1、智能变电站通信技术及其他,国电南自电网分公司数字化变电站事业部 郭 乐Tel:025-5118326613851619009Fax:025-51183263guolesac-,我的名片,主要内容,IEC 61850与以太网以太网交换技术网络方案其他问题,以太网,以太网（Ethernet）以太网不是一种具体的网络，是一种技术规范 由Xerox公司创建并由Xerox，Intel和DEC公司联合开发的局域网规范，后来被IEEE作为802.3标准所采纳 典型特征：使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测)技术共享式以太网与交换式以太网,IEC 61850与以太网IEC 61850特点：应用与通信
2、相分离IEC 61850特定通信服务映射IEC 61850-8-1：在8802.3上映射到MMSIEC 61850-9-1：基于串行单方向多路点对点链接的采样值传输 IEC 61850-9-2：基于8802.3上的采样值传输,IEC 61850在以太网协议栈映射,电站环境,发电厂,中压/高压变电站,网络设备必须和智能设备一样符合电站的环境要求！,变电站和电站中的EMI 现象,连续现象,幅射干扰传导干扰电源频率，电磁场缓慢的电压变化谐波和间谐波直流电源纹波电压周期变化,瞬态现象(高发生率),静电释放电压突降雷电冲击高压开关切换（操作冲击）无功负载切换,瞬态现象(低发生率),电源频率变化电源系统故
3、障Short Duration Power Freq. Magnetic Fields,变电站和电厂环境中的设备必须能克服连续和瞬态的EMI现象。,通信标准,IEEE 1613 (2003)“Standard Environmental and Testing Requirements for Communications Networking Devices in Electric Power Substations”变电站中通信网络设备的标准环境和测试要求,IEC 61850-3 (2002) “Communications networks and systems in substati
4、ons”变电站中的通信网络和系统,IEC 61850-3: 抗电磁干扰,变电站环境抗电磁干扰的要求比工业环境抗电磁干扰的水平更高按照继电保护IED（智能电子设备）的要求进行测试,IEC 61850-3: 性能,IEC 61850-3 环境指标,四类应用场合:Class A: 空调环境(室内)Class B: 带加热和冷却的密闭空间Class C: 室内无空调环境Class D: 室外环境,Class C 工作温度范围:Class C1: -5 to +45CClass C2: -25 to +55CClass C3: -40 to +70C Class Cx: 特殊范围(取决于制造商),光纤
5、vs. 铜缆: EPRI研究,EPRI 对 UCA(用户通讯结构)采用的铜缆的研究(1997)变电站中常见的EMI现象产生的瞬态过程对屏蔽和非屏蔽五类线的影响结果表明，出现很大的数据帧丢包率:32% 1kV66% 2kV75% -2kV,结论在不允许发生通信故障的实时控制应用中需要采用光纤,主要内容,IEC 61850与以太网以太网交换技术网络方案其他问题,以太网交换机,采用存储-转发机制 消除冲突Hub采用的CSMA/CD链路访问机制已经过时MAC 地址学习、优先级和VLAN技术可以优化数据流双绞线端口支持自动协商和自动交叉功能即插即用，易于实现可采用RSTP支持各种拓扑结构 (总线, 星形
6、, 环形, 网状),IEC 61850交换机的网络管理功能,重要优先级和VLAN(802.1p/Q)GMRP (Generic Multicast Registration Protocol)组播自动配置不重要IGMP (Internet Group Messaging Protocol) Snooping链接聚合(IEEE 802.3ad)三层交换可选网络状态显示, 统计, 故障分析功能(SNMP)Rapid Spanning Tree (IEEE 802.1w) 用于容错环网结构,IEEE 802.1p 优先级,Class of Service (CoS)Quality of Servic
7、e（Qos）高优先级数据优先通过多个出口数据队列，较高优先级的数据可以先被发送对实时数据（如声音/GOOSE），减少抖动和网络延迟与802.1Q VLAN共享标签字节,组播处理,重要性:过程层通信(GOOSE和采样值)均依赖组播！装置组播过滤方案普通交换机把组播向所有端口转发（当广播处理）以太网卡硬件依靠Hash算法进行过滤很可能误收！（8-1附录B、9-2附录C）用VLAN来划分组播手工划分广播域（繁琐且不便管理）自动组播管理协议IGMP只适用于IP组播，对GOOSE、SMV不适用GMRP二层组播管理协议，唯一可用！,VLAN (802.1Q),Virtual LAN: 一个独立的以太网，它
8、与其它网络共用相同的硬件每个VLAN作为一个独立的广播域逻辑分割而非物理分割划分原则：基于端口、MAC地址、IP地址装置和交换机都需要配置IEEE 802.1Q 标准定义了 tagged帧格式,VLAN示意图, 21 ,GMRP GARP Multicast Registration ProtocolGARP的一个具体应用报文格式为802格式两个组播地址：GMRP用地址、用户用地址,二层组播协议, 22 ,要接收某个组数据的设备需发送Declaration组播数据发送者、转发者需Register转发者重新组织发送Declaration长时间无Declaration时会终止组播的发送,组播运作步
9、骤, 23 ,组播数据流, 24 ,共享网络可以直接监视数据帧交换网络无法直接监视数据，必须开启。可以分别监视输入、输出,PORT MIRRORING, 25 ,PORT MIRRORING, 26 ,端口速率限制是后备保护可以限制所有、广播、组播使用时需要计算、估算数据流，避免干扰正常通信,PORT RATE LIMITATION,主要内容,IEC 61850与以太网以太网交换技术网络方案其他问题,IEC 61850组网原则,IEC 61850: 要使用者根据可行性、可靠性和重要性等因素综合分析！站控间隔层网络功能和综自站相同多套用成熟方案（国外单环网，国内单/双星）过程层网络目前尚无定论组
10、网 vs 点对点采样值、GOOSE、采样同步、MMS，谁和谁合？是否采取双网？,环网和星型网对比,交换机环网: 利用RSTP协议，交换机之间通过带内管理报文获得网络拓扑信息，决定冗余链路在何处解环。环型网络（国外应用较多）具有一定的冗余特性（对随机性的数据流效果较好）有因为交换机软件bug导致网络风暴的风险,环网和星型网对比（续）,星型网络（国内应用较多）简单、经济、可靠，无冗余链路不会造成广播风暴和变电站的主接线及数据流天然一致冗余需采用双套网络设备，且需设备支持,多级星型网通信带宽16个间隔，极限情况为30M站控层GOOSE和MMS共网2009年，点对点方案,GOOSE网络,单网双网之争,
11、装置单网：单网单源 网络随设备双重化简单清晰，双重化系统间无公共耦合装置双网：双网单源 利用网络实现双重化：实现特殊应用需求多一倍网络投资，实际增加了故障点,GOOSE网络,2005年2008年：以点对点方案为主单间隔采用IEC 61850-9-1或IEC 60044-8 FT3；跨间隔采用IEC 60044-8 FT32009年，出现组网模式的尝试郭家屯：9-1；其他：9-2LE2009年末，国调中心强势介入点对点,采样值网络,秒脉冲（PPS）采样同步网 必须在过程层构建独立的采样同步网，增加了设备投资。同时增加了故障发生点，降低了系统的整体可靠性指标；不同厂家的合并单元对秒脉冲的处理机制不
12、同会产生误差；该同步机制只能做到相对时间同步，不能做到绝对时间的对时，因此合并单元的数据不能被某些需要绝对时间标签的装置使用，比如PMU。,采样同步网,IEEE 1588 精密对时协议硬件对时精度在ns级别，满足计量需要；与数据网络合一，减少了故障点，增加了系统的可靠性支持绝对时间；与GPS信号的配合关系；保护、测控装置不需要采用硬件1588对时，光纤纵差保护除外。,采样同步网,过程层合网的可能性,采样值、GOOSE、采样同步三网合一将大大提高系统可靠性。IEC 60044-8/FT3实际上是采样值和采样同步合网GOOSE和采样值合网带宽上具有可行性(稳定流量和突发性流量配合) 降低了成本9-
13、2可采用48点/周波供保护测控，9-1用200点/周波点对点供计量9-2、48点/周波，16回达到80Mbit/s以太网时钟同步与采样网合一IEEE 1588v2，硬件参与，ns级对时，满足计量要求提高了采样数据的可靠性,数字化/智能变电站网络结构 I,数字化/智能变电站网络结构 II,数字化/智能变电站过程层网络III,数字化变电站过程层网络,过程层通信带宽采用GMRP技术；保护数据为80点、计量数据200点；GOOSE考虑极端情况,主要内容,IEC 61850与以太网以太网交换技术网络方案其他问题,非常规CT对保护装置的影响互感器特性对保护的影响；由于各通信环节的可靠性问题带来的保护影响；
14、不同保护对采样同步的依赖性区别；IEC 61850检修状态的影响保护试验的方案,技术层次的影响,互感器特性对保护的影响电子式互感器暂态电流型式试验情况；互感器对一次电流的还原程度；* 硬件积分：固有角差、离散度* 软件积分：收敛性、去直流特性采样点数+截至频率：抗混叠的问题；,技术层次的影响,C-0.12s-O-0.45s-C-0.06s-O,暂态试验波形,技术层次的影响,通信环节的可靠性问题带来的保护影响采集单元与合并单元的通信合并单元与保护装置的通信通信出错、采样丢点应该做到只影响相关保护,技术层次的影响,不同保护对同步的依赖性单间隔保护：不依赖同步光纤纵差保护：以太网报文抖动问题主变、母
15、差保护：需要采样值同步失去同步的处理,技术层次的影响,光纤纵差保护的问题1.以太网接收中断的抖动问题，影响数据插值* PLL（锁相环）技术解决* 国调技术导则对以太网的要求：抖动10微妙2.一端常规互感器、一端电子式互感器；3.额定延迟时间，与对端配合,技术层次的影响,数字化变电站的检修问题,智能变电站典型问题,保护试验方案 保护测试仪深度传感环节+同步环节+通信环节+检修环节广度：合并单元、开关智能单元,同步解决方案一、采样同步网光纤接口：秒脉冲 or B码同步，而非对时可以与GPS无关二、利用IEC 60044-8实现软件同步接收侧插值同步只适用于点对点连接有利于硬件实现（FPGA分担CP
16、U负荷）,智能变电站典型问题,同步解决方案（续）三、IEEE1588协议以太网底层ns级别对时（硬件打报文进出时标）同一个光纤以太网端同时实现数据通信和时钟同步未来的方向已经实现，硬件1588（MU、光纤纵差保护、智能终端） 软件1588（其他设备）,智能变电站典型问题,智能变电站典型问题,数字化电能表及其校验问题 电子式互感器推广过程中最为棘手的问题技术上没有任何问题校验方案的权威性校验规程、规范的修改国电南自的低压方案可以解决这一问题,pOXLp7v0djZKylHSJr3WxBmHK6NJ2GhiBeFZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92t
17、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,
