基于IEC61850 的高压变电站自动化保护系统

吴雯

（国网江苏省电力有限公司常州供电分公司，江苏 常州 213000）

IEC61850由于运行可靠和成本效益高，具备智能诊断工具，并且可以降低维护成本、改善通信能力、易于测试及调试、减少终端点数目、缩短项目时间等优点，正逐渐得到变电站系统的应用。使用IEC61850的变电站在其数字布线方案中使用光纤（FO）和以太网电缆，并配有智能电子设备（IED）［1］。这些简易装置之间相互通信，并以微秒速度在各种保护装置之间传输数据。然而，IEC61850协议有其自身的问题。当多厂商设备（如IED、交换机和合并单元（MU））在变电站自动化系统（SAS）中连接时，由于特色问题而造成延迟。传输数据包的通信或延迟可能进一步导致互操作性问题［2-3］。为了缓解这些问题，变电站需要投入额外的设备，使整个电路复杂化。

简易IED装置之间的通信通常是在使用FO电缆的以太网平台上进行的，FO接线和连接在很大程度上减少了SAS网络中的铜线使用。根据IEC61850标准，在测试过程中，预计不会出现单点故障，这可能导致SAS无法操作［4-5］。因此，本文研究和实验特定拓扑结构下多设备IED中GOOSE 信息传递延迟时间的相关性能是非常有意义的。

1 站控总线技术分析

1.1 启用IEC61850变电站的功能级别

一个典型的SAS有三个关键功能，如图1所示。主要功能是控制、监测和保护，这是在一个具有IEC61850的数字高压变电站中进行的，该变电站具有三个层次的功能层次，即站控层次、间隔层次、过程层次。

图1 变电站自动化系统接口模型

在工艺层面，开关站仪表变压器的模拟电流和电压被输入合并数据库。模拟信号转换成数字数据包，并通过局域网（LAN）上的FO电缆传输，用于间隔层水平的保护和控制设备。这些数字信号不断地扫描网络，并通过相关的IED装置寻找跳闸、故障、可用、报警等事件。在站控级，对来自不同间隔层的数据进行处理和实现，并被集成以执行保护和控制功能。这种使用FO和以太网电缆的方法显著降低了二次铜线的使用成本。在一个实际装置中，以10/100Mbs/s 的局域网速度进行性能测试，从保护和可靠性的角度分析，这些性能测试足以符合在星型拓扑中的测试速度。

如图2显示了SAS 网络中的星型拓扑结构。在此体系结构中，每个级别都使用以太网交换机直接连接到一个中心节点。这种拓扑通过使用节点设备交换机（如交换机、冗余盒等）的以太网链路进一步扩展，连接站控制器的以太网交换机。总体拓扑结构符合IEC61850标准的要求。

图2 变电站自动化系统的星型架构

在基于IEC61850环境的实际场景中，典型的信息传输速率从类型1到类型5不等，传输数据包延迟从0到1000毫秒不等。时间关键信息是类型1，通常需要在变电站保护跳闸，并有二进制代码包含数据、命令和简单的信息。在变电站环境中，从保护的角度来看，跳闸时间是至关重要的，如表1中列出了典型的类型1消息跳闸时间。

表1 类型1信息的跳闸时间

1.2 基于OPNET的以太网体系结构

基于优化网络工程工具（OPNET）模拟了一个典型的110/10kV 变电站的星型结构模型，在实验室中，考虑了10-Mb/s和100-Mb/s 的局域网速度。不同类型信息的优先次序列于表2所示，为数字变电站内不同的IED装置提供服务。在给定的星型体系结构中，SAS根据IEC61850-5协议，所有时间关键消息，即倍率为类型1的消息，联锁是类型2的信息等，按降序分配优先级。

表2 信息类型

2 仿真及结果分析

2.1 基于OPNET建模的变电站设计

一个典型的110/10kV区域变电站如图3所示，其中两个110kV的输入端通过两个额定为110/10kV，40-MVA 的电力变压器以双冗余n-1方案连接到2×10kV开关板上，2×10kV单节母线通过母线接头连接，以便进行维护和停运。

图3 110/10kV 区间变电站线路图

图4是一个基于OPNET实验室的仿真，使用了星型拓扑结构，两个单总线A1和A5之间的总线连接，在闭合条件下，一个星型拓扑中的两个独立的进程总线连接到路由器1。母线分别被指定为A1和A5，如线路图3所示，并由一个10kV母线联络断路器隔离。双过程总线是指10kV电平的A1和A5母线接头处于ON位置的总线。局域网速度为10Mb/s，总线连接为ON和OFF的参数结果见表3。

表3 局域网速度为10MB/s时，单进程和双进程总线中延迟

图4 断开状态下带总线接头的进程总线

表3展示了单进程和双进程总线模式中的消息延迟，其采样速度从每秒256个采样到每秒960个采样不等。它还显示了从进程到站点服务器数据传输的平均和最大延迟。最大采样速度960是具备文件设置和传输数据的数据包。可以观察到，当局域网速度为10Mb/s 时，在X-Y坐标上的OPNET输出模型中显示了不同采样速度下单双进程总线的延迟，如图5（a-b）中时间与速度曲线为单进程线仿真图，图6（a-b）所示为双进程总线传输延迟。

图5 局域网速度为10Mb/s时，单进程总线数据传输延迟

图6 局域网速度为10Mb/s时，双进程总线数据传输延迟

图7展示了一个闭合状态下的进程总线，总线接口为ON。在10kV水平上考虑了A1和A5总线的数据传输，延迟时间列于表4中。对100Mb/s 的局域网速度进行了模拟，如图8（a-b）及图9（a-b）所示。此数据符合在SAS环境中涉及IED和交换机的现实场景的理想选择。

表4 局域网速度为100MB/s 时，单进程和双进程总线延迟

图7 总线接头在开关ON位置双线程

图8 局域网速度为100Mb/s时，单进程总线数据传输延迟

图9 局域网速度为100Mb/s时，双进程总线数据传输延迟

3 结果分析

在110/10kV 数字化变电站中，采用OPNET模拟器对两种局域网速度（10-Mb/s及100-Mb/s）进行仿真，观察具有类型IED 的星型拓扑结构中GOOSE信息传输的性能。在整个模拟过程中，采样速度不同，了解具有多类型IED、交换机和外围设备的典型星型配置的SAS网络的响应，同时评估IED之间数据传输的性能。

在局域网速度为10Mb/s时，单进程总线的局域网速度与双进程总线的延迟时间大致相同。此外，还观察到，10Mb/s的局域网速度下，容量足以确保网络中的延迟尽可能保持最低。以采样速度每秒960个为最大采样，网络中经历的最大延迟为0.005ms。这个数字相当低，它显示了严格的优先级调度在减少延迟方面的影响，优先级数据首先传输，以确保关键动作信号在尽可能短的时间内传输到最终目的地，实现最小延迟。

在10Mb/s的局域网速度下，网络负载增加了960个采样/s的最大量，信息传输的平均延迟时间增加了0.003ms。系统延迟一般是恒定的，因此，即使实施了严格的优先级调度，传输网络也可以处理大量的数据加载，以减少网络中的延迟。对于100Mb/s的局域网，系统表明它具有更高的稳定性，并显示出0.002ms的最大提升速度。显然，对于具有高电流容量的重要区域变电站，使用100Mb/s的总线连接开启的双隔间系统是有益的，因为它可以在尽可能小的延迟内传输数据。对于复杂的网络，可能会出现较大的延迟量。通过对队列中等待的数据包进行优先排序，从保护和可靠性的角度形成了一个关键的决策。

4 结论

总之，基于IEC61850的自动化保护系统以可靠的方式处理故障，同时又不影响保护速度。在数字通信平台上对SAS网络中的星形拓扑结构进行了性能评估。通过对星型拓扑中的IED进行性能测试，发现在100Mb/s 的局域网速度下，消息传输和延迟（包括功能问题和冗余） 问题能够得到更好地解决。然而，为了获得IEC61850的更广泛应运，SAS网络中所有组件的性能需要广泛评估进行，并为变电站设备接受。本文通过OPNET仿真验证了在间隔层和过程层通信时数据传输的速度和与数据包相关的延迟。模拟试验结果为高压变电站单、双母线开、关母联线保护和通信可靠性提供了依据，它解决了高压变电站使用继电保护的延迟问题，实验结果验证了多设备在高压变电站保护网中的运行及其可操作性能。