工业以太网技术应用于数字化变电站的探究

【摘要】通信是变电站自动化系统的关键，通信网络信息传输的实时性、确定性和可靠性决定了变电站自动化系统的可用性。本篇论文分析了变电站自动化系统的构成、通信过程、工业以太网应用于数字化变电站系统目前存在的问题及相关解决办法。

【关键词】工业以太网;变电站自动化系统;通信网络

1.引言

随着电力工业的迅速发展，电力系统规模不断扩大以及电站自动化系统的日趋复杂，传统的现场总线控制系统通信速率低，标准不统一，很难实现对机电保护装置各方面特性的全面测试，已不能满足需求，需要使用新的高性能的通信技术。为了避免重复投资，实现信息资源的共享，应对电力系统进行规范和综合考虑。工业以太网应用广泛，通信速率高，价格低廉，标准开放，已成为变电站自动化系统过程总线的首选。

2.变电站自动化系统的构成

变电站自动化采用自动控制和计算机技术，实现变电站二次系统的部分或全部功能，并利用多台微型计算机和大规模集成电路组成的自动化系统。变电站自动化系统体系由“数据采集和控制”、“继电保护”、“直流电源系统”三大块构成其基础。“通信控制管理”是桥梁，联系变电站内部各部分之间、变电站与调度控制中心之间使其相互交换数据。

变电站主计算机系统对整个综合自动化系统进行协调、管理和控制。变电站自动化系统改变常规的继电保护装置不能与外界通信的缺陷。通过对自动化技术、计算机技术和通信技术在变电站的综合应用，采集到比较齐全的数据和信息，利用计算机的高速计算能力和逻辑判断能力，从而方便地监控变电站内各种设备的运行和操作。

3.变电站自动化系统的通信

变电站综合自动化系统包括微机监控、微机保护、电能质量控制等多个子系统。其通信任务一方面是实现站内通信功能，完成对全站一、二次设备和装置运行情况的数据通信采集和控制命令的传输;另一方面完成与上级调度或集控中心的通信，向上传送变电站运行的实时信息、接受和执行上级下达的控制命令。

（1）变电站内的数据通信

图1 基于以太网的变电站自动化系统结构

④⑤用于过程层和间隔层之间通信，①③⑥⑨用于间隔层内部及与变电站层的通信，⑧是间隔层之间通信。对于网络结构，决不是短期内就可以实现的，它需要电力一次、二次设备生产商共同努力才能实现。针对目前的情况，一次设备的智能化虽然已有学者开展研究，但还没有带网络接口的产品出现，所以建议采用两种渐进的方式，首先过程层仍采用硬线连接，而间隔和厂站采用以太网通信，另外可在一次设备和二次设备之间加入智能I/O单元，来实现接口④⑤。定义了7种类型报文，即：快速报文、中速报文、低速报文、原始数据报文、文件传输报文、时间同步报文和具有访问控制的命令报文。通过分析和研究，从时域的角度，把上述变电站自动化系统中7种类型的报文分为3 种类型通信：周期性通信、随机性通信、突发性通信。在具有变电站层一单元层一设备层的分层分布式自动化系统中，需要传输的信息有如下几种。

a.问隔层与设备层间的通信

间隔层的设备有控制测量单元或继电保护单元，或两者都有。设备层的高压断路器可能有智能传感器和执行器，可以自由地与间隔层交换信息。间隔层的设备大多数需要从设备层的电压和电流互感器采集正常和事故情况下的电压值和电流值，采集设备的状态信息和故障诊断信息，这些信息包括：断路器和隔离开关位置，主变压器分接头位置，变压器、互感器、避雷器的诊断信息以及断路器操作信息。

b.间隔层内部的通信

间隔层内部的通信是在一个间隔层内部相关的功能模块间，即继电保护和控制、监视、测量之间的数据交换。这类信息有测量数据、断路器状态、器件的运行状态、同步采样信息等。

c.间隔层之间的通信

不同间隔层之间的数据交换有主、后备继电保护工作状态、互锁，相关保护动作闭锁，无功补偿综合控制等信息。

d. 间隔层和变电站层的通信

间隔层和变电站层的通信内容较为丰富，概括起来共3类。

e.变电站层的内部通信

变电站层的不同设备之间的通信.要根据各设备的任务和功能的特点，传输所需的测量信息、状态信息和操作命令等。

（2）变电站与调度中心的通信

变电站自动化系统应具有与电力系统调度中心通信的功能，不另设独立的远动装置，而由通信控制器执行远动功能，把变电站所需测量的模拟量、电能量、状态信息和SOE（事件顺序记录）等信息传送至调度中心。变电站不仅要向调度中心发送测量和监视信息，而且要从上级调度中心接收数据和控制命令。

4.工业以太网应用于数字化变电站系统

工业以太网应用广泛，通信速率高，价格低廉，标准开放，已成为变电站自动化系统过程总线的首选。数字化变电站以新型互感器代替了常规继电保护、测控等装置的I/O部分，以交换式以太网和光缆组成的网络通信系统代替了以往的二次回路及其线缆;基于微电子技术的IED设备实现了信息的集成化应用，以功能、信息的冗余代替了常规变电站装置的冗余，系统可实现分层分布设计;一次设备智能化技术的实现使得控制回路实现了数字化应用，常规变电站部分功能可以直接在底层实现，整个变电站可以实现小型化、紧凑化的设计与布置。

5.目前存在的问题

（1）各层之间及层内的通信系统不统一

由于各种原因。数字化变电站的各层之间及同层内的通信系统不统一，造成多种通信系统混用的情况。这样的系统不易维护且易发生通信故障。

（2）工业以太网通信标准众多且互不兼容

目前基于工业以太网的国际通信标准有十几种之多，且相互不能兼容。因此如何选取合适的通信标准是一个重要问题。在数字化变电站自动化领域，采用统一的IEC 61850标准的呼声很高，这对于变电站通信系统的发展是十分有利的。

（3）IEC 61850标准有待完善

IEC 61850标准自诞生之日起就存在多个不同的版本，不同厂家基于IEC 61850标准的产品也不能100% 兼容。同时，IEC 61850自身也在不断完善，不断有新的版本推出。因此，尽快完善IEC 61850标准并使各厂家在统一的标准下开发相关设备是十分必要的。

6.目前存在问题的解决办法

（1）解决各层之间及层内的通信系统不统一问题的办法

网络通信方案是构成变电站自动化系统至关重要的环节，由于变电站的特殊环境和自动化系统的要求，并且受到性能、价格、硬件、软件、用户策略等诸多因素的影响，其通信网络方案的选择很难一概而论，不同类型的变电站对自动化系统的通信网络有不同的要求，变电站自动化系统的网络通信方案选择和设计应遵循下列基本原则：通信网络具有合理的分层式结构;各层之间和层内选择适当的通信方式;高可靠性和快速实时响应能力;优良的电磁兼容性能。

（2）解决工业以太网通信标准众多且互不兼容问题的办法

由于多个制造商提供的IEC 61850系列标准兼容装置不仅分布在变电站，而且分布在电网各处，故这些装置所用的时间标志应有统一的格式。时间模型和格式要求规定如下：

a.精度不同应有不同时间精度要求。

b.时间标志应基于现有的时间标准（UTC通常被作为基准时间）。

c.时间模型应能跟踪闰秒，并提供足够的信息，使得使用者可计算跨过闰秒边界的成对时间时间差。

d.时间模型应提供足够的信息，是的客户无需附加信息，例如从起始时间至当前的闰秒数，计算日期和时间。

e.时间标记信息应容易从商业可用时间资源中获得。

f.总的时间模型应包括可计算当地时间的信息。

g.时间模型应允许偏离当地时间半小时。

h.时间模型应指示夏时制是否有效。

i.时标格式至少维护使用100年。

j.时间格式应紧凑，计算机易操作。

这些基本时间要求是系统要求，但系统是由装置组成的，因此，若需要的话，装置应支持这些要求。

（3）IEC 61850标准的完善

IEC 61850协议是变电站自动化系统建设的依据，故完善IEC 61850标准并使各厂家在统一的标准下开发相关设备是解决其问题的关键。

7.结束语

变电站自动化系统正逐渐在向数字化、网络化、集成化方向发展。数字化变电站采用新型电流和电压互感器，智能断路器等技术，利用高速以太网构成变电站数据采集和传输系统，并实现基于IEC 61850标准的统一信息建模。因此。数字化变电站在常规变电站自动化技术的基础上实现了巨大的跨越。

参考文献

[1]陈磊.从现场总线到工业以太网的实时性问题研究[D].浙江大学，2004年

[2]陆明浩.现场总线的发展趋向——工业以太网的应用[J].IB智能建筑与城市信息，2004年10期.

[3]赵联祥.基于以太网的工业控制系统的研究与应用[D].浙江大学，2004年.

[4]谭文恕.变电站通信网络和系统协议IEC61850介绍[J].电网技术，2001年09期.

[5]彭杰，应启戛.交换式以太网用于工业实时通信的分析[J].低压电器，2007年01期.

[6]陈原子.数字化变电站通信网络构架研究[D].浙江大学，2011年.

[7]张浩.变电站自动化系统的网络构建[J].安徽电气工程职业技术学院学报，2005年01期.

[8]所旭，张萍.无线通信技术应用于变电站自动化的探讨[J].电力系统自动化，2004年17期.

[9]任雁铭.变电站计算机通信网络和系统的研究[D].华北电力大学，2000年.

[10]朱世欣.工业以太网新一代的工业现场总线技术[J].甘肃科技，2005年12期.

作者简介：范璇（1992—），辽宁北票人，女，研究方向：测控技术与仪器。