基于IEC61850的安全稳定控制装置方案设计

第34卷 第12期2010年6月25

日Vol.34 No.12June25,2010

基于IEC61850的安全稳定控制装置方案设计

宋锦海,宣筱青,朱开阳,叶振风,李雪明,罗剑波

(国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司,江苏省南京市210003)

摘要:针对数字化变电站的一次设备、二次设备的变化,从信息采集方式、控制方式、通信方式等方面说明了数字化变电站安全稳定控制技术与传统变电站的不同,并根据数字化变电站的特点和要求,详细介绍了基于IEC61850的安全稳定控制装置系统的构架、硬件平台和软件结构,并对稳定控制装置采用的基于现场可编程门阵列(FPGA)的高实时性电气量算法进行了描述。试验结果证明:这种电气量算法的实时性和精度高于传统方法,特别在频率偏离工频时基波有效值计算有明显的精度优势,能够满足数字化变电站安全稳定控制的要求。

关键词:IEC61850;数字化变电站;安全稳定控制;通用面向对象变电站事件(GOOSE);快速傅里叶变换(FFT)

0 引言

数字化变电站是以具备数字化接口的一次设备和高速网络通信平台为基础、通过统一的协议标准实现信息共享和互操作、达到继电保护等二次设备网络化和数据管理等自动化的变电站[1 3]。符合IEC61850标准的变电站通信网络和系统、智能化的一次设备、网络化的二次设备、自动化的运行管理

[2,4]

系统,是其最主要的技术特征。随着智能化开关、电子式电流互感器、电子式电压互感器等技术日

[5 6]

趋成熟,以及高速通信网络在实时控制系统中的开发应用[7],数字化变电站将会逐渐推广。随着中

[8 9]

国智能电网建设的推进,智能变电站将逐渐替代数字化变电站,因此,研究数字化变电站将为智能变电站的建设推广提供基本的技术基础和知识储备。

安全稳定控制装置(系统)是保证电力系统安全稳定运行的第二和第三道防线的重要设备。对于数字化变电站,由于一次设备的智能化,其二次设备系统结构发生了巨大的变化[10],因此其安全稳定控制装置的构架、控制方式也将不同于传统的安全稳定控制装置,必须在与智能化一次设备接口、装置网络化以及信息化等方面满足数字化变电站的要求。

1 数字化变电站对安全稳定控制技术影响

数字化变电站将变电站分为过程层、间隔层、系统层,并以某个对象元件为单位进行建模,与传统的

收稿日期:2010 03 02;修回日期:2010 04 08。

国家电网公司科技项目 数字化变电站对电网安全稳定控制支撑技术的研究 ;已申请国家发明专利(申请号:200910212651.6)。

变电站控制和管理模式有明显不同。首先,过程层与间隔层由以往的电缆连接变成光纤连接,由原先的模拟信号连接变成数字信号交互,由原先的电气串并联方式变成网络方式;其次,间隔层内的设备间通过网络共享输入信号,共同控制智能一次设备;同时具备设备的互换性和互操作性[11]。系统层采用统一的IEC61850制造报文规范(MMS)协议进行组网,分别与间隔层不同设备进行信息交互,这些变化对传统的安全稳定控制技术将产生一系列影响。1.1 信息采集

安全稳定控制装置的采集信息主要有交流电流、交流电压等模拟量信息,开关、刀闸等位置信号和保护跳闸信号,以及异地的线路、元件等运行信息。数字化变电站采用了电子式互感器,电流、电压信号通过合并单元(MU)直接提供光纤以太网接口的数字信号,满足IEC61850 9 1和IEC61850 9 2标准,这就要求安全稳定控制装置也必须有多个对应的接口;对于开关量信号,目前的数字化变电站多采用增加智能控制单元以实现数字化,即通常所说的智能操作箱,负责接收控制命令并以传统电气接口的方式输出控制信号给一次开关设备,同时,将一次开关设备的当前信号转换成数字信号,按IEC61850的通用面向对象变电站事件(GOOSE)协议输出到过程层网络。通常测控单元和保护装置都是面向单元的,一个装置面对一个元件,而安全稳定控制装置除失步解列装置以外通常面向整个站或某个区域,需要同时采集多个元件的信息,因此其与保护装置和测控装置的数字化变电站应用有很大不同[12 14]。对于数字化信息的断面统一问题[15]、数据同步和数据合法性问题、多口的通信问题,以及大量

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研制与开发 宋锦海,等 基于IEC61850的安全稳定控制装置方案设计

的信息提取和处理问题,都是传统的安全稳定控制装置没有遇到的。1.2 控制出口

数字化变电站的控制信号采用网络方式,在过程层以GOOSE协议形成网络方式进行出口控制。传统的安全稳定控制方式采用开关量接点进行点对点控制,每个环节的传输时间相对不变,而GOOSE网络的控制方式对于多个轮次的控制特别是加速轮和特殊轮控制输出的实时性将会变得不确定,对于保护装置只有一个控制对象,控制延时问题相对简单。此外,对于现有的运行管理规定,每个控制出口均可通过投退有明显开断的硬件压板方式控制出口的投入和退出,网络方式不能设置硬件压板,而如果设置在智能操作箱的出口上将是面对所有的保护与监控等二次设备,这将是管理方面面临的新问题。

2 基于IEC61850的安全稳定控制装置

2.1 系统硬件架构

基于IEC61850的安全稳定控制装置硬件采用模块化设计方式,模块之间采用基于现场可编程门阵列(FPGA)的高速同步串行通信的方式交互信息[16]。装置硬件平台由5个功能模块组成,分别为采样值(SV)接收处理模块、决策判断模块、控制信号接口模块、通信模块、后台信息管理模块。系统结构图如图1

所示。

图1 系统结构Fig.1 Systemframe

SV接收处理模块主要实现与MU的信息交互,获取元件的实时运行信息。通过光纤以太网接口以IEC61850 9 1和IEC61850 9 2协议接收MU传送出的信息。由于MU采样频率较高,不同MU发出的信息时间可能存在差异,因此需要对接收到的SV进行转换和处理。安全稳定控制系统面向整站或区域电网,因此是跨间隔设备,一个装置/系统往往要采集和控制数个甚至数十个元件,因此每个SV接收处理模块设计可以同时与4个MU通信接口,每个决策判断模块可以同时挂接5个SV

接收处理模块,单层装置最多可以采集控制20个元件;通过光纤还可以级联另外一个决策判断模块,这样2层装置最多可以采集控制40个元件,基本能满足大型变电站复杂控制的需要。SV接收处理模块以低电压差分信号(LVDS)方式通过高速同步串行通信接口与决策判断模块交互信息。

决策判断模块为装置的核心模块和神经中枢,负责收集各个SV接收处理模块传来的信息,进行综合计算,根据预先设计的控制策略作出相应的判断决策,并通过高速同步串行通信接口将决策结果下发到控制出口模块或通信模块。

控制信号接口模块接收到决策判断模块发出的控制信息后,根据CID文件的配置,将控制命令以GOOSE方式发送到GOOSE网上。此外,控制信号接口模块连接到GOOSE网上,可以实时接收GOOSE网上的开关量信息,并将开关量信息上传到决策判断模块。

通信模块负责与异地安全稳定控制装置/系统交互信息,获取异地电网运行情况,实现远方切机切负荷。通信模块通过高速同步串行通信接口与决策判断模块进行信息交互,通过E1(2048kbit/s)或E0(64kbit/s)等与同步数字体系(SDH)等设备连接,接入通信网络。

后台信息管理模块实现后台MMS通信、CID文件解析、人机接口等功能,通过高速同步串行通信接口与决策判断模块进行通信。2.2 系统软件方案

对于电网安全稳定控制装置,要求电网发生异常时尽可能快地采取措施保证电网稳定,因此对软件的效率和实时性要求很高。传统的变电站信息量均为模拟量,装置本身直接对模拟量 …… 此处隐藏：10891字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……