智能变电站行波选线技术应用通信方案分析

王宾，倪江，董新洲

(清华大学电机工程及应用电子技术系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京100084)

智能变电站行波选线技术应用通信方案分析

王宾，倪江，董新洲

(清华大学电机工程及应用电子技术系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京100084)

行波相比于工频信号而言，具有不受系统振荡、过渡电阻、CT饱和、中性点运行方式等影响，在故障检测领域优势显著。但行波信号采样率往往达到工频信号采样率的500～1000倍左右，采样值直接应用于基于IEC61850协议的智能变电站过程层网络通信，不仅无法实现保护控制性能的提高，反而会引起通信阻塞。针对该问题，论文从行波信号故障特征有效表达的角度出发，提出了多间隔行波信息共享对过程层网络传输的通信要求，并结合行波选线在配电变电站中的应用需求，理论分析并仿真检验了数据通信实时性约束下行波暂态信号共享可用的最高频带，提出了两种不同的数据预处理及通信解决方案。研究成果有利于促进暂态行波技术在智能变电站中的推广应用。

IEC61850;过程层通信;行波信号共享;数据预处理;合并单元

1 引言

目前实施的数字化变电站过程层通信主要是基于IEC61850通信协议的点对点通信，毫无疑问相比传统变电站，智能变电站主要优势体现在对跨间隔站域、全频带信息的共享、融合和有效利用，智能变电站的过程层可以有效解决设备容易受干扰、高低压不能有效隔离、信息不能共享等问题［1］;特别是针对规模化光伏、风电等大容量间歇性清洁能源并网变电站，多间隔信息的共享不仅能提高继电保护动作的自适应性，而且能有效地促进保护与控制的紧密结合，提高配电网应对分布式电源接入导致的低电压穿越容量不足诱发连锁故障、谐波含量超标等扰动的能力，促进电网对新能源的有效接纳。

跨间隔站域信息，体现出了对过程层SAV总线通信的要求;而全频带信息则更强调对直流分量直至暂态行波整个故障信息频带的横向利用。暂态行波信号相比于工频信号对保护而言，具有不受系统振荡、过渡电阻、CT饱和、中性点接地方式等的影响，技术优势显著，目前在现场中已经得到了广泛的应用和证实［2］。为了保证数据采集精度和有效性，行波信号采样率往往达到工频信号采样率的500～1000倍左右。基于OPNET软件仿真100Mbit/s以太网过程总线通信，采样率上升至每周波1000～1553点时，只能保证单间隔数据的实时传输［3］。多终端高清视频会议与变电站多间隔大流量数据通信问题类似，视频分辨力能够达到1920×1080p@30f/ s(帧/秒)，但测试结果表明视频会议的传输延迟在1s左右［4］，满足不了保护控制的实时性要求。

风电、光伏等清洁能源接入的中性点非有效接地配电变电站中，基于行波原理的故障选线技术最为典型:同步采集多间隔行波电流，采样率达到1MHz，且为了防止单相接地诱发连锁故障，要求具备快速跳闸能力，这些对基于IEC61850协议的智能变电站过程层通信方案提出了严格的技术要求［5］。

针对该问题，论文从行波信号故障特征有效表达的角度出发，提出了多间隔行波信息共享对过程层网络传输的通信要求，并结合行波选线在智能变电站中的应用需求，理论分析并仿真检验了数据通信实时性约束下的行波暂态信号共享可用最高频带，提出了两种不同的数据预处理及通信解决方案。

2 基于IEC61850的过程层通信特性分析

图1为风电场并网配电变电站过程层通信网络拓扑示意图。合并单元MU(Merging Unit)采集电气量并通过SV报文形式(Sampling Value，采样值报文)发送，以太网通信网络传递数据，保护测控设备IED(Intelligent Electronic Device)接收报文数据。

图1 风电并网拓扑及智能变电站过程层通信拓扑结构图Fig．1Communication topology of process level in substation based on IEC61850 with wind farms connections

由图1可见，影响变电站过程层通信时延有以下四个因素:①通信数据流量;②以太网通信能力;③交换机性能;④合并单元及保护测控IED的数据处理能力。下文逐一进行性能分析。

2.1 通信数据流量分析

过程层SV报文通信流量为:

式中，n为间隔数;Lm为通信报文长度;ft为报文传输频率。根据IEC61850-9-2帧结构定义，SV报文包括:7字节以太网帧前导码(Preamble)、1字节帧开始符(SFD)、12字节MAC首部、4字节优先级标记、2字节以太网类型(Type)、8字节以太网类型PDU、46字节基本数据集ASDU(一般只有1个基本数据集)以及4字节帧校验序列(FCS)，共84字节，即Lm=84Byte=84×8bit。

报文传输频率ft和间隔数n取值一般针对保护测控IED功能的不同而不同，对于常规面向单间隔的基于工频量的保护装置，比如过电流保护、距离保护等，输入电压、电流信号每周波采样至少20点，假设采样率每周波取值20点，则报文传输频率为ft= 1kHz，计算通信数据流量得到:

对于行波选线装置，为了有效获取行波初始波头，装置电流采样率及报文传输频率最小取值为ft=500kHz，则5个间隔共享通信数据流量至少需要:

2.2 以太网通信能力分析

根据现场经验，以太网占用带宽比例在78%以下时［6］，能够保证网络通信的实时性和可靠性。因此，在保证网络通信实时性和可靠性的前提下，理论上过程层以太网最多能够承受的报文传输频率为:

式中，B为以太网传输速率;ηm为以太网占用带宽最大比例，取值78%。

图2给出了百兆和千兆以太网在不同间隔数下能够承受的SV报文传输频率最大值。可见，百兆以太网无法满足行波选线要求的报文传输频率，而千兆以太网也只能满足1～3路间隔行波报文的信息共享。

图2 百兆、千兆以太网在不同间隔数下能够承受的SV报文传输频率Fig．2Maximum SV message transmission frequency based on 100M and 1000M Ethernet

2.3 交换机性能分析

交换机是网络通信的核心部件，智能变电站网络交换机影响整个变电站的可靠和稳定［7］，其性能衡量指标为包转发速率P——交换机在单位时间内能够转发的数据包的数量，一般在几十kpps(千包每秒)到几百Mpps(百万包每秒)不等。在满足交换机端口数超过间隔数、端口带宽与以太网带宽匹配的前提下，交换机最多能承受的报文传输频率为:可见，当交换机P＞10Mpps时，其性能能够承受报文传输频率为1MHz、10路间隔以上的行波选线功能。10Mpps的交换机目前不难获取，因此一般来说，交换机并不是通信网络的瓶颈。

2.4 合并单元及保护测控IED数据处理能力分析

合并单元及保护测控IED收发报文的能力主要取决于其CPU及以太网接口芯片特性。以目前主流IED采用的LPC22xx系列ARM芯片为例，其性能为100～200MIPS(每秒处理百万级的机器语言指令数)，一般仅支持百兆以太网，而不支持千兆以太网工作。

此外，当IED的CPU利用率较高时，其处理报文能力将下降，会导致通信时延增加。因此，为了保证过程层通信的实时性，IED硬件和软件运行环境如缓冲区大小、CPU处理能力、实时操作系统的中断处理能力以及任务调度算法等，必须仔细选取，正确配置［8］。

2.5 网络通信瓶颈分析及解决思路

由以上分析可见，智能变电站过程层行波信息共享的主要通信瓶颈在于:①百兆以太网的数据传输能力;②合并单元及保护测控IED的通信数据处理能力。

可行的解决思路有两种:①全面升级智能变电站的通信网络及各IED通信接口为千兆网，能够满足3间隔以下的变电站通信共享要求，但是投资昂贵，而且共享的间隔数有限;②基于现有百兆以太网络，针对行波信号中蕴含的故障特征，采用合并单元采集暂态行波信号预处理的方式，实现多间隔的信息实时共享。数据预处理降低通信数据流量有两类方法:①报文打包压缩技术;②故障特征抽取技术。

3 行波暂态数据预处理技术分析

3.1 报文打包压缩技术

报文打包压缩主要包括以下环节:①合并单元完成单次采样后储存采样值;②累计采样点达到一定数目后，打包数据并进行压缩处理，然后按照SV报文格式发送;③间隔层保护IED接收报文并解压缩得到采样数据。

报文数据压缩算法有多种，在电力系统保护测控应用中主要有如下三种:①快速傅里叶算法(FFT):该算法通过对频谱的取舍完成数据压缩处理，计算速度快;②离散余弦变换(DCT):是目前最为常用的信号压缩方法，方法简单、速度较快、误差小［9］;③基于匹配小波的信号压缩:原始信号经匹配小波滤波后得到的小波系数能量集中，误差小，压缩比高［10］。

压缩比取2时，Matlab仿真对比三种压缩算法的计算速度与准确度，结果如表1所示，其中基于匹配小波的信号压缩采用DWT离散小波变换，原始信号为:

表1 不同算法的时延与误差对比Tab．1Time delay and error in different algorithms

累积30个采样点数据后的SV报文长度为:

通信数据流量为:

可见，通信数据流量比未压缩前流量1680Mbps减少了70%左右，此时，基于千兆以太网能够满足多路间隔500kHz的行波选线通信要求。图3给出了5个间隔、含30采样点、数据压缩比为2的SV报文传输所产生的时延OPNET仿真图，时延大约为26.6μs。

图3 含30采样点的压缩SV报文千兆以太网传输时延Fig．3Transmission delay of compressed SV message with 30 sampling points on 1000M Ethernet

整个通信过程的理论时延计算如下:式中，TMU为合并单元的压缩处理时延;Td为以太网的报文传输时延;TIED为保护测控设备的解码处理时延。再考虑到累积30个采样点所需的300μs的时延，整个数据采集通信过程的延时不超过1ms，能够满足选线跳闸及后续控制的实时性要求。

但需要指出，报文打包压缩技术是以降低了数据精度为代价的;而且上述计算理论时延值是基于PC机高性能CPU计算的结果，而实际保护测控IED装置一般采用DSP或ARM系列的单片机，计算性能下降，会导致时延增加。此外，百兆以太网的通信网络系统即使使用报文打包压缩技术也不能够满足多间隔高采样率的数据传输要求。

3.2 故障特征抽取技术

行波选线原理上需要提取多间隔暂态行波信号的极性和幅值快速、准确地判断故障发生的线路［11］。实际上保护IED并不需要大容量的行波信号采样值，因此可在合并单元中提取多间隔暂态行波信号的幅值和极性作为中间数据，再将中间数据通过通信网络传输给行波选线装置，解决通信阻塞问题。具体包括下文所述三个步骤。

3.2.1 合并单元故障特征抽取

根据间隔层保护测控IED的功能，确定中间数据的类型，比如行波选线IED所需求的行波极性及幅值大小;数据处理与传输的流程如图4所示。

图4 数据处理与传输的流程Fig．4Process of data processing and transmission

其中合并单元中故障特征的提取算法有多种选择，比如:小波变换法［12］、数学形态学法［13］、希尔伯特-黄变换法(HHT)法等。不同算法的选择原则上取决于保护测控IED的功能要求，但需要注意:小波变换算法如何选取最优小波基函数和尺度分析是关键;数学形态学能否正确检出变化平缓的行波波头是可能存在的问题之一，希尔伯特-黄变换法易受雷击等干扰因素的影响，在非故障性雷击时可能会误动作［14］。以行波选线IED功能要求为例，其要求行波初始波头的极性和幅值大小，一般建议采用B样条函数导函数为小波函数的二进小波变换方法。

3.2.2 合并单元中重构SV报文信息

图5给出了IEC61850-9-2中SV报文帧格式要求，采用TLV(Type-Length-Value)三元组格式进行编码和解码，应用协议数据单元(Application Protocol Data Unit，APDU)中含有2个应用服务数据单元(Application Service Data Unit，ASDU)，每个ASDU提供12路模拟通道的基本数据。

图5 基于IEC61850-9-2 SV报文帧格式要求Fig．5SV message format requirements based on IEC61850-9-2

重构SV报文通信需将中间数据添加或替换到ASDU数据集中。以行波选线为例，合并单元预处理技术在SV报文中添加一组用于判断故障线路的行波特征值，比如:暂态行波信号小波变换模极大值的极性和幅值，初始行波多分辨形态梯度法局部极大值的位置和大小或者基于HHT行波波头瞬时频率等。

3.2.3 通信网络中降低报文传输频率

传统上，合并单元中SV报文的传输频率等于信号的采样率。采用数据预处理技术后，合并单元可以大幅降低报文传输频率，只需满足跳闸时间的要求即可。IEC61850中规定跳闸是变电站中最重要的快速报文，总传输时间应小于3ms。

设合并单元报文发送间隔时间为Tsend，则整个通信过程时延为:

对于不同的数据处理方法，合并单元的数据处理时间TMU不同，一般都在1ms以内。百兆以太网下，单采样点SV报文(84Byte)的传输时延OPNET仿真如图6所示，约为41.5μs。因此，间隔时间Tsend只要小于1.98ms即可。采用数据预处理后，行波SV报文的传输频率完全可降低到工频信号采样率1000Hz左右，可以实现同一个合并单元工频信号与行波信号传输的兼容性。

图6 单采样点SV报文100M以太网传输时延Fig．6Transmission delay of SV message on 100M Ethernet

4 试验测试

针对上述基于故障特征抽取的通信方案，对典型中性点非有效接地系统单相接地故障建模，对比分析了基于Matlab以及实际硬件平台的数据处理性能。

基于EMTP/ATP仿真软件建模故障场景，配电系统拓扑如图7所示，其中变压器等级110/35kV，高、低压侧阻抗分别为1.07+j12.2099Ω、0.1083+ j0.3016Ω;单位线路参数为:电阻0.046Ω/km、电抗0.3119Ω/km，三条馈线长度分别为20km、10km和40km;负荷为对称三角形阻抗，阻抗值取为400+ j220Ω。

图7 小电流接地系统单相接地故障示意图Fig．7Single line to ground fault in non-effective neutral grounding distribution system

仿真测试过程中，PC机运行IAR嵌入式集成实时开发软件操作ARM芯片内核中下载的测试程序，并实时监测其中的状态变量，ARM芯片通过光纤接口、光电转换模块采集故障数据，并将计算结果发送到PC机中，PC机同步运行Wireshark网络数据抓包软件观测以太网发送到上位机的数据包的正确性［15］。

ARM芯片程序处理流程如图8所示。故障初始波头仿真结果对比如表2所示。

实际硬件平台测试精度与Matalb软件测试精度一致，且判断出口时间均小于2s，满足风电场对小电流接地故障出口时间要求，证实了该技术在智能站过程总线中应用的可行性。

图8 ARM芯片程序处理流程图Fig．8Program flow chart in ARM chip

表2 仿真测试结果Tab．2Contrast of test results

5 结论

配电变电站多间隔暂态行波信号的共享应用能大幅度提高故障检测与控制的性能，但是在基于IEC61850通信的智能变电站过程层中直接应用将会导致通信阻塞。论文分析了整个过程层通信链路的通信性能，提出了在合并单元中报文打包压缩和故障特征抽取两个数据预处理的解决方案，论证分析了方案的可行性，并以行波选线IED为例，给出了明确的数据处理算法、报文构造结构以及报文传输频率。论文研究将促进基于暂态行波信号的保护测控装置在智能变电站中的应用，但是也需要指出，论文后续工作还需要进一步分析与现有合并单元行业规范和标准的有效兼容问题。

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Communication solution of travelling wave based fault feeder selection technique in smart distribution substation

WANG Bin，NI Jiang，DONG Xin-zhou
(State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments，Dept．of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

Compared to the frequency wave signals，the traveling wave can not be influenced by system oscillation，transition resistance，CT saturation and the neutral point operation mode，especially in the field of fault detection

(，cont．on p.22)

(，cont．from p.6)and protection technology．However，traveling wave signal sampling tends to reach a rate of 500 to 1000 times the sampling rate of frequency signal．For digital substation based on the process level network communication，if using the entire transient traveling wave sampled data，the protection and control system performance can not be improved and even the communication network will lead to a blocking traffic which affects the safety of the entire substation．To solve this problem，this paper proceeding from the effective expression of traveling wave signal，puts forward to the process level network communication requirements on traveling wave，and combines with the requirements of traveling wave line selection in distribution substation，simulates and tests maximum wave band of traveling transient signal under the constraint of real-time data communication．This paper presents two different data processing and communication solutions．This paper promotes the traveling wave popularization and application in digital substation technology．

IEC61850;process level communication;traveling wave sharing;data preprocessing;merging unit

TM774

A

1003-3076(2014)10-0001-06

2014-05-23

国家自然科学基金(51120175001)、电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室基金(SKLD13M11)、新能源电力系统国家重点实验室开放课题(LAPS13004)资助项目

王宾(1978-)，男，山东籍，副教授，博士，主要从事电力系统继电保护方向的研究和教学工作;倪江(1990-)，男，四川籍，硕士研究生，研究方向为电力系统故障检测等。