数字化变电站系统介绍-入门篇

数字化变电站系统介绍-入门篇

北京四方继保自动化股份有限公司

2018-5-8

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编写目的：本文档完全是数字化变电站的入门文档，面向对象是那些对数字化变电站感兴趣的同事，希望通过此文档消除各位对数字化站神秘性的印象，而如果能顺便提起各位对数字化站的兴趣那就功德圆满了。

1、定义：61850为数字化变电站提供了整套解决方案，是数字化变电站实现的基础。61850标准包括很多方面，如总体要求、系统和工程管理、原理和模型、一致性测试等，太多，详见“IEC61850变电站通信网络与系统系列标准”；

对于61850标准，一个字：太难！不过还好此文档我们只关心实用部分。下面我就按照网络结构、各层与常规站的主要区别、各层装置的结构、对时方式等方面做个简单介绍，力争让大家对数字化站有个面上的印象。为了方便理解，文档最后对一些常见术语做简单说明。 2、网络结构：采用分层分布式网络结构，共分3层，分别为站控层、间隔层、过程层。

互感器断路器端子箱一次设备光纤串口：私有规约合并单元电缆：传统接口智能操作箱北京四方户外柜北京四方过程层设备光纤以太网：SVIEC61850-9-1/2光纤以太网：GOOSERUGGEDCOM过程层交换机SVSV GOOSE保护装置SV GOOSE测控装置北京四方保护柜电度表北京四方间隔层设备电以太网：MMS北京四方站控层交换机电以太网：MMS北京四方监控系统远动装置站控层设备典型特征：一次设备智能化，二次设备网络化。

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从网络结构上我们可以看出，数字化站比常规的综自站多了一个过程层，这就是数字化站与常规站的最大不同。而过程层与间隔层之间取消了硬电缆，取而代之的是网络通讯。大家可以这样理解，最早的变电站数据采集直接通过电缆接到控制室的控制屏，随着变电站自动化的发展，有了间隔层装置用来采集一次数据，这样电缆由主控室改到了保护小室，保护小室与控制室通过网络通讯。而数字化站又有了过程层设备采集一次数据，这样电缆又由保护小室直接到了一次设备。（从这方面看，数字化站很省钱的，要知道铜啊铁啊是很贵的，而且最近一直在涨）。由于网络结构的改变，对过程层和间隔层设备都提出了要求，也就是：一次设备智能化，二次设备网络化。简单来说，一次设备具备了采集数据的能力，而二次设备（就是间隔层装置）采集数据的方式由硬电缆改为了网络。 3、各层与常规站的主要区别 过程层 （一次设备） 电磁式互感器，传统开关 间隔层 传统保护测控设备，电缆硬连接 站控层 常规变电站 常规系统 按照标准要求，增加一个61850系统配置器 数字化变电站 智能操作箱，MU合并单元； 非常规互感器网络化装置，网络化（EPT/ECT,OPT/OCT），智通讯--SV/GOOSE 能机构 大家结合着网络结构来看上面的表。 4、各层装置的结构

通讯方式的改变使装置的结构有了很大变化，且看以下介绍。

4.1过程层：包括智能操作箱和MU，还有数字互感器（非常规互感器）。

4.1.1：智能操作箱组成：JFZ600F-线路，JFZ600R-本体

插件种类插件开入插件操作插件非电量插件Master开出插件直流插件电源插件GO_A背板端子GO_B测试哈丁电缆哈丁电缆哈丁电缆哈丁电缆哈丁电缆哈丁电缆 操作箱的功能相当于目前常规测控装置（交流除外）和常规操作箱的集合。对于完整的数字化变电站来说，此装置应该是集成在智能机构中，但是由于一次设备的智能化是目前数字化站的最大难点，包括国际大公司比如ABB、siemens等的产品都不是很成熟（不必崇拜大公司，61850都10多年了还不完善，可见老外的智商也就那样），所以才有了过渡产品—

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智能操作箱的出现。

智能操作箱完成对一个间隔断路器、刀闸的控制和采集工作，对间隔层设备具备2个独立的GOOSE接口，对一次设备仍然为电缆接口。也就是说，智能操作箱通过电缆接入一次设备（与传统一样），然后通过GOOSE报文的网络方式上送给间隔层的保护、测控等装置。其中，前面板测试口用于下载程序和配置，同时可以连接操作箱面板显示软件。

此装置就地安装，一般安装在开关柜上。 4.1.2：合并单元的配置—CSN15B

数字互感器传统互感器多路采样数据：IEC61850-9-1IEC61850-9-2IEC60044-7/8光纤以太网供电＋同步脉冲北京四方光纤串口单路采样数据对时信号PPS/IEEE15885A/100V电缆

合并单元具备光纤接口和电缆接口，可以接入数字互感器和传统互感器，具备12路互感器接口，按6+6配置，即可以支持12光、12电、6光6电三种配置。输出为以太网或串口的数据。合并单元需要同步信号输入。

合并单元简单来说就是将电流、电压数字互感器输出来的数字量合并在一起，通过同步信号同步后，上送给间隔层装置；也可以将传统互感器过来的模拟信号转换成数字信号然后上送给间隔层装置。一句话，合并单元的功能就是：合并电流、电压，模拟转换成数字。

按照数字化网络结构来说合并单元属于过程层设备，需要就地安装，但是由于mu的激光工作电源的温度限制，经常和间隔层装置一样组屏安装在保护室。

4.1.3：数字互感器

主要包括电式和光式两种，我们公司自己的正在研发，相信不久的将来就会生产出来。

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非常规互感器特点：

★绝缘性能优良，造价低。电磁式互感器一次侧与二次侧之间通过铁心耦合，绝缘结构复杂，其造价随电压等级的升高呈指数关系上升。在光电式互感器中，高压侧信息通过光纤传输到低压侧，其绝缘结构简单，造价一般随电压等级的升高呈线性增加。

★消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。光电式互感器无铁心，消除了磁饱和及磁谐振现象，互感器运行暂态响应好、稳定性好。

★暂态响应范围大。电磁式互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量。光纤互感器有很宽的动态范围，一个测量通道额定电流可达到几十安培至几千安培，过电流范围可达几万安培，可同时满足测量和继电保护的需要。

★没有易燃、易爆炸等危险，无需检压检漏 。非常规互感器一般无需油或SF6绝缘，避免了漏油、漏气、爆炸等问题。

★二次侧无开路、短路危险。电磁式互感器二次回路存在开路和短路危险，非常规互感器的高压侧与低压侧之间一般只存在光纤联系，可保证高压回路与低压回路在电气上完全隔离。

★频率响应范围宽。非常规互感器实际能测量的频率范围主要取决于互感器的电子电路部分，其极限频带在几MHz以上，能很好地满足电力系统故障录波的要求。

★体积小、重量轻，运输方便。光纤互感器的传感头本身的重量一般小于1kg。美国西屋公司公布的345KV OCT高度为2.7m，重量为109kg。而同等电压等级的充油电磁感应式互感器高为6.1m，重量达7718kg，这给运输和安装带来了很大的不便。

★抗电磁干扰能力强。光纤互感器通过光纤信号传递信息，隔断了电磁干扰的路径，电磁干扰仅能通过场的方式偶合，其强度大大降低。

简单一点：对于调试来讲，非常规互感器与常规互感器最大的区别就是输出的是数字信

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号。

4.1.4：过程层交换机

SV GORUGGEDCOMRUGGEDCOMSVGOSVSVSVGOSVSVGO

过程层与间隔层之间采用的是网络报文的方式传送数据，交换机是必不可少的。由于过程层与间隔层之间传送报文的重要性（GOOSE传送开入、开出等，SV为采样值），对交换机同样提出了要求，以保证数据传输的快速性和可靠性。

一般来说，交换机需要具备的最基本要求是支持802.1Q（VLAN）和802.1P（优先级）。 交换机中使用基于802.1Q的VLAN后，可以实现数据流向的控制，输入的GO和SV数据可以按配置输出到需要的端口，不需要的端口无法输出数据，VLAN可以实现跨交换机。

交换机中使用基于802.1P的优先级后，可以保证重要数据先传送，次要次之，一般数据最后传送，从而保证重要数据的快速传送。

在此，希望咱们四方公司能够尽快出相应的交换机并成功打入数字化市场，要知道过程层交换机在数字化站的二次投资中占了相当大的比例啊。 4.2间隔层：包括保护装置、测控装置、测保一体装置、低压CSC200P系列；除低压CSC200P之外，插件总体设计原则为过程层和站控层分开。

重要改变：由于间隔层装置需要的数据都是通过网络传送，取消了常规的电缆接线，所以数字化站间隔层装置最大特点是见不到哈丁端子了，比如开入插件、开出插件、交流插件等全部取消，只有管理版和CPU插件；通讯的只有网络接口了。下面是目前数字化站出现过的各种间隔层装置的结构。

4.2.1测保一体装置结构一：

GOOSEMaster插件种类插件测控插件保护插件插件电源插件MMS_A背板端子MMS_BMMS_C测控采样保护采样GO_AGO_B测试哈丁电缆对站控层对过程层

对站控层：master板，采用MMS接口，最大支持3以太网；

对过程层：保护、测控CPU---每个CPU都具备独立的SV输入接口。GOOSE插件---保护和测控公用GOOSE插件，具备2个独立的GOOSE接口。测试口用于下载程序和配置，同时可以连接操作箱面板显示软件。

工程案例：唐山郭家屯

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4.2.2测保一体装置结构二：

保护测控插件GOOSEMaster插件种类插件插件电源插件MMS_A背板端子MMS_BMMS_C保护测控采样GO_AGO_B测试哈丁电缆对站控层对过程层 对站控层：master板，采用MMS接口，最大支持3以太网；

对过程层：保护、测控CPU--- CPU合一，具备公用的SV输入接口。GOOSE插件---保护和测控公用GOOSE插件，具备2个独立的GOOSE接口。测试口用于下载程序和配置，同时可以连接操作箱面板显示软件。

工程案例：唐山乐亭

4.2.3保护装置结构：

对站控层：master板，采用MMS接口，最大支持3以太网；

对过程层：具备公用的过程层输入接口，同时接入GOOSE和SV。 工程案例：嘉兴田乐

4.2.4测控装置结构：

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对站控层：master板，采用MMS接口，最大支持2以太网；

对过程层：具备公用的过程层输入接口，同时接入GOOSE和SV。 工程案例：嘉兴田乐

4.3站控层：包括监控、远动、子站等。

总的来说，数字化站控层的要求同61850站。

4.3.1监控系统：我们公司监控系统分为CSC2000和CSC2000 V2两个版本，数字化站要求监控系统采用V2。按照61850标准，在V2系统中集成了61850系统配置器，用于全站库的建立。

4.3.2远动系统：要求同61850站，采用CSC1321系统。 5、对时方式：

GPS/北斗监控主机时钟源装置四方继保SNTP保护装置四方继保测控装置四方继保IRIG-B码秒脉冲PPS四方继保四方继保智能操作箱合并单元

★站控层设备使用SNTP网络对时。 ★间隔层测控、保护、测保一体装置和过程层智能操作箱使用B码对时或者IEEE1588。 ★合并单元采用秒脉冲对时。 6、常用术语：

术语的介绍完全本着好理解为前提，定义并不一定很专业，只求明白。

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IED:智能设备，就是咱们现在说的保护、测控，包括数字化的智能操作箱等等，就是比较前卫的新称呼而已。

互操作：不同厂家的IED之间能够交换信息并能够利用交换的信息完成各自的功能；举例：四方的保护装置跟别厂家的监控通讯直接挂网，四方的保护可以和别的厂家的智能操作箱通过网络直接通讯等等。这也是61850提出的主要目的。

模型：IED智能设备的功能描述文件；简单来说就是点表，包括以前的四遥量、37/38报文、定值等等的集合，有了模型就无需再做点表了，后台使用直接调取就可以了。

GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）：通用面向对象的变电站事件。大家都知道网络完成保护功能最大的问题就是快速和可靠，GOOSE的提出就是为了使IED之间更好的进行通讯。目前过程层与间隔层、间隔层之间传送的报文就是GOOSE。

SV：数字化采样值，比如电流、电压。

MMS（Manufacturing Message Specification）：制造报文规范，说白了，监控和保护设备之间通讯使用的就是MMS，这是一个网络通讯标准，就跟2000规约的道理一样，只不过标准化了而已。

VLAN（Virtual Local Area Network）:虚拟局域网，简单来说一个物理交换机的前提下通过软件划出好多虚拟的lan网。

MU（merging unit）：合并单元，指的是把一次的光PT、光CT的遥测量合并起来。数字化变电站中的遥测量传送都是数字的，IED设备需要的是同一时刻的电压和电流量，MU的作用就是将光PT、光CT的采集量进行合并后发给保护或测控装置，以保证数据的时刻统一。

SSD文件：系统说明文件，SCL语言格式，后缀为.SSD，每个工程一个该文件，用于描述变电站一次系统拓扑；

ICD文件：IED能力描述文件，SCL语言格式，后缀为.ICD，每个IED一个该文件，用于描述装置功能配置情况；

SCD文件：变电站配置描述文件，SCL语言格式，后缀为.SCD，每个工程一个该文件，用于描述配置后的变电站；

CID文件：经过配置后的IED的描述文件， SCL语言格式，后缀为.CID，每个IED一个该文件，用于描述经过配置的装置的功能情况。

SNTP（simple network time protocol）：简单网络管理协议，是61850规定的站内站控层设备的对时方式，传送方式采用以太网。

9-1：就是61850标准的第九章第一节规定的sv采样值的格式和传送方式，帧格式固定，支持点对点传送；与之相对的是9-2（61850标准的第九章第二节），帧格式可变，支持点对多传送。另外目前主流是9-2LE，此为9-2的特例，帧格式固定，支持点对多传送。

SNMP（Simple Network Management Protocol）：简单网络管理协议，是管理进程和代理进程之间的通信协议。数字化站用来管理站控层和过程层的交换机，监视端口状态、流量等。

EPT/ECT：电子式电压互感器/电子式电流互感器。 OPT/OCT：光式电压互感器/光式电流互感器。

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