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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qIEC 61850与以太网q以太网交换技术q网络方案q其他问题以太网q以太网（Ethernet）o 以太网不是一种具体的网络，是一种技术规范 o 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 o 典型特征：使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲 突检测)技术o 共享式以太网与交换式以太网qIEC 61850与以太网o IEC 61
2、850特点：应用与通信相分离o IEC 61850特定通信服务映射 IEC 61850-8-1：在8802.3上映射到MMS IEC 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qIEC 61850在以太网协议栈映射电站环境发电厂中压/高压变电站 电磁场 静电释放 高频瞬态电流 高能电涌 接地故障引起地电势升高 天气变化: 温度和湿度 地震 / 振动 空气污染: 灰尘, 金属尘埃, 凝露, 太阳幅射电站环境的EMI和环境特点变电站和电站中的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
3、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”
4、 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 substations” 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:1.Class A: 空调环境(室内) 2.Class B: 带加热和冷却的密闭空间 3.Class C: 室内无空调环境 4.Class D: 室外环境Class C
5、工作温度范围:1.Class C1: -5 to +45C 2.Class C2: -25 to +55C 3.Class C3: -40 to +70C 4.Class Cx: 特殊范围(取决于制造商)光纤 vs. 铜缆: EPRI研究EPRI 对 UCA(用户通讯结构)采用的铜缆的研究 (1997)q 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q 结果表明，出现很大的数据帧丢包率: 32% 1kV 66% 2kV 75% -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qIEC 61850与以太网q以太网交换技术q网络方案q其他问题以太网交换机
6、q 采用存储-转发机制 消除冲突o Hub采用的CSMA/CD链路访问机制已经过时q MAC 地址学习、优先级和VLAN技术可以优化数据流q 双绞线端口支持自动协商和自动交叉功能q 即插即用，易于实现q 可采用RSTP支持各种拓扑结构 (总线, 星形, 环形, 网状)IEC 61850交换机的网络管理功能o 重要 优先级和VLAN(802.1p/Q) GMRP (Generic Multicast Registration Protocol)组播自动配置 o 不重要 IGMP (Internet Group Messaging Protocol) Snooping 链接聚合(IEEE 802.
7、3ad) 三层交换 o 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q Class of Service (CoS)q Quality of Service（Qos）q 高优先级数据优先通过q 多个出口数据队列，较高优先级的数据 可以先被发送q 对实时数据（如声音/GOOSE），减少 抖动和网络延迟q 与802.1Q VLAN共享标签字节1222122 1 1组播处理重要性:过程层通信(GOOSE和采样值)均依赖组播！q 装置组播过滤方案o 普通交换机把组播向所有端口转
8、发（当广播处理） o 以太网卡硬件依靠Hash算法进行过滤 o 很可能误收！（8-1附录B、9-2附录C） q 用VLAN来划分组播o 手工划分广播域（繁琐且不便管理） q 自动组播管理协议o IGMP只适用于IP组播，对GOOSE、SMV不适用 o 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，它与其它网 络共用相同的硬件 q每个VLAN作为一个独立的广播域 q逻辑分割而非物理分割 q划分原则：基于端口、MAC地址、IP地址 q装置和交换机都需要配置 qIEEE 802.1Q 标准定义了 tagged帧格式VLAN示意图 21 qG
9、MRP GARP Multicast Registration ProtocolqGARP的一个具体应用q报文格式为802格式q两个组播地址：GMRP用地址、用户用地址二层组播协议 22 q要接收某个组数据的设备需发送 Declarationq组播数据发送者、转发者需Registerq转发者重新组织发送Declarationq长时间无Declaration时会终止组播的发送组播运作步骤 23 组播数据流 24 q共享网络可以直接监视数据帧q交换网络无法直接监视数据，必须开启。q可以分别监视输入、输出PORT MIRRORING 25 PORT MIRRORING 26 q端口速率限制是后备保护
10、q可以限制所有、广播、组播q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qIEC 61850与以太网q以太网交换技术q网络方案q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！ q站控间隔层网络o 功能和综自站相同 o 多套用成熟方案（国外单环网，国内单/双星） q过程层网络o 目前尚无定论 o 组网 vs 点对点o 采样值、GOOSE、采样同步、MMS，谁和谁合？o 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
11、路在何处解环。 q 环型网络（国外应用较多）o 具有一定的冗余特性（对随机性的数据流效果较好） o 有因为交换机软件bug导致网络风暴的风险IEDIEDIEDIED需要采用RSTP 实 现备用连接IED冗余接线增强网 络弹性环网和星型网对比（续）q 星型网络（国内应用较多）o 简单、经济、可靠，无冗余链路不会造成广播风暴 o 和变电站的主接线及数据流天然一致 o 冗余需采用双套网络设备，且需设备支持IEDIEDIEDIEDq多级星型网q通信带宽 16个间隔，极限情况为30Mq站控层GOOSE和MMS共网q2009年，点对点方案GOOSE网络单网双网之争o 装置单网：单网单源 网络随设备双重化
12、简单清晰，双重化系统间无公共耦合 o 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q2005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 FT3q2009年，出现组网模式的尝试郭家屯：9-1；其他：9-2LEq2009年末，国调中心强势介入点对点采样值网络p秒脉冲（PPS）采样同步网 o 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；o 不同厂家的合并单元对秒脉冲的处理机制不同会 产生误差；
13、o 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pIEEE 1588 精密对时协议o 硬件对时精度在ns级别，满足计量需要；o 与数据网络合一，减少了故障点，增加了系统的 可靠性o 支持绝对时间；o 与GPS信号的配合关系；o 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。q IEC 60044-8/FT3实际上是采样值和采样同步合网q GOOSE和采样值合网o 带宽上具有可行性(稳定流量和突发性流
14、量配合) o 降低了成本o 9-2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o 9-2、48点/周波，16回达到80Mbit/sq 以太网时钟同步与采样网合一o IEEE 1588v2，硬件参与，ns级对时，满足计量要求o 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计量数据 带宽保护数据 带宽GOOSE带宽保护装置 带宽MU带宽线路间隔15M12M2.414.4M21M主变大间隔15M18M6M24M21M母线保护 （12个单元）82M30M112M过程层通信带宽o 采用G
15、MRP技术；o 保护数据为80点、计量数据200点；o GOOSE考虑极端情况主要内容qIEC 61850与以太网q以太网交换技术q网络方案q其他问题非常规CT对保护装置的影响o 互感器特性对保护的影响；o 由于各通信环节的可靠性问题带来的保护影响；o 不同保护对采样同步的依赖性区别；o IEC 61850检修状态的影响o 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o 电子式互感器暂态电流型式试验情况；o 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o 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.
16、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o 采集单元与合并单元的通信o 合并单元与保护装置的通信o 通信出错、采样丢点o 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o 单间隔保护：不依赖同步o 光纤纵差保护：以太网报文抖动问题o 主变、母差保护：需要采样值同步o 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采样报文检修 状态保护装置检修 状态通道有效标 志 检修态检修态有效检修态非检修态无效非检修态检修态无效非检修态非检修态有效智能变电站典型问题保护试验方案 o 保护测试仪o
