广播发射台变电站自动化系统的网络结构设计

摘 要：论文介绍了IEC61850标准对变电站自动化系统的规定,对变电站自动化系统间隔层的三种网络结构进行了分析比较,设计广播发射台变电站自动化系统的网络方案采取独立双网的分布式变电站自动化系统结构,详细论述了该方案中的设备选型,工作方式及数据流管理.

关 键 词：变电站自动化网络结构IEC61850

中图分类号：TN934.81文献标识码：A文章编号：1007-9416（2014）02-0021-02

近年来,广播发射台的广播发送设备、音频调度设备、网络通讯设备、视频监控设备等都进行了更新改造,自动化功能越来越完善,安全播出的可靠性也大大提高.在广播发射台的重要能源供应部门变电站中,虽然电力设备也进行了大范围的改造,但是因为缺少统一的标准和规范,加上市场品牌、厂家众多,网络结构多样,缺乏全面的自动化系统标准,相对落后的电力设备就成了安全播出的瓶颈.因此研究设计一种适合广播发射台实际情况的变电站自动化系统网络结构对于保障安全播出工作有着十分重要的意义.

1IEC61850标准介绍

目前国内外在变电站自动化系统的结构设计中都遵循IEC61850标准,IEC61850标准是国际电工委员会（IEC）TC57技术委员会（电力系统控制和通信委员会）制定的,该标准根据电力系统成生产过程的特点,制定了满足实时信息传输要求的怎么写作模型.采用面向对象建模技术,面向设备建模和自我描述,以适应功能扩展,满足应用开放互操作要求,扩充数据和设备管理功能,传输采样测量值等.规范了变电站内智能电子设备之间的通信行为和相关的系统要求.

IEC61850标准把变电站自动化系统的功能在逻辑上分配为设备层、间隔层/单元层、设备层三个层次.其结构图如图1所示.

设备层是一次设备和二次设备的结合层,在过程层完成所有接口的功能,如开关量输入和输出、模拟量采样和控制命令发送等.过程层实际上是与变电站的一次设备,如断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、智能直流设备等连接的功能.

间隔层的设备主要包括各种微机保护装置、自动控制装置、测控装置等.间隔层的主要功能是汇总本间隔过程层上传的实时数据信息,对一次设备进行保护控制,检测操作的各种闭锁条件是否符合,保护方式、定值的调整,执行数据的承上启下通信传输功能.

变电站层一般被称为站控层,包括后台监控主机,通讯网络,GPS时钟等设备,实现对全站设备的监视、控制、告警及信息交互功能,完成数据采集存储,对间隔层设备进行在线维护、在线组态、在线修改参数等.

此外IEC61850还对变电站自动化系统结构语言、变电站和馈线设备的基本通信结构,变电站和馈线没备的基本通信结构等进行了规定,为了保证广播发射台变电站自动化系统的规范性,便于它与台内其它自动化系统和其它台站自动化系统的对接,建立即插即用的网络环境,在对广播发射台变电站自动化系统的设计时应严格遵照IEC61850标准.

2变电站自动化系统的结构模式

2.1间隔层网络结构的分析比较

间隔层是变电站综合自动化的核心,在国内目前电力系统电站自动化系统结构主要有三种：集中式、分散式与集中组屏相结合、完全分散式.结合广播电台的实际情况,考虑供电系统出线较少、供电可靠性要求高、工作现场环境的干扰、场地空间等因素,结合综合自动化技术目前的结构组合方式进行认真、细致的对比分析.

（1）集中式结构模型.集中式结构的综合自动化系统,就是采用不同档次的计算机,扩展接口电路,集中采集变电站的各种模拟量和开关量,集中进行计算与处理,分别完成微机监控、微机保护、备自投切换等功能.由前置机完成数据输入输出、保护、控制及监测等功能,后台机完成数据处理、显示、打印及远方通信等功能.这种结构模式结构紧凑、体积小、可大大减少占地面积,同时造价相对较低.但是它的最大缺点是每台微机装置的功能非常集中,如果一台计算机出故障,影响面大；集中式结构软件复杂,修改工作量大,系统调试麻烦；另外组态不灵活,需要根据现场实际进行设计制造,生产成本大不利于推广和维护.考虑到上述缺点,这种结构模式近年来在电力系统和用户中已经很少用到,新建台站也不再使用.

（2）分散式与集中组屏相结合的结构模型.随着单片机技术和通信技术的发展,特别是现场总线和局域网技术的应用,有条件解决全微机化的变电站二次系统的优化设计问题,目前常用的措施是按每个电网元件,如一条出线、一台变压器、一组电容器等为对象,集保护、测量、控制为一体,设计在同一控制屏内.而对于35kV以下配电线路,将一体化的微机测控保护装置分散安装在各个开关柜中,然后又监控主机通过光纤或通信电缆网络,对它们进行管理和交换.这就是分散式与集中组屏相结合的结构.

这种结构将35kV以下线路保护采用分散式结构,就地安装,节约控制电缆,通过现场总线与保护管理机交换信息.高电压等级线路和变压器保护采用集中组屏结构,保护屏安装在控制室中,是这些重要的保护装置处于比较好的工作环境,避免电磁干扰,对可靠性较为有利.

这种分散与集中组屏结合的结构目前在电网中高电压等级变电站中普遍使用,考率到广播发射台站变电站设备区环境的电磁干扰,部分台站的站用变在高压开关柜内安装,或者高压开关柜与配电变压器在同一配电室内,造成环境温度较高,不利于微机保护装置中电子器件的长期工作,也可以考虑将这些设备的保护测控装置集中组屏安装于较好环境中,保障系统可靠运行.

（3）完全分散式.完全分散式自动化系统结构是指以变压器、断路器、母线等一次主设备为安装单位,将微机保护装置、非电量保护装置、智能仪表灯单元就地分散安装在开关柜的二次柜门上,由通讯怎么写作器通过现场总线与这些分散的智能单元进行通讯,控制单元通过网络与监控主机联系.这种结构模式目前在无线局许多台站都正在使用,结合实际维护经验,这种结构模式具十分突出的优点,如显著减少了变电站主控室设备.因为二次设备与一次设备就近安装,节省了大量连接电缆.减少了现场施工和调试工程量,由于安装在开关柜的微机保护装置在开关柜出厂前已由生产厂家安装和调试好,现场需敷设的电缆数量大大减少,因此可显著缩短现场施工的工期和现场调试的时间.完全分散式结构可靠性高,组态灵活,检修方便.

完全分散式结构虽然具有许多优点,但是也要考虑环境因素的影响,尽量不要在高温和强电磁环境下采用这种结构.

2.2广播发射台变电站自动化系统的网络设计方案

通过IEC61850标准的研究和分析,对间隔层网络结构的分析比较,结合广播电台变电站自动化系统的技术需求,对变电站自动化系统的网络结构进行设计.设计网络结构时,既要考虑所有信息传输的快速性即需简化网络,又要考虑信息传输的可靠性即需适当增加网络的冗余度.通过分析对比上述变电站自动化网络结构,经过对厂家的微机保护装置的分析和设计后,结合广播发射台实际确定出适合广播发射台变电站自动化系统的网络结构设计出一种新的网络结构模式――采用独立双网的分布式变电站自动化系统网络.

具体设计方案如图2所示,我们在站控层设计由两台操作员站（操作员1和操作员2）,1台微机防误工作站,1个GPS天文时钟,1台打印机2个,2个光纤交换机（站控层光纤交换机A和站控层光纤交换机2）,及数据网线构成一个双以太网络,通讯协议为TCP/IP协议.间隔层由各种微机保护测控装置,4台交换机（间隔层光纤交换机A和间隔层交换机B连接35kV室微机保护装置,间隔层光纤交换机C和间隔层交换机D连接10kV室微机保护装置）,3台串口怎么写作器（连接智能仪表及其他以RS232/485/422通讯的智能设备）,由以上设备和传输介质组成双光纤以太网,通讯协议为CANBUS协议.

2.3站控层网络结构设计思路

站控层网络采用屏蔽双绞线网络运用TCP/IP传输协议,数据传输速率9600bps,采用两台优肯UKG2402GC光纤交换机（该交换机提供8个10/100M/1000MRJ45电口和24个P光口）采用集连或非集连星型连接方式,直接接入双以太网.使用UKG2402GC光纤交换机的8个RJ45电口,采用TCP/IP协议将所有站控层设备连接成独立的双以太网络,使双网络形成冗余备份,加快数据传输速度和系统运行可靠性.没有选择光纤以太网的原因是,站控层设备都在一个相对集中的地方,例如控制室、值班大厅等,传输距离并不远,受到干扰的可能性不大；另外考虑到光纤以太网的投资会比较大,维护没有屏蔽双绞线方便.使用UKG2402GC光纤交换机的24个P光口连接间隔层光纤交换机.

2.4间隔层网络结构设计思路

间隔层微机保护装置全部采用完全分散式安装方式,将微机保护装置就地安装在相应开关设备上.网络采用双光纤以太网络是为了提高系统的安全性和可靠性,以保证变电站的运行安全,双光纤以太网络是运用CANBUS传输协议,数据传输速率2Mbps,分配节点IP地址理论上没有限制,实际上企业变电站信息层设备、间隔层设备和控制层设备总量一般都不会超出60个节点IP地址,而控制层的工作站应用程序基本分配节点IP地址个数为225个,根据各发射台需要还可以加以扩展.间隔层的全部设备采用两台优肯UKG2402GC光纤交换机（该交换机提供8个10/100M/1000MRJ45电口和24个P光口）采用集连或非集连星型连接方式,直接接入双以太网.使用UKG2402GC光纤交换机的24个P光口,将所有间隔层的微机保护装置、串口怎么写作器等设备连接成独立的双光纤以太网络,使双网络形成冗余备份,加快数据传输速度和系统运行可靠性.间隔层光纤网络全部选用100base-fx单模光纤,传输距离可达10-20千米,可以满足有多个配电室的且相距较远的台站,不需要在单独配置光收发器,减少设备数量,简化网络,提高运行可靠性.

2.5其它智能设备的接入

变电站内的其他第三方设备,如数字化智能仪表、直流屏、微机五防系统、小电流接地选线装置、消谐装置、电度表等,大多都提供RS232接口或RS485串口通讯方式,因此选择MoxaCN2600系列网络冗余型16口RS-232/422/485串口怎么写作器将第三方设备接直接接入系统的以太网络,具体方案是将MoxaCN2600串口怎么写作器接入优肯UKG2402GC光纤交换机的RJ45电口,对于不同厂商提供的外部相关设备来说,这种方案给予第三方设备接入系统带来很大的方便,同时第三方设备的运行情况的好坏,还不会影响到整个系统的安全稳定性.CN2600系列还支持双以太网,我们设计将MoxaCN2600串口怎么写作器的两个独立网口分别接入以太网交换机A或B（优肯UKG2402GC光纤交换机的RJ45电口）,充分利用以太网络的灵活性,提高系统运行可靠性.

3结语

独立双网分布式变电站自动化系统网络结构的设计方案具有可靠性高、运行稳定、抗干扰能力强等特点,对于保障广播发射台的高质量电力供应,降低维护人员工作量,提供了很大帮助,对类似的同样对电源质量要求极高的无线传输台站有一定的借鉴意义.