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【微分享】數字變電站設計——越簡單越好

微觀川送2020-05-14 13:41:27

通信和控制技術的快速發展,提供先進的功能,效率和機會,是數字化變電站現在可以輕松實現的一個主要方面。來自Schweitzer Engineering Laboratories,Inc的一組敏銳的作者認為,主變電站設備與安裝在控制室中的保護繼電器之間的通信網絡架構的設計是實現數字系統所有優點的關鍵之一。在第70屆保護繼電器工程師年會(CPRE)上發表的一篇很棒的論文回顧了他們的分析并提出了一些建議。

大多數電氣工程師現在都認為,由于各種原因,數字變電站是現代電力系統的新標準。通常選擇的是安全性,可靠性,成本節省,可用性,系統配置和更新的簡易性,系統文檔,網絡安全性以及與基于IEC 61850的標準化技術的兼容性。使用61850標準的完全數字化系統提供從站到站的所有級別的互操作性使用數字傳感器,合并單元和非常規互感器(NCIT)進行處理。

上述參考文獻的作者深入研究了一些數字設計問題,以說明重點。例如,即使用數字微處理器替換模擬系統,平均故障間隔減少到驚人的低故障率:每個微處理器平均300年才可能發生一次故障,但保持系統盡可能簡單仍然很重要,從而減少可能發生故障的設備單元數量。本文介紹了用于實現過程總線的兩種方法 - 交換網絡和點對點網絡 - 并比較了這些體系結構的各個方面。作者認為,點對點網絡設計不那么復雜,具有較低的延遲和較低的抖動。進一步,它不需要復雜的外部時間參考系統,并且設計更簡單,因為不需要諸如虛擬局域網管理(VLAN)或軟件定義網絡(SDN)之類的工具。最后,本文介紹了一種新的基于Ethernet for Control Automation Technology, EtherCAT?的點對點數字化變電站解決方案,作者認為該解決方案功能強大,易于使用且安全。



選擇簡單性來實現更好的數字化變電站設計

Greg Rzepka,Scott Wenke和Sarah Walling,Schweitzer工程實驗室公司(SEL)

摘要?- 基于數字化變電站過程總線的解決方案具有多種優勢,可用于提高高壓設備周圍的人員安全性,減少電磁干擾挑戰,降低變電站建設成本。為了實現這些好處,必須特別注意選擇用于過程總線實現的光纖網絡架構。網絡架構直接影響設計,調試和維護數字化變電站所需的工程量。

本文概述了在主變電站設備和安裝在控制室中的保護繼電器之間使用數字通信的好處。作者討論了不同的通信網絡架構及其相關協議,然后介紹了基于EtherCAT?的點對點數字化變電站技術。這種新的解決方案簡單而安全,易于實施,無需外部時間同步,無需網絡工程,并且易于擴展,可支持行波保護和未來數字化變電站的兆赫茲采樣要求。

一、導言

電力系統是有史以來規模最大,最復雜的系統之一。在過去的一個世紀中實施的保護和控制系統技術的不斷進步使得電力系統可靠性和安全性得到顯著改善,同時降低了整體系統成本。

20世紀80年代引入基于微處理器的繼電器是變電站逐步數字化的基石,提供前所未有的數據收集和通信水平以及增強的系統集成能力。在整個轉型過程中,系統的一個關鍵部分幾乎沒有受到進展的影響 - 變電站的銅質電纜將互感器和高壓設備控制電路連接到保護繼電器。

技術進步大大減少了互感器所需的能量供應,導致互感器驅動能力(5A,115V,1至2kVA)與數字繼電器之間存在較大的不匹配,數字繼電器的需求僅限于主要數量信息。現代數字繼電器輸入通常每個電路消耗不到0.5VA。實際上,這意味著大部分互感器能量消耗,驅動不必要的銅線負載。

在美國流行的5A標稱電流需要高截面導體,導致昂貴的銅CT電纜。在大型變電站中,銅的成本很容易超過與之相連的保護和控制設備的成本。這種情況可以通過使用光纖橋接開關場和位于控制室內的基于微處理器的保護繼電器來解決。數據以數字方式傳輸,多個信號復用到公共光纖通信介質上。這種方法被稱為數字化變電站解決方案。

最近變電站架構的變化隨著所謂的變電站總線的引入而發生。站控總線是基于以太網的通信總線,允許所有連接的智能電子設備(IED)交換數字數據(見圖1)。這種方法極大地簡化了IED之間的銅線布線,但它在通信基礎設施的配置和測試中引入了復雜性


展望未來,業界正在評估在光纖連接的過程中更換布線的方法。這可以通過在測量點數字化模擬電流或電壓并使用通信協議發送數字樣本來實現(參見圖2)。用于數字化的遠程數據采集設備被稱為獨立合并單元,或簡稱為合并單元(MU)。


本文討論了數字化變電站解決方案的正確應用如何提高人員安全性,提高可靠性和網絡安全性,并幫助公用事業節省建設和生命周期費用。本文還解釋了兩種用于實現過程總線的方法 - 交換網絡和點對點網絡 - 并比較了這些體系結構的各個方面。最后,本文介紹了一種新的基于EtherCAT?的點對點數字化變電站解決方案,該解決方案可靠,易用且安全。

二、數字變電站的動機

使用數字化變電站技術的動機包括降低成本,提高人員安全性和系統可靠性。在評估使用數字化變電站的潛在優勢時,重要的是要將上述效益與工程復雜性的預期增長和應用新技術相關的風險進行權衡。如果不完全了解,復雜性會影響可靠性和可維護性,并顯著增加總體擁有成本。應考慮實施任何新技術的風險,尤其是所述技術或相關標準的成熟度,技術支持的可用性以及勞動力培訓要求。

A.安全

將互感器與繼電器分離的一個好處是它降低了人員安全的風險,例如暴露的電壓互感器(PT)或開路電流互感器(CT)。由于PT或CT連接現在減少到幾米并且位于開關場內,因此典型的日常操作發生的控制室環境總體上變得更加安全并且事故風險顯著降低。較短的線纜也減少了對MU和數字繼電器設備的電磁應力的暴露。正確設計和接地的系統可以提高整體變電站的彈性,并提高對高能電磁脈沖威脅的能力。

控制室中沒有高能電纜的另一個好處是可以快速更換設備或添加新設備。通常,一套既定的程序可確保不在運行電路上工作,并確保有安全的工作環境。因為進入繼電器的唯一信號是光纖連接,所以許多過程可以加速或完全廢棄。

B.可靠性

事實證明,使用光纖的解決方案比使用銅纜的解決方案更可靠[1]。總體上需要更少的物理路由路徑和連接,這降低了布線錯誤和錯過連接的可能性。這也減少了無意誤操作的可能性。通過數字形式的模擬測量,現代基于微處理器的繼電器可以自我監控保護系統的大部分二次電路。這允許在布線故障影響電力系統操作之前更快地識別問題及跳閘。

另一方面,實現數字過程總線所需的IED數量的增加會影響系統的總體平均故障間隔時間(MTBF),其計算方法如下:


現代微處理器繼電器的典型MTBF速率在300年左右。出于說明目的,假設系統中的每個設備具有相同的MTBF。在這些假設下,由MTBF為300年的N個設備組成的系統與設備的MTBF成正比,與設備數量成反比,可寫如下:


數字化變電站至少需要兩個設備:MU和繼電器。根據所選的架構,可能需要其他設備。例如,交換網絡過程總線需要以太網交換機,并且使用來自兩個不同MU的測量的保護系統需要額外的高精度時間基準(例如,GPS時鐘)。有人可以爭辯說,可以在系統中內置額外的冗余,以達到所需的系統可用性水平。雖然如此,但需要仔細考慮維護高度冗余系統的成本。

系統的整體可靠性目標也需要仔細考慮。隨著電子設備數量的增加,對通信基礎設施的依賴以及對高精度時間參考的需求,可以減少與較少數量的終端點相關的可靠性和更強的監視數字鏈路的能力。

C.成本

節省成本是升級保護和控制系統的另一個好處。只需幾根光纖電纜就可以替換數百英尺的銅線,從而降低了材料成本和開關場電纜溝所需的物理占地面積。通過將多功能IED應用于保護,控制和監控目的[2],可以找到額外的節省,盡管設備成本因應用而異。

用光纖代替銅還可以顯著減少系統安裝,記錄,調試和維護所需的時間和人力。根據[3],在北美安裝銅基保護和控制系統的成本的75%與勞動力有關。傳統的銅質變電站需要數千個單獨的連接,必須由技術人員逐個連接,而現代數字化變電站解決方案只需要少量光纖連接并將電線端接工作移至設備制造商[4] [5]。很容易想象設備制造商已經在斷路器或IT機柜中安裝MU的未來,可能會消除現場布線過程并將其替換為基于計算機的信號映射和路徑配置。

使用示例系統比較傳統保護系統和新的過程總線技術,可以了解可以實現成本節約的位置以及成本可以增加的位置。對于此討論,單一線路保護用作示例系統。表I概述了與開發傳統保護系統所需的活動相關的成本,使用交換網絡的基于過程總線的保護系統,以及使用點對點架構的基于過程總線的保護系統。然后提供對每項活動及其成本的解釋。請注意,對于任何給定的安裝,節省和成本會根據所需設備的數量,系統的復雜程度等而變化。


工程勞動力包括保護設計,保護工程,SCADA工作和起草成本,占大部分費用。三種網絡類型的估計成本基于工程咨詢公司的標準費率以及對各種技術的工作時間的估計。交換網絡的人工成本增加,因為雖然減少了繪圖和接線圖的工作量,但還需要額外的工程和文檔工作來配置網絡。確保網絡具有良好的工廠驗收測試記錄以及將來的故障排除,可以增加額外的數千美元。值得注意的是,對于大型項目,工程人工成本可以分散在使用相同網絡的多個保護方案中,每個應用程序的成本低于本小節中描述的成本。對于點對點網絡,通過降低牽伸和布線成本可以節省成本。此外,由于網絡不需要物理連接之外的文檔,類似于傳統系統,因此可以節省額外的人力。

電子設備的成本因傳統應用,交換網絡拓撲和點對點拓撲而異。因此,假設所有三種技術的IED在成本上相似。請注意,來自單個制造商的已發布設備價格用于限制示例的范圍,并在比較網絡類型時保持一致。過程總線解決方案的額外成本來自附加設備。交換網絡還需要MU,交換機和時鐘。交換機和時鐘可用于同一站點的其他保護應用,因此折扣因子應用于表I中所示的成本。在點對點網絡中,唯一的額外設備成本是現場MU 。

在討論這些解決方案時,銅和光纖材料成本可以分組,因為過程總線解決方案的一個目標是用單根光纜替換許多銅纜以節省資金。對于單線路保護,假設銅纜包括電源,CT / PT連接和控制連接。銅價可能波動; 然而,這個例子假設每英尺3美元的價格。對于傳統系統,銅用于所有連接,因此沒有光纖成本。對于過程總線解決方案,成本是相同的,銅成本主要來自銅線以向MU或其他設備供電或者為碼頭中的觸點供電。雖然表I中未列出,但無論選擇哪種解決方案,其他材料費用(如面板和控制室)大致相同。

標記為其他人工的活動包括所有設備的安裝和接線所需的大部分現場工作。假設MU由主要設備制造商安裝,并且在與諸如斷路器柜之類的設備訂購時安裝并接線。在這種情況下,最終用戶需要進行的唯一連接是光纖和電源連接。連接較少且無需更少的電纜溝工作可節省大量人力。交換網絡解決方案的勞動力成本增加源于需要通過變電站中的交換機進行額外連接和管理。必須使用技術人員和網絡工程工具,因為連接需要精確,以使解決方案能夠以預期的性能運行。考慮到所有這些活動,實現交換網絡的總成本幾乎與傳統的銅網絡相同。但是,通過實施點對點網絡,用戶可以節省17%的成本

三、過程總線架構

在談論數字化變電站時,重要的是要區分并考慮過程總線和站總線的不同要求。站總線允許在控制室中的IED之間交換信息,而過程總線用于傳送未處理的系統信息,例如原始電壓,電流,狀態信號和決策信號(即跳閘信號)[6]。由于這些信號的性質以及它們與保護系統的關系,在考慮延遲,抖動,可用性和數據丟失時,每個網絡的要求可能會有很大差異。例如,定向重傳由通用面向對象的變電站事件(GOOSE)協議保證的消息有助于防止單個數據包丟失。諸如快速生成樹協議(RSTP)之類的協議允許在通信鏈路故障的情況下進行動態網絡重新配置。諸如RSTP之類的協議提供的恢復時間可以是幾十毫秒的量級。應該注意,關鍵數據(例如,斷路器故障消息)可以在站總線上傳輸。在這種情況下,站總線要求類似,但遠高于過程總線要求。

對于過程總線,自愈和可用性的要求更加嚴格,因為過程總線現在包括持續流式傳輸且對保護至關重要的實時數據。這意味著不僅可用性和自愈要求更加嚴格,而且數據量通常要高得多。例如,對于具有4.8 kHz采樣數據的流,具有一組電流和電壓的IEC 61850-9-2LE流通常需要大約5 Mbps的量級。對于這些示例參數,MU大約每200微秒發送一個數據包。用戶IED的每個數據包的可用性取決于制造商的設計,但可以假設大多數允許至少一個丟棄的數據包而不禁用該設備。無論哪種方式,這些網絡要求意味著RSTP系統的典型恢復時間(幾十毫秒)不足以在發生通信系統組件故障時保持系統的完整性。處理這些嚴格網絡要求的一些可能措施將在本文后面討論。

A.交換網絡架構

使用過程總線的數字化變電站可以采用交換網絡架構進行部署。在這種情況下,系統由幾個設備組成:主設備附近的一個單元,用于對模擬數據進行采樣以發布到網絡(即MU),在網絡中切換以路由數據,IED用于采集采樣數據,以及一個時鐘(見圖3)。由于以太網和交換網絡的可變性,來自分布式數據采集單元(DAU)的數據必須是同步的并且是時間對齊的。這通常通過GPS時鐘信號完成,例如每秒脈沖信號,IRIG-B信號或精確時間協議(PTP)信號。


使用交換網絡方法的一個好處是諸如多播分組的工具可用于將信息從一個生產者傳遞到多個用戶(例如,訂閱單個MU的多個保護裝置)。但是,由于廣播/多播數據包被發送到每個設備(即使是那些不需要或訂閱數據的設備),也應該使用網絡管理工具,如虛擬局域網(VLAN),以確保網絡不會成為過載并對保護系統的運行產生不利影響。

使用交換網絡的另一個考慮因素和好處是能夠設計容錯網絡,該網絡可以從任何單一故障中恢復(例如,光纖鏈路或交換機故障),確保保護仍然可用。這些設計方法包括用于自動重新配置網絡的RSTP,用于在單獨網絡上復制消息的并行冗余協議(PRP),或用于以確定方式預先設計故障轉移路徑的軟件定義網絡(SDN)。雖然所有這些方法都為網絡故障提供了恢復能力,但每種技術的響應時間都大不相同。RSTP在數十毫秒內恢復,SDN在不到一百微秒內恢復,PRP在重復網絡上提供無損故障轉移。

所有基于網絡的解決方案共同的一個重要實現是,保護工程師可能希望抽象通信網絡并將其視為“云”,能夠在需要的地方和時間提供消息,它不能被抽象為用于承載保護流量的網絡。保護工程師必須能夠完全掌控網絡設計和操作,并對所有故障模式及其與基礎保護方案的相互作用有深入的了解。在先前列舉的技術中,SDN是唯一提供必要控制級別的技術。雖然很有希望,雖然所描述的技術確實為通信故障提供冗余,但應注意,除非在方案中也使用第二保護設備,否則不提供保護冗余。這就提出了進一步的問題,即需要單獨的網絡來實現完全獨立和冗余的保護; 但是,這些超出了本文的范圍。需要針對每個電力公司評估這些問題,以平衡冗余和彈性與項目成本。

B.點對點架構

點對點數字化變電站架構就是指向兩個設備之間的點對點。如圖4所示,數據直接從一次設備中的MU發送到控制室中的保護繼電器。這消除了大量復雜性,包括為過程總線應用程序提供服務所需的開關,時鐘和配置以及冗余工具。由于系統簡化,因此網絡具有較低的延遲和較低的抖動。設計也更簡單,因為不需要VLAN或工程SDN流等工具。


四、架構比較

A.設備連接

如前所述,交換網絡使用四種類型的設備(MU,保護,交換機和時鐘),而點對點網絡僅使用兩種類型(MU和保護)。兩種解決方案都使用一次設備中每個站點的接線端子為每個外部I / O點的導線提供連接點。MU包括I / O線的終端點,因此并不是直接采樣控制。

從那里,所需的連接數量因解決方案而異。對于交換網絡(參見圖5),一對光纖將MU連接到控制室中的以太網交換機。然后將開關連接到繼電器以及時間源。由于交換網絡具有更多設備,因此需要更多光纖端接點。對于點對點網絡(見圖6),MU通過光纖對直接連接到控制室中繼電器上的光纖收發器。即使有多個I / O連接,連接點對點系統所需的光纖終端點也明顯減少。

過程總線網絡中所需的連接數會影響系統的可靠性[1]。由于點對點系統需要較少的連接,因此它比交換網絡更可靠。



B.時間

時間同步對于分布式系統至關重要,因為需要將采樣的模擬信號對齊以用于保護形式,例如差動保護。如果信號未正確對齊,則可能發生錯誤操作。

在討論時間同步時,絕對時間和相對時間之間存在重要區別,以及它們如何在過程總線應用程序中工作。對于差動保護等應用,唯一的要求是相對時間,因為目標是簡單地對齊本地和/或遠程樣本。

在維持相對時間方面,交換網絡和點對點架構具有非常不同的挑戰。對于交換網絡,任何一個數據包在網絡中占用的路徑每次都可以更改。這可能有幾個原因。如果網絡負載很重,則可能需要更長時間才能將數據包從交換機緩沖區中取出。如果鏈路斷開,則路由數據包的物理路徑可能會發生變化,并且需要更長或更短的時間才能到達目的地。由于這些原因,系統中的所有設備通常與公共時間源(通常是絕對時間源)同步,以便稍后可以標記和對齊所有消息。

時間對準通常使用IRIG-B或PTP參考信號完成,該信號使用高質量同步光網絡(SONET)系統在地面上傳送或者從諸如GPS或GLONASS的源獲得。這意味著所有設備都會同步到絕對時間,以解決系統可能引入的任何抖動。使用嵌入在流中的采樣時間戳在終端設備(通常是訂戶)中執行對準,該時間戳將所有接收的數據與公共時標對齊。如果任何數據是異步的,則對齊失敗,優先考慮時間與數據(例如,PTP)一起分布的系統,其中時間傳遞系統故障獨立于通信網絡(例如,IRIG-B)。

相反,在點對點網絡中,可以以更簡單的方式執行時間同步。因為點對點網絡具有固定的等待時間,通常控制良好的抖動通常在50到100納秒的量級,所以通過考慮連接固有的固定延遲,可以保持適于保護的相對時間。這樣做的好處是每個連接都可以由IED直接測量,然后在每個鏈路的基礎上進行校準,以創建相對時域,而無需絕對時間信號。另一個好處是,因為計算通信介質中的延遲的方法相當簡單,所以它們可以在沒有用戶輸入的情況下自動完成。這使得點對點架構比交換網絡更易于配置。

C.網絡工程

使用交換式以太網網絡進行保護通常需要網絡工程專業知識和工具。雖然當簡單網絡上的數據量相對較小時可以使用非托管網絡,但考慮到維護過程總線性能水平所需的更嚴格的要求,這不是建議的做法。使用非托管網絡產生的任何意外后果都會危及系統的保護。在這種程度上,使用用于網絡工程的工具(例如,VLAN和網絡優先級)來確保網絡流量僅到達期望的位置并且過多的網絡流量不影響保護。

使用和理解網絡工程需要配置和協調多個交換機,這需要仔細協調和記錄。使用VLAN可確保流量僅路由到其預期收件人,并且交換機僅將具有特定VLAN標記的數據傳遞到指定端口。在過程總線上為每個模擬數據流和GOOSE消息提供VLAN標記,確保消息僅從工程師指定的端口中路由出來。

準確,快速地路由數據的另一個工具是將最重要的數據放在最高優先級,以便交換機能夠及時獲取數據。在過程總線系統的情況下,發出跳閘信號和保護關鍵模擬數據流的GOOSE消息是由于其任務關鍵性質而可能被賦予更高優先級的數據的示例。

雖然這些工具對于確保交換網絡過程總線的完整性很有用,但它們還需要具備網絡工程和保護要求的知識,或者更有可能需要具有這些技能集的兩個或更多個人來協調和定義應用程序要求。成功部署。在評估其中一個項目時,需要考慮這些知識(或缺乏這些知識)。

交換網絡架構的另一個挑戰是針對許多異常情況測試現場安裝。由于交換機通常使用生成樹算法從故障點進行修復,因此幾乎不可能模擬每種可能的故障模式和網絡的恢復行為。相反,應針對給定的安裝評估許多定義的最壞情況和典型的故障模式,以確保網絡能夠處理足夠的故障模式以滿足應用。PRP等協議提供了一種通過復制網絡基礎設施來設計冗余網絡的方法。這提供了N-1冗余,但代價是增加了設備和復雜性。

如果在初始安裝后擴展系統,則對交換網絡進行網絡工程也具有挑戰性。能夠使用相同的設備在未來擴展網絡以節省資本支出是有吸引力的。網絡中的許多交換機可能具有可用于以非常節省成本的 方式擴展的附加端口。然而,這種方法的缺點是引入了更多數據和新行為,需要進行測試和評估,以確保新設備能夠正常運行,并且以前未經驗證的應用程序都不會受到損害。所有這些挑戰都可以克服,但它們是應該針對任何過程總線安裝進行評估的考慮因素。

外部時間參考對分布式系統至關重要。基于網絡的過程總線系統取決于高質量時間分配服務的可用性。與通過將幾個GPS時鐘連接到網絡骨干來實現時間服務的普遍看法相反,必須保證可靠的時間分配并由網絡本身提供。必須將時間分配提升到有保證的網絡服務級別,以確保(通過設計)所有可以相互通信的設備也具有相同的時間概念。與絕對時間參考的時間同步不太重要,但是一旦多個變電站連接在一起或者與公共控制中心連接,就必須存在同步。地面時間分布總是優于無線和基于GPS的系統,

變電站網絡技術正在快速發展,市場上已有許多競爭解決方案。雖然作者樂觀地認為在不久的將來可以獲得強大而成熟的交換網絡解決方案,但由于技術的發展導致了互不兼容的標準和系統的拼湊,設備可用性仍然有限。

由于其簡單的設計和直接連接,點對點系統易于配置。接線是標準化的,類似于傳統的銅線,由設備制造商執行。單個電纜的數量減少,因為多個電路用單個MU服務并且數據使用單個光纖對傳輸。單根光纖電纜可以輕松承載20到30根光纖對,從而大大減少了穿過院子的變電站硬化光纖電纜的數量。只需拔掉單根光纖即可隔離和測試電路,需要更少的再培訓,并防止因操作員錯誤而導致意外誤操作。人員只需要驗證連接是否正常,這可以通過目視檢查光纖端口狀態LED來實現。

使用標準工業光纖電纜使終端和更換變得簡單和經濟。現代IED允許用戶在實驗室中預先分配一個分布式系統,以便更容易驗證保護系統配置。然后可以將有關配置和拓撲的詳細信息存儲在設備的存儲器中。在變電站中部署系統時,IED可以驗證系統中的每個模塊是否與預先配置的配置完全匹配。如果交換端節點或以不同的順序連接設備,則可以快速檢測并解決問題。

D.網絡安全

存在于最靠近主要設備的層中的過程總線網絡應該考慮到網絡安全最佳實踐。這一點尤其重要,因為這些網絡符合北美電力可靠性公司關鍵基礎設施保護(NERC CIP)的要求。NERC CIP提供高級標準,以幫助保護關鍵基礎設施的物理安全和網絡安全,CIP-005至CIP-009適用于過程總線。

交換網絡和點對點網絡位于物理安全邊界(PSP)和電子安全邊界(ESP)內并進行通信。PSP的存在是為了防止對設備的未經授權的物理訪問,并且ESP用于保護網絡內的通信以及PSP外部的鏈路[7] [8]。由于交換網絡和點對點網絡的位置,減少了對加密安全通信的需求,并且網絡都沒有將其內置到其協議中[9]。

進程總線中的每個設備都是攻擊的潛在目標,因為它提供了對網絡的訪問點。雖然交換網絡和點對點網絡都使用保護和MU,但前者還包括必須經過自身安全評估的交換機和時鐘,然后通過策略,網絡設計和工程規程進行管理,以限制可訪問性。使用最新SDN技術提供的靜態路由,白名單和深度數據包檢測有助于管理,但配置仍然相對復雜。這種增加的復雜性可能導致錯誤配置和其他人為錯誤,從而增加安全風險[9]。鑒于點對點架構不使用開關或時鐘,并且它直接將院子里的MU與控制室中的繼電器連接,沒有辦法從外部訪問過程總線[2]。因此,解決方案因其簡單性而具有固有的網絡安全性。

減少或完全消除對進程總線的訪問有助于避免網絡威脅,例如中間人攻擊。如果可以訪問,攻擊者可以通過更改數據,修改合法命令或注入惡意命令來觸發不需要的斷路器操作來中斷電源系統。由于點對點系統是隔離的并且使用直接連接進行通信,因此系統遭受此類攻擊的可能性會降低。

E.數據冗余

數據冗余是復制數據并在數據丟失時使用它們的能力。在評估數字化變電站技術時,這一點非常重要,因為通過過程總線解決方案,可以引入更多設備(因此引入更多故障點)。數據冗余可以通過將來自MU的信息從多個端口發送到完全獨立的網絡(例如PRP中使用的方法)來抵消可靠性問題。這意味著數據被復制; 如果它們在一個網絡上丟失,它們仍然可以被預期的用戶使用。查看數據冗余的另一種方法是讓單個MU向多個訂戶發送數據。如果數據在通往一個用戶的途中丟失或損壞,則數據可以傳送給第二個用戶,并且IED可以使用該數據進行保護。對于任一數據冗余方法,應注意確保以預期方式復制和傳遞數據。如果訂閱的IED收到太多意外的數據包,它可能會根據其設計禁用以防止任何不需要的操作。

對于點對點架構,數據冗余更加有限,但仍可以實現一些好處。可以維持點對多點連接,以便將數據復制到多個設備,但仍然在每對設備之間保持點對點架構。這需要具有多個端口的專用硬件,但它可用于增強系統對單點故障的彈性。點對點系統的簡單性保持不變,同時獲得數據冗余的好處。在點對點系統中,重點是功能保護系統冗余(例如,Main I,Main II),這在業界得到了很好的理解和廣泛接受。

F.維護問題

這些新過程總線技術的用戶最關心的不僅是初始安裝,而且還需要持續的維護,以確保系統在設備的整個生命周期內保持運行并且可靠。交換網絡和點對點架構具有共同的維護問題,因為系統現在是分布式的,而不是位于中央位置,例如控制室。為了測試模數轉換電路,需要在轉換位置(即在MU處)注入受控信號,并通過計量檢查進行驗證。這可以通過直接從MU檢查讀數(如果可用),或通過訂閱設備并通過遠程連接訪問注入單元或訂戶來最容易地完成。第三種選擇是直接獲取網絡或光纖上的數據然后解碼數據包。這種方法可以用第三方工具加速,但通常不像前面提到的方法那么簡單和直接。

除了常見的維護問題之外,在選擇技術時還需要考慮切換網絡的特定問題。一個重要的問題是如果對安裝進行了任何更改,例如安裝新設備或配置設備以將額外的流量添加到網絡上(例如,新的GOOSE消息)。對網絡的任何更改都需要進行評估,以確定所需的其他網絡更改,例如為新消息實施新VLAN。至少必須更新文檔。這些更新和維護工作需要審查網絡工程師,最好是負責初始設計的工程師。這反過來又為任何維護項目帶來了額外的成本,這些成本可能使交換網絡安裝的總成本不可持續。

通過使用點對點光纖架構可以消除許多所描述的挑戰。這在很大程度上是由于今天在安裝中部署了點對點架構,僅使用銅而不是光纖。許多銅實踐類似于必須用于點對點光纖網絡的實踐。如果系統受到物理損壞,則損壞應該是物理可見的,然后可以根據需要進行修理或更換,類似于傳統安裝。此外,所有光纖端口都有LED指示其狀態,通知用戶鏈路健康狀況,鏈路活動或其他指示。這些指示在嘗試確定問題是否與端口本身有關時提供了洞察力,因為端口通常運行自我診斷。

五、新的點對點方法

點對點架構簡化了數字化變電站解決方案的許多方面,并且可以通過使用IEC 61158中描述的EtherCAT協議(https://en.wikipedia.org/wiki/EtherCAT)獲得額外的好處。EtherCAT最初開發時關注于短周期時間,低抖動和精確同步。許多這些相同的目標很好地轉化為過程總線解決方案的要求。本節介紹基于EtherCAT的新型點對點數字化變電站解決方案。

在該解決方案的建議方法中,具有多個EtherCAT端口的單個IED連接到具有模數轉換以及數字輸入和輸出操作功能的多個遠程DAU,同時保持點對點架構(參見圖7)。啟動時,每個端口都會探索網絡中連接的設備,并創建在IED和DAU之間傳遞的單個預定義數據包。數據包在通過系統中的每個部分時即時更新。然后在IED中收集并對齊所有數據,其中執行所有保護和站總線功能。


圖8顯示了傳統繼電器與使用EtherCAT技術的相同配置繼電器相比的操作。重疊COMTRADE捕獲顯示由于IED補償,模擬通道與傳統繼電器正確對齊。過流功能操作的2毫秒延遲是由非零通道延遲引起的。預期的延遲小于1.5毫秒; 但是,該設備正在以2毫秒的間隔處理保護。

通過以點對點方式連接設備可以保持相對時間。此外,EtherCAT協議還具有同步多個節點的機制,以便它們同步采樣。通過在主設備中使用參考時鐘并發送同步消息,可以告知所有從節點同步采樣。因此,可以實現優于1微秒(大約50到100納秒)的精度。


與標準以太網數據包相比,EtherCAT系統可以更有效地利用可用帶寬。由于連接處于沒有切換的封閉系統中,因此無需在數據包中構建開銷以進行尋址和路由。另外,分組是根據網絡上找到的實際設備構造的,因此,不需要在分組中具有占位符,用于該特定應用中可能不存在的東西。通過在啟動時預定義數據包,延遲減少,因為數據包不需要由網絡上的任何設備解析并且是即時寫入的。這意味著抖動時間完全取決于可以在接收連接上讀取數據包的速度以及路由到傳輸連接的速度。

隨著諸如行波保護的過程總線應用的發展,抖動和延遲變得更加重要。該技術提供超高速故障檢測,通常大約幾毫秒。行波保護需要兆赫采樣率,或者比本文前面討論的過程總線解決方案大幾個數量級。考慮到傳輸的數據量和數據包必須發送的速度,數據包傳輸的任何低效率都會成倍增加,這使得EtherCAT方法更適用于行波保護等高采樣率應用。

六、結論

基于數字變電站過程總線的解決方案使公用事業能夠實現眾多優勢。用光纖代替銅可以從人員工作的控制室中消除危險電壓,從而提高安全性。它還減少了所需的連接數量,從而最大限度地減少了接線錯誤的可能性以及解決這些錯誤所需的后續返工。由于光纖的自檢能力有助于早期發現損壞的傳輸通道,無論是由于錯誤還是由于電纜中斷,光纖比銅更可靠。

在保護和控制系統中使用銅對變電站成本有很大影響,遠遠超出了布線成本。通過轉向基于光纖的解決方案,公用事業公司可以減少材料費用以及與設計,安裝,調試和記錄系統相關的人工成本。

交換網絡模型和點對點方法都是合適的數字化變電站過程總線解決方案。但是,點對點系統更易于設計,部署和維護,因為它不需要以太網通信基礎設施或外部高精度時間源。鑒于勞動力的人口統計數據不斷變化以及技術組合在網絡工程方面的局限性,在更新到基于光纖的解決方案時,建議使用點對點系統。

最簡單的點對點解決方案是本文中描述的基于EtherCAT的新方法。它提供簡單性和安全性,同時解決了基于以太網的解決方案遇到的許多問題。首先,EtherCAT維持繼電器和DAU之間的相對時間。系統不依賴于外部時間信號進行保護,而在分布式系統中,DAU都相互同步采樣。其次,該解決方案提供低延遲和低抖動,因為預定義數據包與發布者和訂閱者之間有直接連接。第三,它可以擴展以適應未來的數字化變電站要求,例如行波保護和兆赫采樣。最后,它很容易實現,無需網絡工程。

七、參考文獻

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[9] J. Casebolt,“數字化變電站的簡單安全性”,2016年11月。可用:https://selinc.com。

八、作者簡介

Greg Rzepka在西里西亞理工大學獲得電子工程碩士學位,并獲得博士學位。密蘇里科技大學電氣工程專業。在2005年加入Schweitzer Engineering Laboratories,Inc。(SEL)之前,Rzepka博士曾在波蘭的傳輸系統運營商工作。在SEL,他領導保護系統集團的研發工作,負責輸電,變電站,配電和工業產品線。他是IEEE和IEC TC57的成員。

Scott Wenke獲得了華盛頓州立大學的電力工程學士學位。在2013年加入Schweitzer Engineering Laboratories,Inc。(SEL)之前,Scott在Itron工作。在SEL,他是電力系統研發團隊的產品經理,負責輸電和變電站產品線。自2012年以來,他一直是IEEE的成員。

Sarah Walling在Gonzaga大學獲得組織領導碩士學位,在俄勒岡大學獲得新聞學碩士學位,在索諾瑪州立大學獲得英語文學學士學位。在2011年加入Schweitzer Engineering Laboratories,Inc。(SEL)之前,她曾在Purcell Systems和愛達荷國家實驗室擔任技術編輯。在SEL,她是一名高級營銷專家,協助發電機,變電站,輸電,配電和電機產品線的營銷工作。

該論文在2017德克薩斯A&M保護繼電器工程師大會上發表。

?2017 IEEE-保留所有權利。

20170213?TP6777-01

來源:輸變電世界


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