智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)-資料下載頁

【導(dǎo)讀】方案四與方案三實(shí)際的運(yùn)行方式相似，方案三用。IEEE1588進(jìn)行對(duì)時(shí)處理，而方案二是用國(guó)際流行的B碼對(duì)時(shí)。規(guī)約由IEC60870改為IEC61850，在這一點(diǎn)上3個(gè)方案是一致的。證一定冗余，即按照雙網(wǎng)方式組建，且必須同時(shí)工作于主機(jī)方式。敷設(shè)大量光纜的缺點(diǎn)，但其優(yōu)點(diǎn)是能夠保證數(shù)據(jù)響應(yīng)實(shí)時(shí)性。少光纜的鋪設(shè)，并促進(jìn)數(shù)據(jù)信息的共享互用。在采樣值和GOOSE共同組網(wǎng)的情況下，為了保證。優(yōu)先傳輸，減少重要幀的排隊(duì)延時(shí)。臺(tái)，但對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的要求相對(duì)較高，推廣難度較大。息、IEEE1588對(duì)時(shí)信息共網(wǎng)傳輸。間隔層與過程層合并單元遵循。IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)，與過程層智能終端采用GOOSE通信協(xié)議。一定的質(zhì)疑和擔(dān)憂。基于GOOSE傳送的信息對(duì)實(shí)時(shí)性以及。是數(shù)字化變電站組網(wǎng)方式發(fā)展的目標(biāo)。GOOSE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要有裝置單環(huán)網(wǎng)、交換機(jī)環(huán)形網(wǎng)和星形網(wǎng)，障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)通信將受到較大影響。對(duì)于環(huán)形的結(jié)構(gòu)，具體延遲及網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴等，亦應(yīng)做具體評(píng)估。的可靠性、實(shí)時(shí)性及安全性有著關(guān)鍵的作用。

　　

【正文】 光纖）； BCU間隔控制單元； BPU間隔保護(hù)單元； BU間隔單元； RTU遠(yuǎn)方終端單元。以下計(jì)算采用表 1所列的元件可靠性參數(shù)。 假定網(wǎng)絡(luò)介 質(zhì)可靠性遠(yuǎn)大于裝置，故障率為 。 傳統(tǒng)保護(hù)的典型 MTTF為 100 年。由于 I/O下放，全數(shù)字化保護(hù)裝置可靠性較傳統(tǒng)保護(hù)更高，假定其 MTTF 為 150 年（則故障率為 ）。由于 MU 基于硬件實(shí)現(xiàn)，假定其 MTTF 也可達(dá)到 150 年。 根據(jù)現(xiàn)有廠家提供的數(shù)據(jù)，交換機(jī)的 MTTF 最高為 50 年，即故障率為 。假定所有設(shè)備的 MTTR為 24 h。 經(jīng)相關(guān)計(jì)算， 在站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)皆采用基于 PRP 的并行冗余網(wǎng)絡(luò)后，各間隔功能的可用性皆可以達(dá)到 IEC 61508中所規(guī)定的最高可 靠性級(jí)別：第 4 級(jí)。而全站的總體可靠性也達(dá)到了第 3級(jí)。 G 采樣值的延時(shí)特性 a 延時(shí)特性 SAV報(bào)文遵循 IEC 6185092 規(guī)約，幀格式可靈活配置，報(bào)文長(zhǎng)度不固定給傳輸延時(shí)帶來不確定性，工程應(yīng)用亦較少，實(shí)時(shí)性有待驗(yàn)證。 傳統(tǒng)變電站采用電磁式互感器，輸出的模擬量采樣值經(jīng)電纜直接并行送入二次設(shè)備，采樣值傳輸延時(shí)固定且數(shù)值很小，由保護(hù)設(shè)備完成多路模擬量的同步采樣。智能變電站采用電子式互感器，輸出的數(shù)字量采樣值經(jīng)合并單元 (merging unit， MU)和以太網(wǎng)交換機(jī) (switch)共享至過程總線，傳輸延 時(shí)不固定，由合并單元實(shí)現(xiàn)多路采樣值的時(shí)間同步，由以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn) SAV 報(bào)文的雙向總線型串行傳輸，采樣值傳輸?shù)臅r(shí)序分布見 下圖所示 。 采樣值傳輸?shù)臅r(shí)序分布 電子式互感器、合并單元和以太網(wǎng)交換機(jī)在傳輸采樣值過程中會(huì)引入一定的時(shí)間延遲，為便于說明， ECT/EVT 與 MU 的延時(shí)定義為 td， MU 至 IED 的延時(shí)定義為 Td。 td不僅為單路采樣值帶來相位誤差，還會(huì)造成多路采樣值傳輸時(shí)序的不同步； Td受網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量、突發(fā)性數(shù)據(jù)尖峰等因素的影響，易導(dǎo)致延遲時(shí)間不確定，影響 SAV報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。 電子式互感器負(fù)責(zé) 一次設(shè)備模擬量的采集與發(fā)送，數(shù)據(jù)處理過程中產(chǎn)生的延時(shí)可換算成相應(yīng)的相位差 。 通過在合并單元內(nèi)加載相位差信息即可通過軟件將采樣時(shí)標(biāo)歸算 到采集值的實(shí)際采樣時(shí)刻， 進(jìn)而通過 GPS 秒脈沖或插值算法實(shí)現(xiàn)多路采集器間的時(shí)序同步 。 一次模擬量采樣值經(jīng)合并單元相位補(bǔ)償和同步采樣后，通過以太網(wǎng)幀格式向過程總線傳輸 SAV報(bào)文，傳輸過程中引起的傳輸延時(shí) Td，即發(fā)送節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序發(fā)出報(bào)文到接收節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序接收到報(bào)文的時(shí)間間隔，涉及不同物理裝置 (如以太網(wǎng)交換機(jī)通信處理機(jī)的工作延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)，具體如 下圖所示。 報(bào)文延遲時(shí)間處理 1）報(bào)文處理延時(shí) t t2。報(bào)文處理延時(shí)主要包括發(fā)送節(jié)點(diǎn)通信處理機(jī)協(xié)議打包延遲 t1和接收節(jié)點(diǎn)通信處理機(jī)協(xié)議解包延遲 t2，與通信處理機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)和性能有關(guān)，采用合適的微處理器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及高效的協(xié)議編碼 /解碼算法可保證 t1/t2 數(shù)值的確定性。以交換機(jī)為例，報(bào)文處理延時(shí) t1固定，大小取決于交換機(jī)芯片處理媒介訪問控制 (medium access control， MAC)地址表、虛擬局域網(wǎng) (virtual local area work， VLAN)、優(yōu)先級(jí)等功能的速度，一般工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的報(bào)文處理延 時(shí)不超過 10μ s。 2） 報(bào)文發(fā)送延時(shí) tsm。交換機(jī)采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，當(dāng)接收到完整數(shù)據(jù)報(bào)文之后才開始轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文，從而支持不同速率端口之間數(shù)據(jù)報(bào)文的交換，保持高速端口與低速端口間的協(xié)同工作。存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文引起的延時(shí) tsm與數(shù)據(jù)報(bào)文長(zhǎng)度 L、數(shù)據(jù)速率 r有關(guān)，可表示為 tsm = L/r。 3） 報(bào)文傳播延時(shí) tp。物理裝置之間的數(shù)據(jù)報(bào)文在光纖鏈路中以接近光的速度傳播所需的時(shí)間為 tp，廣域網(wǎng) (wide area work， WAN)中遠(yuǎn)距離傳播延時(shí)可達(dá) ms 級(jí)，而局域網(wǎng) (local area work， LAN)中傳播延時(shí)一般只有幾μ s 或幾十μ s，在整個(gè)通信延遲中所占比例很小。 tp的大小取決于鏈路物理特性和傳播距離，與傳播信息量無關(guān)，假設(shè)源端口和目的端口間的物理距離為 D，光速為 c，傳輸介質(zhì)修正系數(shù)為 k(同軸電纜中 k約為 )，傳播延時(shí)可表示為 tp = D / (kc)。 4） 報(bào)文排隊(duì)延時(shí) tq。網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量的臨時(shí)增大將造成其經(jīng)過的交換機(jī)負(fù)載增大，數(shù)據(jù)報(bào)文須要排隊(duì)等待交換機(jī)處理，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)報(bào)文延時(shí)瞬間增大， tq即為數(shù)據(jù)報(bào)文在傳輸路徑上每交換一次所引起緩沖延時(shí)的總和。 tq與隊(duì)列前面的報(bào)文數(shù)量和輸出端口的傳送速 度均相關(guān)，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況的隨機(jī)性造成 tq不確定，工程中一般通過預(yù)測(cè)負(fù)荷近似估算 tq。 IEC 6185091和 IEC 6185092都采用了以太網(wǎng)通信技術(shù)。前者規(guī)定過程層與間隔層采用單向多路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信，通過光纖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單向傳輸數(shù)據(jù)，不存在數(shù)據(jù)報(bào)文沖突及存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)問題， Td = t1 + tp + t2；后者規(guī)定過程層與間隔層基于過程總線通信，采用以太網(wǎng)交換機(jī)過程層組網(wǎng)，不僅支持過程層與間隔層之間數(shù)據(jù)的雙向傳輸，還支持間隔層數(shù)據(jù)信息的相互傳輸，對(duì)電流 /電壓的采樣率和間隔層的內(nèi)部通信等有更高要求， Td = t1 + tq + tsm + tp + t2。 IEC6185010 從一致性測(cè)試角度出發(fā)，提出 t1和 t2 固定可測(cè)，給出 t t2的性能指標(biāo) (小于報(bào)文類型定義的整個(gè)傳輸時(shí)間的 40%)和測(cè)試方法，并提出制造商應(yīng)用文件說明設(shè)備的延時(shí)情況，是檢驗(yàn) IED關(guān)于設(shè)備事件通信時(shí)標(biāo)能力的重要指標(biāo)。相比之下， tq、 tsm、 tp 等不再是 IED 的屬性，而由以太網(wǎng)絡(luò)底層結(jié)構(gòu)決定，隨通信網(wǎng)絡(luò)和接口設(shè)備負(fù)載變化而改變，針對(duì)其的測(cè)量預(yù)算是目前工程中面臨的主要問題。 b 實(shí)時(shí)計(jì)算范例 以一座 220 kV雙母線接線變電站為 例，說明采樣值傳輸延時(shí)的測(cè)算方法。假定該變電站內(nèi)有主變 2臺(tái)， 220 kV出線 2回。為保證間隔的獨(dú)立性，各間隔配置獨(dú)立的間隔交換機(jī)，并通過中心交換機(jī)相互連接，同時(shí)滿足系統(tǒng)雙重化冗余設(shè)計(jì)要求。 220 kV線路間隔通過 1 臺(tái)合并單元和 1臺(tái)智能單元實(shí)現(xiàn) 220 kV線路保護(hù)和測(cè)控功能， 220 kV母聯(lián)間隔采集本間隔和母線 PT間隔的數(shù)字量和狀態(tài)量實(shí)現(xiàn) 220 kV母聯(lián)保護(hù)測(cè)控功能，母差保護(hù) IED跨間隔采集信息實(shí)現(xiàn) 220 kV母差保護(hù)功能。其線路間隔、母線 PT 間隔和母聯(lián)間隔的通信系網(wǎng)絡(luò)如 下 圖 所示。 遵循 GOOSE規(guī)約的 GOOSE 報(bào)文長(zhǎng)度一般為 76~752 字節(jié)，典型 GOOSE報(bào)文的長(zhǎng)度為 200 字節(jié)左右；而遵循 IEC6185092規(guī)約的 SAV報(bào)文可靈活配置，其報(bào)文長(zhǎng)度由配置內(nèi)容和編碼方式?jīng)Q定。 IEC 6185092 采用 TLV(typelengthvalue)三元組格式進(jìn)行編碼和解碼，鑒于以太網(wǎng)幀最大長(zhǎng)度限制為 1522 字節(jié)，長(zhǎng)度 length 最少占用 1 個(gè)字節(jié)、最大占用 3 個(gè)字節(jié)，采樣值控制塊 svID 最少占用 2 字節(jié)、最多占用 39 字節(jié)，另外每個(gè)采樣值數(shù)據(jù)占 4 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)值和 4 個(gè)字節(jié) 的數(shù)據(jù)品質(zhì)。參照 IEC6185092LE(下圖 )。 基于 IEC6185092LE 的 SAV 報(bào)文幀格式 應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (application protocol data unit， APDU)提供 8 路模擬通道的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集， 每個(gè) APDU中含有 n個(gè)應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元 (application service data unit， ASDU)，因此每幀 SAV 報(bào)文的長(zhǎng)度為 (48 + n 121)~ (54 + n 172)字節(jié)。為便于分析，以下假設(shè)保護(hù)用數(shù)據(jù)以每周期 80 點(diǎn)采樣、計(jì)量用數(shù)據(jù)以每 周期 256 點(diǎn)采樣，每個(gè)APDU中含 1個(gè) ASDU， SAV報(bào)文長(zhǎng)度為 169~226字節(jié)。假設(shè)該變電站采用 100 Mbit/s 的 16 多模光口交換機(jī)，同軸電纜長(zhǎng) 1km，根據(jù)數(shù)據(jù)流量等于報(bào)文長(zhǎng)度和采樣率的乘積以及上文分析的延時(shí)公式，可計(jì)算出報(bào)文的數(shù)據(jù)流量和最大延時(shí)，具體見 下 表。 GOOSE 報(bào)文流量遠(yuǎn)小于 SAV 報(bào)文流量，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的影響基本可以忽略。由表 中 可知：采樣值傳輸最大延遲時(shí)間約為 ms，滿足 SAV報(bào)文 3 ms 下 40%裕度的實(shí)時(shí)性要求。