(wǎng)絡(luò)方案。本文列舉的方案供參考, 實際工程中具體的GOOSE 網(wǎng)絡(luò)方案還需考慮實際情況確定。2. 1220kV 雙母線接線形式國內(nèi)220kV 多采用雙母線接線形式, 繼電保護按雙重化配置, 冗余方式按雙重化保護和雙重化主變間隔的保護信號聯(lián)系與出線間隔的保護信號聯(lián)系區(qū)別不大, 不再列表給出。可以看出, 出線間隔與主變間隔之間沒有信號聯(lián)系, 只有母線保護與每個間隔都有信號聯(lián)系。間隔內(nèi)部線路保護與開關(guān)及刀閘間的聯(lián)系信號在間隔交換機內(nèi), 母線保護與間隔保護或智能一次設(shè)備的信號聯(lián)系只經(jīng)過2級交換機。母線交換機按間隔劃分VL AN , 從而隔離各間

17、隔GOOSE 報文, 大大減少報文幀排隊延時。間隔檢修的安全措施簡單可靠, 只要斷開間隔交換機與母線交換機連接即可。53 2. 2500kV 的3/2接線形式國內(nèi)500kV 多采用3/2接線形式, 繼電保護按雙重化配置。但3/2接線形式不是星形結(jié)構(gòu), 中斷路器與兩側(cè)間隔連接形成冗余結(jié)構(gòu), 因此, 中斷路器保護與兩側(cè)間隔都有聯(lián)系。與雙母線結(jié)構(gòu)相同,3/2接線形式也按間隔雙重化保護分散配置雙重化交換機, 但中智能開關(guān)及其保護配置雙網(wǎng)口分別連接到兩側(cè)間隔交換機, 與一次結(jié)構(gòu)保持一致。以一串內(nèi)的線路和主變間隔為例, 一套保護的GOOSE 網(wǎng)絡(luò)方案見圖3。其中, 中斷路器保護和中智能開關(guān)與兩側(cè)保護均有信

18、號聯(lián)系, 為了避免GOOSE 報文跨越母線交換機而降低系統(tǒng)可靠性, 和中斷路器接入兩側(cè)間隔交換機 聯(lián)系信號不出間隔交換機, 母線保護與間隔開關(guān)保護或智能一次設(shè)備信號聯(lián)系只經(jīng)過2級交換機。母線交換機按間隔劃分VLAN 隔離各間隔GOOSE 報文, 減少了報文幀排隊延時。間隔檢修時安全措施也比較簡單可靠, 除斷開間隔交換機與母線交換機連接外, 還需斷開中開關(guān)保護及智能開關(guān)與同一串運行側(cè)間隔交換機的連接。以上典型接線形式的保護GOOSE 網(wǎng)絡(luò)方案中, 交換機VL AN 劃分十分重要, 尤其是母線交換機, 。母線交換機選。此外, 、。繼電保護采用GOOSE 網(wǎng)絡(luò)化傳輸是一項全新的技術(shù)變革, 但仍然要滿

19、足繼電保護的基本要求。GOOSE 網(wǎng)絡(luò)不同于普通網(wǎng)絡(luò), 應(yīng)考慮繼電保護GOOSE 網(wǎng)絡(luò)的需求和特點, 合理規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)方案。合理的方案不僅體現(xiàn)在硬件上, 也包含了交換機VLAN 、優(yōu)先級、多播報文過濾等項目的合理設(shè)置。根據(jù)系統(tǒng)一次接線形式及繼電保護配置特點合理規(guī)劃繼電保護GOOSE 網(wǎng)絡(luò)方案, 符合繼電保護速動性、可靠性和安全性的綜合要求。此外, 交換機VLAN 劃分、優(yōu)先級及多播報文過濾配置也應(yīng)根據(jù)一次接線形式及繼電保護配置特點合理進行。圖3500kV 3/2接線一套保護G OOSE 網(wǎng)絡(luò)方案Fig. 3One set of protection G OOSE netw orkscheme of

20、 500kV 3/2structure按繼電保護設(shè)計規(guī)范和繼電保護原理,500kV 3/2接線一個線路間隔保護間的信號聯(lián)系見表2。表2500kV 線路間隔典型信號聯(lián)系T able 2T ypical signal relations of 500kV line b ay聯(lián)系信號線路保護跳閘線路保護啟動失靈、重合、閉鎖重合閘發(fā)送方線路保護線路保護接收方2個智能開關(guān)2個開關(guān)保護2個智能開關(guān)2個開關(guān)保護2個智能開關(guān)2個智能開關(guān)參考文獻1IEC 6185025Communication networks and systems insubstation. 2003.2徐成斌, 孫一民. 數(shù)字化變電站過

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24、閘、重合閘中開關(guān)保護邊開關(guān)保護閉鎖重合閘邊開關(guān)保護中開關(guān)保護閉鎖重合閘中開關(guān)保護邊開關(guān)保護啟動遠跳邊開關(guān)保護中開關(guān)保護啟動遠跳中開關(guān)保護母線保護跳閘母線保護母線保護啟動失靈、閉鎖重合閘母線保護邊開關(guān)保護啟動母差跳閘邊開關(guān)保護中開關(guān)保護邊開關(guān)保護線路保護線路保護邊智能開關(guān)邊開關(guān)保護母線保護同理, 主變間隔的保護信號聯(lián)系不再列表給出。由于中開關(guān)保護與智能開關(guān)通過2個網(wǎng)口接入兩側(cè)間隔交換機, 間隔之間保護沒有信號聯(lián)系, 只有母線保護與各自間隔有信號聯(lián)系。間隔內(nèi)部各設(shè)備間的54(下轉(zhuǎn)第103頁continued on page 103工程應(yīng)用趙婷, 等用于電網(wǎng)穩(wěn)定分析的電液伺服及執(zhí)行機構(gòu)數(shù)學(xué)模型Ind

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30、tem for Pow er G rid Stability AnalysisZ HA O Ting , T IA N Yunf eng (North China Electric Power Research Institute , Beijing 100045, China Abstract :The electro 2hydraulic servo and actuator system is one of the most important components in prime mover governing system. Precision and adaptability o

31、f the math model of the system significantly affect validity of power grid stability analysis. It is found that the existing models of the electro 2hydraulic servo and actuator system can simulate the power grid performance properly when valves have small actions. However these models can not exactl

32、y reflect practice in case of large valve actions , so that they can not be used to analyze power grid stability while valve acts in large range. A new math model of the electro 2hydraulic servo and actuator system is proposed based on operating principle of each component. This model is capable of

33、evaluating the power grid performance at both small and large valve actions with one set of model parameters. Method of determining these parameters is provided , and the new model is verified by corresponding experimental data f rom the site. K ey w ords :grid stability analysis ; electro 2hydraulic servo and actuator system ; math model ; governing system(上接第54頁continued f rom page 547Q/GDW 1752008變壓器、高壓并聯(lián)電抗器和母線保護及輔助裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計規(guī)范. 2008.8賀家李, 宋從矩, 電力系統(tǒng)繼電保護原理. 北京:中國電力出版社,2004.方向:電力系統(tǒng)繼電保護和計算機自動化。E 2mail :wang_song ri.zpepc. com. cn, 男, 碩士, 高級工程師, 主要研究