通訊管理機(jī)作為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的局部數(shù)據(jù)集中轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，有著非常重要的地位。本文介紹了變電站由綜合自動(dòng)化向數(shù)字化轉(zhuǎn)換的過程中，IEC-61850變電站自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)通訊管理機(jī)的新要求，以及研祥的產(chǎn)品所提供的解決方案。
關(guān)鍵詞：IEC-61850，數(shù)字化變電站，通訊管理機(jī)，模塊化
1、數(shù)字化變電站簡述
傳統(tǒng)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)存在著動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍局限大，邏輯層信息模型無法統(tǒng)一，二次設(shè)備互操作性不強(qiáng)等諸多問題，這些問題限制了變電站自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展。為此，我國于05~06年左右開始正式進(jìn)行數(shù)字化變電站科研試運(yùn)行；到08年底，全國數(shù)字化變電站運(yùn)行個(gè)數(shù)已不下100個(gè)；按照電力系統(tǒng)的一般規(guī)律，經(jīng)過4~5年的運(yùn)行觀察，在2010年左右將自上而下全面開始取代目前綜合自動(dòng)化變電站系統(tǒng)。
數(shù)字化變電站就是將信息采集、傳輸、處理、輸出過程完全數(shù)字化的變電站。全站采用統(tǒng)一的通訊規(guī)約IEC61850構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量、監(jiān)控、遠(yuǎn)動(dòng)、VQC等系統(tǒng)均用同一網(wǎng)絡(luò)接收電流、電壓和狀態(tài)信息，各個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息共享。
常規(guī)綜自站的一次設(shè)備采集模擬量，通過電纜將模擬信號(hào)傳輸?shù)綔y(cè)控保護(hù)裝置，裝置進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后處理數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)線上將數(shù)字量傳到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和測(cè)控保護(hù)裝置對(duì)一次設(shè)備的控制通過電纜傳輸模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)其功能。
數(shù)字化變電站一次設(shè)備采集信息后，就地轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過光纜上傳測(cè)控保護(hù)裝置，然后傳到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，而監(jiān)控系統(tǒng)和測(cè)控保護(hù)裝置對(duì)一次設(shè)備的控制也是通過光纜傳輸數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)其功能。常規(guī)綜自站與數(shù)字化變電站對(duì)比如圖所示。
2、通訊管理機(jī)
IEC-61850提出了變電站過程層、間隔層、站控層的三層結(jié)構(gòu)模型。
數(shù)字化變電站采用低功率、數(shù)字化的光電互感器代替常規(guī)互感器，將高電壓、大電流直接變換為數(shù)字信號(hào)。變電站內(nèi)設(shè)備之間通過高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，二次設(shè)備不再出現(xiàn)功能重復(fù)的I/O 接口，常規(guī)的功能裝置變成了邏輯的功能模塊，即通過采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)及資源共享。組網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)、數(shù)據(jù)流建模、網(wǎng)絡(luò)性能、可靠性分析、變電站過程層新型同步方法、變電站信息安全等成為構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)通路的關(guān)鍵技術(shù)。
通訊管理機(jī)作為數(shù)據(jù)集中轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性，作用非常重要。在常規(guī)綜自站中，各類測(cè)控、保護(hù)設(shè)備多為RS-2332/422/485接口，通訊管理機(jī)通過串口收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換后通過以太網(wǎng)上傳至控制層，所以對(duì)通訊管理機(jī)的要求是多串口。
數(shù)字變電站的特征之一就是通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，所以多網(wǎng)口成為通訊管理機(jī)新的要求。同時(shí)，多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信號(hào)可以在同一條線纜中傳輸，大大節(jié)省了設(shè)備空間、布線成本。
3、設(shè)備要求
對(duì)于通訊管理機(jī)，IEC-61850有著嚴(yán)格的規(guī)定：
性能方面：要求支持快速存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式和QoS服務(wù)質(zhì)量，以保證網(wǎng)絡(luò)中重要的GOOSE數(shù)據(jù)包得到實(shí)時(shí)傳輸；
電磁兼容方面：必須通過靜電放電抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、浪涌抗擾度等電磁干擾實(shí)驗(yàn)和電擊、雷擊等測(cè)試。
環(huán)境溫度方面：必須滿足（-40℃～85℃）寬范圍的工作溫度，存儲(chǔ)溫度也要求滿足寬溫條件。
機(jī)械結(jié)構(gòu)方面：必須通過專門的強(qiáng)振動(dòng)、大沖擊的承受度測(cè)試；滿足特定的防塵、防潮；具備良好的散熱條件。
4、研祥解決方案
SPC-0209是一款研祥推出的面向電力行業(yè)數(shù)字化變電站應(yīng)用的多網(wǎng)口的低功耗無風(fēng)扇原裝整機(jī)，符合了電力行業(yè)高EMC防護(hù)等級(jí)的需求，整體模塊化設(shè)計(jì)，滿足了電力行業(yè)系統(tǒng)通訊層通訊管理機(jī)硬件平臺(tái)的各方面的需求。
4．1 性能
SPC-0209采用Intel最新的PINEVIEW-D處理器--D510，雙核1.66G主頻，同時(shí)支持“超線程”可同時(shí)運(yùn)行4個(gè)線程，為整機(jī)帶來強(qiáng)勁的數(shù)據(jù)處理能力。搭配ICH8M南橋芯片，整機(jī)功耗小于60W，滿足了產(chǎn)品高性能低功耗的要求。
4．2 結(jié)構(gòu)
介于電力市場(chǎng)普遍存在的對(duì)金手指接插件穩(wěn)定性存在疑慮的問題，SPC-0209借鑒了cPCI的設(shè)計(jì)理念，開發(fā)出3U外插式機(jī)箱，各擴(kuò)展模塊采用歐式插針的模式與母板連接，不但穩(wěn)定性更高，而且便于維護(hù)和更換功能模塊。
長期穩(wěn)定運(yùn)行的要求推動(dòng)工業(yè)計(jì)算機(jī)朝著無風(fēng)扇的方向發(fā)展，SPC-0209整機(jī)功耗小于60W，采用機(jī)殼散熱，不但具備更寬泛的工作溫度，而且密閉的機(jī)箱設(shè)計(jì)可以適應(yīng)于多塵的的惡劣工作環(huán)境。
4．3 I/O接口
按照IEC-61850的規(guī)定，最好的信號(hào)傳輸模式是光纖傳輸，不但擁有高帶寬，而且不會(huì)受到傳輸過程中的干擾。但從目前來說，讓所有生產(chǎn)二次設(shè)備的公司的所有設(shè)備都同時(shí)具備光纖接口是不現(xiàn)實(shí)的。每個(gè)公司的研發(fā)生產(chǎn)能力不同，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也有所區(qū)別，所以在短期內(nèi)數(shù)字式變電站內(nèi)必定是串口、網(wǎng)口、光口多種形式并存。
SPC-0209把所有的I/O口以接口模塊的方式實(shí)現(xiàn)，采用歐式插座的模式與母板相連，這樣工程公司可以根據(jù)不同的項(xiàng)目設(shè)備來選擇響應(yīng)的接口模塊，增加了整個(gè)系統(tǒng)的靈活性。
SPC-0209串口模塊（帶隔離高壓）
4．4整機(jī)參數(shù)
絕緣性能
絕緣電阻：裝置所有電路與外殼之間的絕緣電阻在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下，不小于100 MΩ。
介質(zhì)強(qiáng)度：裝置的導(dǎo)電部分對(duì)外殼或外露的非導(dǎo)電金屬之間，以及電氣上無聯(lián)系的各帶電的導(dǎo)電電路之間，能耐受交流50 Hz，電壓2 kV（有效值），歷時(shí)1 min試驗(yàn)，而無絕緣擊穿或閃絡(luò)現(xiàn)象。
沖擊電壓：裝置的導(dǎo)電部分對(duì)外殼或外露的非導(dǎo)電金屬之間，以及電氣上無聯(lián)系的各帶電的導(dǎo)電電路之間，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，能耐受幅值為5 kV的沖擊電壓波形為標(biāo)準(zhǔn)雷電波的短時(shí)沖擊檢驗(yàn)。
耐濕熱性能：能承受GB/T 7261-2000第20章規(guī)定的濕熱試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度為＋40℃±2℃，相對(duì)濕度為（93±3）％，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為48h（每一周期為24h）。在試驗(yàn)結(jié)束前2h內(nèi)，測(cè)量各導(dǎo)電回路對(duì)外露非帶電導(dǎo)電部位及外殼之間，電氣上無聯(lián)系的各回路之間的絕緣電阻，其絕緣電阻不應(yīng)小于1.5MΩ；介質(zhì)強(qiáng)度不低于2.3規(guī)定的介質(zhì)強(qiáng)度試驗(yàn)電壓值的75％。
抗電磁干擾能力
輻射電磁場(chǎng)干擾試驗(yàn)：能承受GB/T 14598.9-2002中第4章規(guī)定嚴(yán)酷等級(jí)的輻射電磁場(chǎng)騷擾；
快速瞬變干擾試驗(yàn)：符合GB/T 14598.10-2007規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為A級(jí)的快速瞬變干擾。
脈沖群干擾試驗(yàn)：符合GB/T 14598.13-1998規(guī)定的頻率為1 MHz及100 kHz衰減振蕩波（第一個(gè)半波為電壓幅值共模為2.5 kV，差模為1 kV）脈沖群干擾。
抗靜電放電干擾試驗(yàn)：符合GB/T 14598.14-1998規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為Ⅲ級(jí)的抗靜電放電干擾。
抗靜電放電干擾試驗(yàn)：符合GB/T 14598.19-2007規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為A級(jí)的工頻干擾。
浪涌抗擾度試驗(yàn)：符合GB/T 17626.5-1999中規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為Ⅳ級(jí)的浪涌騷擾。
射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)：符合GB/T 17626.6-1998規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為Ⅲ級(jí)的射頻場(chǎng)感應(yīng)傳導(dǎo)騷擾
工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)：符合GB/T 17626.8-2006規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為Ⅴ級(jí)的工頻磁場(chǎng)干擾。
脈沖磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)：符合GB/T 17626.9-1998規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為Ⅴ級(jí)的脈沖磁場(chǎng)干擾。
阻尼振蕩磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)：符合GB/T 17626.10-1998規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為Ⅴ級(jí)的阻尼振蕩磁場(chǎng)干擾。
機(jī)械性能
振動(dòng)：裝置能承受GB/T 7261-2000 16.3規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為Ⅰ級(jí)的振動(dòng)耐久能力試驗(yàn)。
沖擊：裝置能承受GB/T 7261-2000 17.5規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為Ⅰ級(jí)的沖擊耐久能力試驗(yàn)。
碰撞：裝置能承受GB/T 7261-2000 18章規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為Ⅰ級(jí)的碰撞能力試驗(yàn)。
5、結(jié)束語
新型數(shù)字化變電站的信息交互網(wǎng)絡(luò)化的主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：能根據(jù)實(shí)際需要靈活選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，易于利用冗余技術(shù)提高系統(tǒng)可靠性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變不會(huì)影響變電站功能的實(shí)現(xiàn)。利用網(wǎng)線代替導(dǎo)線可大大減少變電站內(nèi)二次回路的連接線數(shù)量，從而提高系統(tǒng)的可靠性。
SPC-0209是一個(gè)面向未來數(shù)字式變電站的電力行業(yè)專用產(chǎn)品，相對(duì)于目前市面常見的通訊管理機(jī)，它涵蓋面更廣，支持更多的通信模式，處理性能更加強(qiáng)大，并嚴(yán)格遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)字化變電站的特殊要求，能夠?yàn)樽冸娬尽㈦姀S等嚴(yán)酷工業(yè)應(yīng)用環(huán)境提供理想的通信解決方案。
參考文獻(xiàn)：
1,《電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化設(shè)計(jì)規(guī)程》(DL5003-91)
2,《電力系統(tǒng)實(shí)數(shù)據(jù)通信應(yīng)用層協(xié)議》(DL476-92)
3，《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)協(xié)議》(IEC61850)
作者簡介：馬林可 (1977-)，男，本科，學(xué)士，研祥智能科技股份有限公司產(chǎn)品總監(jiān)
