智能變電站通信技術及其他 國電南自電網分公司 數字化變電站事業部 郭 樂 Tel13851619009 F 我的名片 主要內容 IEC 61850與以太網 以太網交換技術 網絡方案 其他問題 以太網 以太網（ Ethernet） o 以太網不是一種具體的網絡，是一種技術規范 o 由 Xerox公司創建并由 Xerox， Intel和 DEC公司聯合開發的局域網規范，后來被 IEEE作為 802.3標準所采納 o 典型特征：使用 CSMA/CD(載波監聽多路訪問及沖突檢測 )技術 o 共享式以太網與交換式以太網 IEC 61850與以太網 o IEC 61850特點：應用與通信相分離 o IEC 61850特定通信服務映射 IEC 61850-8-1：在 8802.3上映射到 MMS IEC 61850-9-1：基于串行單方向多路點對點鏈接的采樣值傳輸 IEC 61850-9-2：基于 8802.3上的采樣值傳輸 IEC 61850在以太網協議棧映射 電站環境 發電廠 中壓 /高壓變電站 電磁場 靜電釋放 高頻瞬態電流 高能電涌 接地故障引起地電勢升高 天氣變化 : 溫度和濕度 地震 / 振動 空氣污染 : 灰塵 , 金屬塵埃 , 凝露 , 太陽幅射 電站環境的 EMI和環境特點 變電站和電站中的 EMI 現象 連續現象 幅射干擾 傳導干擾 電源頻率，電磁場 緩慢的電壓變化 諧波和間諧波 直流電源紋波 電壓周期變化 瞬態現象 (高發生率 ) 靜電釋放 電壓突降 雷電沖擊 高壓開關切換 （操作沖擊 ） 無功負載切換 瞬態現象 (低發生率 ) 電源頻率變化 電源系統故障 Short Duration Power Freq. Magnetic Fields 變電站和電廠環境中的設備必須能克服連續和瞬態的 EMI現象。 通信標準 IEEE 1613 (2003) “Standard Environmental and Testing Requirements for Communications Networking Devices in Electric Power Substations” 變電站中通信網絡設備的標準環境和測試要求 IEC 61850-3 (2002) “Communications networks and systems in substations” 變電站中的通信網絡和系統 IEC 61850-3: 抗電磁干擾 T E S T T e s t L e v e l s S e v e r i t y L e v e l s+ / - 6 k V 3+ / - 8 k V 3 I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 3 1 0 V / m 3+ / - 4 k V 2 . 5 k H z x+ / - 4 k V 4+ / - 4 k V 4+ / - 4 k V 4+ / - 4 k V l i n e - t o - e a r t h , + / - 2 k V l i n e - t o - l i n e 4+ / - 2 k V l i n e - t o - e a r t h , + / - 1 k V l i n e - t o - l i n e 3+ / - 4 k V l i n e - t o - e a r t h , + / - 2 k V l i n e - t o - l i n e 410V 310V 310V 310V 3I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 8 4 0 A / m c o n t i n u o u s , 1 0 0 0 A / m f o r 1 s N / A3 0 % f o r 0 . 1 s , 6 0 % f o r 0 . 1 s , 1 0 0 % f o r 0 . 0 5 s N / A3 0 % f o r 1 p e r i o d , 6 0 % f o r 5 0 p e r i o d s N / AI E C 6 1 0 0 0 - 4 - 1 1 1 0 0 % f o r 5 p e r i o d s , 1 0 0 % f o r 5 0 p e r i o d s2N / A2 . 5 k V c o m m o n , 1 k V d i f f e r e n t i a l m o d e 1 M H z 32 . 5 k V c o m m o n , 1 k V d i f f e r e n t i a l m o d e 1 M H z 32 . 5 k V c o m m o n , 1 k V d i f f e r e n t i a l m o d e 1 M H z 33 0 V C o n t i n o u s , 3 0 0 V f o r 1 s 43 0 V C o n t i n o u s , 3 0 0 V f o r 1 s 4I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 1 7 10% 3D e s c r i p t i o nESDE n c l o s u r e C o n t a c tE n c l o s u r e A i rI E C 6 1 0 0 0 - 4 - 5 S u r g eS i g n a l p o r t sD . C . P o w e r p o r t sA . C . P o w e r p o r t sI E C 6 1 0 0 0 - 4 - 6 I n d u c e d ( C o n d u c t e d ) R F IS i g n a l p o r t sD . C P o w e r p o r t sA . C . P o w e r p o r t sE a r t h g r o u n d p o r t s3M a g n e t i c F i e l d E n c l o s u r e p o r t sR i p p l e o n D . C . P o w e r S u p p l y D . C . P o w e r p o r t sD . C . P o w e r p o r t sV o l t a g e D i p s & I n t e r r u p t sD . C . P o w e r p o r t sA . C . P o w e r p o r t sI E C 6 1 0 0 0 - 4 - 2 9A . C . P o w e r p o r t sD . C . P o w e r p o r t sI E C 6 1 0 0 0 - 4 - 1 2 D a m p e d O s c i l l a t o r yS i g n a l p o r t sS i g n a l p o r t sI E C 6 1 0 0 0 - 4 - 1 6 M a i n s F r e q u e n c y V o l t a g eE a r t h g r o u n d p o r t s3B u r s t ( F a s t T r a n s i e n t )I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 4U T I L I T Y I E C 6 1 8 5 0 - 3 ( 6 1 0 0 0 - 6 - 5 ) C o m m u n i c a t i o n s N e t w o r k s a n d S y s t e m s I n S u b s t a t i o n s ( J a n 2 0 0 2 )R a d i a t e d R F I E n c l o s u r e p o r t sS i g n a l p o r t sD . C . P o w e r p o r t sA . C . P o w e r p o r t s I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 2 變電站環境抗電磁干擾的要求 比工業環境抗電磁干擾的水平更高 按照繼電保護 IED（智能電子設備）的要求進行測試 IEC 61850-3: 性能 C on t i no us ph e no m e naTra ns i e nt ph e no m e naw i t h hi gh oc c ura nc eTra ns i e nt ph e no m e naw i t h l ow oc c ura nc ePr o te c ti o n a n d te l e p r o te c ti o nO n- l i ne proc e s s i ng a ndr e gu l a t i onM e t e r i ngC om m a nd a nd C on t r ol S h o r t d e l a yS up e r v i s i onT e m p o r a r y l o s s , s e l fr e c o v e r e dM a n- m a c hi ne i nt e r f a c e S t o p a n d r e s e tA l a r mD a t a t r a ns m i s s i on a ndt e l e c om m un i c a t i onN o l o s s , p o s s i b l e b i te r r o r r a t e d e g r a d a t i o nT e m p o r a r y l o s sD a ta a c q u i s i ti o n a n d s to r a g eM e a s ure m e ntO f f - l i ne proc e s s i ng T e m p o r a r y d e g r a d a t i o n T e m p o r a r y l o s s a n d r e s e tP a s s i v e m on i t ori ng T e m p o r a r y d e g r a d a t i o n T e m p o r a r y l o s sS e l f - di a gn os i sI E C 6 1 0 0 0 - 6 - 5 T a b l e 7 - P e r f o r m a n c e C r i t e r i a f o r t h e m o s t r e l e v a n t f u n c t i o n s( i n de s c e nd i ng orde r of c r i t i c a l i t y )T e m p o r a r y d e g r a d a t i o n , s e l f r e c o v e r e dT e m p o r a r y l o s s , s e l f r e c o v e r e dFu nc t i on a l r e qu i r e m e nt s v e r s us e l e c t r om a gn e t i c ph e no m e naFu nc t i on sS h o r t d e l a y , t e m p o r a r y w r o n g i n d i c a t i o nT e m p o r a r y d e g r a d a t i o n* * N o D e l a y s o r D a ta L o s s * *IEC 61850-3 環境指標 四類應用場合 : 1.Class A: 空調環境 (室內 ) 2.Class B: 帶加熱和冷卻的密閉空間 3.Class C: 室內無空調環境 4.Class D: 室外環境 Class C 工作溫度范圍 : 1.Class C1: -5 to +45 C 2.Class C2: -25 to +55 C 3.Class C3: -40 to +70 C 4.Class Cx: 特殊范圍 (取決于制造商 ) 光纖 vs. 銅纜 : EPRI研究 EPRI 對 UCA(用戶通訊結構 )采用的銅纜的研究(1997) 變電站中常見的 EMI現象產生的瞬態過程對屏蔽和非屏蔽五類線的影響 結果表明，出現很大的數據幀丟包率 : 32% 1kV 66% 2kV 75% -2kV 結論 在不允許發生通信故障的實時控制應用中需要采用光纖 主要內容 IEC 61850與以太網 以太網交換技術 網絡方案 其他問題 IEC 61850交換機的網絡管理功能 o 重要 優先級和 VLAN(802.1p/Q) GMRP (Generic Multicast Registration Protocol)組播自動配置 o 不重要 IGMP (Internet Group Messaging Protocol) Snooping 鏈接聚合 (IEEE 802.3ad) 三層交換 o 可選 網 絡狀態顯示 , 統計 , 故障分析功能 (SNMP) Rapid Spanning Tree (IEEE 802.1w) 用于容錯環網結構 IEEE 802.1p 優先級 Class of Service (CoS) Quality of Service（ Qos） 高優先級數據優先通過 多個出口數據隊列，較高優先級的數據可以先被發送 對實時數據（如聲音 /GOOSE），減少抖動和網絡延遲 與 802.1Q VLAN共享標簽字節 1 2 2 2 1 2 2 1 1 組播處理 重要性 :過程層通信 (GOOSE和采樣值 )均依賴組播！ 裝置組播過濾方案 o 普通交換機把組播向所有端口轉發（當廣播處理） o 以太網卡硬件依靠 Hash算法進行過濾 o 很可能誤收！（ 8-1附錄 B、 9-2附錄 C） 用 VLAN來劃分組播 o 手工劃分廣播域（繁瑣且不便管理） 自動組播管理協議 o IGMP只適用于 IP組播，對 GOOSE、 SMV不適用 o GMRP二層組播管理協議，唯一可用！ VLAN (802.1Q) Virtual LAN: 一個獨立的以太網，它與其它網絡共用相同的硬件 每個 VLAN作為一個獨立的廣播域 邏輯分割而非物理分割 劃分原則：基于端口、 MAC地址、 IP地址 裝置和交換機都需要配置 IEEE 802.1Q 標準定義了 tagged幀格式 VLAN示意圖 21 GMRP GARP Multicast Registration Protocol GARP的一個具體應用 報文格式為 802格式 兩個組播地址： GMRP用地址、用戶用地址 二層組播協議 22 要接收某個組數據的設備需發送Declaration 組播數據發送者、轉發者需 Register 轉發者重新組織發送 Declaration 長時間無 Declaration時會終止組播的發送 組播運作步驟 23 組播數據流 24 共享網絡可以直接監視數據幀 交換網絡無法直接監視數據，必須開啟。 可以分別監視輸入、輸出 PORT MIRRORING 25 PORT MIRRORING 26 端口速率限制是后備保護 可以限制所有、廣播、組播 使用時需要計算、估算數據流，避免干擾正常通信 PORT RATE LIMITATION 主要內容 IEC 61850與以太網 以太網交換技術 網絡方案 其他問題 IEC 61850組網原則 IEC 61850: 要使用者根據可行性、可靠性和重要性等因素綜合分析！ 站控間隔層網絡 o 功能和綜自站相同 o 多套用成熟方案（國外單環網，國內單 /雙星） 過程層網絡 o 目前尚無定論 o 組網 vs 點對點 o 采樣值、 GOOSE、采樣同步、 MMS，誰和誰合？ o 是否采取雙網？ 環網和星型網對比 交換機環網 : 利用 RSTP協議，交換機之間通過帶內管理報文獲得網絡拓撲信息，決定冗余鏈路在何處解環。 環型網絡（國外應用較多） o 具有一定的冗余特性（對隨機性的數據流效果較好） o 有因為交換機軟件 bug導致網絡風暴的風險 IED IED IED IED 需要采用 RSTP 實現備用連接 IED冗余接線增強網絡彈性 環網和星型網對比（續） 星型網絡（國內應用較多） o 簡單、經濟、可靠，無冗余鏈路不會造成廣播風暴 o 和變電站的主接線及數據流天然一致 o 冗余需采用雙套網絡設備，且需設備支持 IED IED IED IED 多級星型網 通信帶寬 16個間隔，極限情況為 30M 站控層 GOOSE和 MMS共網 2009年，點對點方案 GOOSE網絡 單網雙網之爭 o 裝置單網： 單網單源 網絡隨設備雙重化 簡單清晰，雙重化系統間無公共耦合 o 裝置雙網： 雙網單源 利用網絡實現雙重化：實現特殊應用需求 多一倍網絡投資，實際增加了故障點 GOOSE網絡 秒脈沖（ PPS）采樣同步網 o 必須在過程層構建獨立的采樣同步網，增加了設備投資。同時增加了故障發生點，降低了系統的整體可靠性指標； o 不同廠家的合并單元對秒脈沖的處理機制不同會產生誤差； o 該同步機制只能做到相對時間同步，不能做到絕對時間的對時，因此合并單元的數據不能被某些需要絕對時間標簽的裝置使用，比如 PMU。 采樣同步網 IEEE 1588 精密對時協議 o 硬件對時精度在 ns級別，滿足計量需要； o 與數據網絡合一，減少了故障點，增加了系統的 可靠性 o 支持絕對時間； o 與 GPS信號的配合關系； o 保護、測控裝置不需要采用硬件 1588對時，光纖縱差保護除外。 采樣同步網 過程層合網的可能性 采樣值、 GOOSE、采樣同步三網合一將大大提高系統可靠性。 IEC 60044-8/FT3實際上是采樣值和采樣同步合網 GOOSE和采樣值合網 o 帶寬上具有可行性 (穩定流量和突發性流量配合 ) o 降低了成本 o 9-2可采用 48點 /周波供保護測控， 9-1用 200點 /周波點對點供計量 o 9-2、 48點 /周波， 16回達到 80Mbit/s 以太網時鐘 同步與采樣網合一 o IEEE 1588v2，硬件參與， ns級對時，滿足計量要求 o 提高了采樣數據的可靠性 數字化 /智能變 電站網絡結構 I 變電站層設備間隔層設備間隔 1間隔層設備間隔 2間隔層設備間隔 N.互感器間隔 1.開關間隔 1互感器間隔 2開關間隔 2互感器間隔 N開關間隔 N100 M 交換以太網100 M 交換以太網100 M 交換以太網母差等跨間隔的間隔層設備100 M 交換以太網100 M / 10 M 交換以太網變電站層設備間隔層設備過程層設備站控間隔層網絡過程層網絡藍色線 ： 雙絞線以太網黑色線 ： 光纖以太網各種連線顏色示例 ：綠色線 ： 光纖 （ FT 3 協議 ）數字化 /智能 變電站網絡結構 II 數字化 /智能 變電站過程層網絡 III 數字化變電站過程層網絡 計量數據 帶寬 保護數據 帶寬 GOOSE 帶寬 保護裝置 帶寬 MU 帶寬 線路間隔 15M 12M 2.4 14.4M 21M 主變大間隔 15M 18M 6M 24M 21M 母線保護 （ 12個單元） 82M 30M 112M 過程層通信帶寬 o 采用 GMRP技術； o 保護數據為 80點、計量數據 200點； o GOOSE考慮極端情況 主要內容 IEC 61850與以太網 以太網交換技術 網絡方案 其他問題 非常規 CT對保護裝置的影響 o 互感器特性對保護的影響； o 由于各通信環節的可靠性問題帶來的保護影響； o 不同保護對采樣同步的依賴性區別； o IEC 61850檢修狀態的影響 o 保護試驗的方案 技術層次的影響 互感器特性對保護的影響 o 電子式互感器暫態電流型式試驗情況； o 互感器對一次電流的還原程度； * 硬件積分：固有角差、離散度 * 軟件積分：收斂性、去直流特性 o 采樣點數 +截至頻率：抗混疊的問題； 技術層次的影響 C-0.12s-O-0.45s-C-0.