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    斗地主单机版:数字变电站设计——越简单越好

    欢乐斗地主 www.233k3.com 输配电世界2019-04-06 11:03:33

    通信和控制技术的快速发展,提供先进的功能,效率和机会,是数字化变电站现在可以轻松实现的一个主要方面。来自Schweitzer Engineering Laboratories,Inc的一组敏锐的作者认为,主变电站设备与安装在控制室中的?;ぜ痰缙髦涞耐ㄐ磐缂芄沟纳杓剖鞘迪质窒低乘杏诺愕墓丶?。在第70届?;ぜ痰缙鞴こ淌δ昊幔–PRE)上发表的一篇很棒的论文回顾了他们的分析并提出了一些建议。

    大多数电气工程师现在都认为,由于各种原因,数字变电站是现代电力系统的新标准。通常选择的是安全性,可靠性,成本节省,可用性,系统配置和更新的简易性,系统文档,网络安全性以及与基于IEC 61850的标准化技术的兼容性。使用61850标准的完全数字化系统提供从站到站的所有级别的互操作性使用数字传感器,合并单元和非常规互感器(NCIT)进行处理。

    上述参考文献的作者深入研究了一些数字设计问题,以说明重点。例如,即使用数字微处理器替换模拟系统,平均故障间隔减少到惊人的低故障率:每个微处理器平均300年才可能发生一次故障,但保持系统尽可能简单仍然很重要,从而减少可能发生故障的设备单元数量。本文介绍了用于实现过程总线的两种方法 - 交换网络和点对点网络 - 并比较了这些体系结构的各个方面。作者认为,点对点网络设计不那么复杂,具有较低的延迟和较低的抖动。进一步,它不需要复杂的外部时间参考系统,并且设计更简单,因为不需要诸如虚拟局域网管理(VLAN)或软件定义网络(SDN)之类的工具。最后,本文介绍了一种新的基于Ethernet for Control Automation Technology, EtherCAT?的点对点数字化变电站解决方案,作者认为该解决方案功能强大,易于使用且安全。



    选择简单性来实现更好的数字化变电站设计

    Greg Rzepka,Scott Wenke和Sarah Walling,Schweitzer工程实验室公司(SEL)

    摘要?- 基于数字化变电站过程总线的解决方案具有多种优势,可用于提高高压设备周围的人员安全性,减少电磁干扰挑战,降低变电站建设成本。为了实现这些好处,必须特别注意选择用于过程总线实现的光纤网络架构。网络架构直接影响设计,调试和维护数字化变电站所需的工程量。

    本文概述了在主变电站设备和安装在控制室中的?;ぜ痰缙髦涫褂檬滞ㄐ诺暮么?。作者讨论了不同的通信网络架构及其相关协议,然后介绍了基于EtherCAT?的点对点数字化变电站技术。这种新的解决方案简单而安全,易于实施,无需外部时间同步,无需网络工程,并且易于扩展,可支持行波?;ず臀蠢词只涞缯镜恼缀兆炔裳?。

    一、导言

    电力系统是有史以来规模最大,最复杂的系统之一。在过去的一个世纪中实施的?;ず涂刂葡低臣际醯牟欢辖绞沟玫缌ο低晨煽啃院桶踩缘玫较宰鸥纳?,同时降低了整体系统成本。

    20世纪80年代引入基于微处理器的继电器是变电站逐步数字化的基石,提供前所未有的数据收集和通信水平以及增强的系统集成能力。在整个转型过程中,系统的一个关键部分几乎没有受到进展的影响 - 变电站的铜质电缆将互感器和高压设备控制电路连接到?;ぜ痰缙?。

    技术进步大大减少了互感器所需的能量供应,导致互感器驱动能力(5A,115V,1至2kVA)与数字继电器之间存在较大的不匹配,数字继电器的需求仅限于主要数量信息。现代数字继电器输入通常每个电路消耗不到0.5VA。实际上,这意味着大部分互感器能量消耗,驱动不必要的铜线负载。

    在美国流行的5A标称电流需要高截面导体,导致昂贵的铜CT电缆。在大型变电站中,铜的成本很容易超过与之相连的?;ず涂刂粕璞傅某杀?。这种情况可以通过使用光纤桥接开关场和位于控制室内的基于微处理器的?;ぜ痰缙骼唇饩?。数据以数字方式传输,多个信号复用到公共光纤通信介质上。这种方法被称为数字化变电站解决方案。

    最近变电站架构的变化随着所谓的变电站总线的引入而发生。站控总线是基于以太网的通信总线,允许所有连接的智能电子设备(IED)交换数字数据(见图1)。这种方法极大地简化了IED之间的铜线布线,但它在通信基础设施的配置和测试中引入了复杂性。


    展望未来,业界正在评估在光纤连接的过程中更换布线的方法。这可以通过在测量点数字化模拟电流或电压并使用通信协议发送数字样本来实现(参见图2)。用于数字化的远程数据采集设备被称为独立合并单元,或简称为合并单元(MU)。


    本文讨论了数字化变电站解决方案的正确应用如何提高人员安全性,提高可靠性和网络安全性,并帮助公用事业节省建设和生命周期费用。本文还解释了两种用于实现过程总线的方法 - 交换网络和点对点网络 - 并比较了这些体系结构的各个方面。最后,本文介绍了一种新的基于EtherCAT?的点对点数字化变电站解决方案,该解决方案可靠,易用且安全。

    二、数字变电站的动机

    使用数字化变电站技术的动机包括降低成本,提高人员安全性和系统可靠性。在评估使用数字化变电站的潜在优势时,重要的是要将上述效益与工程复杂性的预期增长和应用新技术相关的风险进行权衡。如果不完全了解,复杂性会影响可靠性和可维护性,并显着增加总体拥有成本。应考虑实施任何新技术的风险,尤其是所述技术或相关标准的成熟度,技术支持的可用性以及劳动力培训要求。

    A.安全

    将互感器与继电器分离的一个好处是它降低了人员安全的风险,例如暴露的电压互感器(PT)或开路电流互感器(CT)。由于PT或CT连接现在减少到几米并且位于开关场内,因此典型的日常操作发生的控制室环境总体上变得更加安全并且事故风险显着降低。较短的线缆也减少了对MU和数字继电器设备的电磁应力的暴露。正确设计和接地的系统可以提高整体变电站的弹性,并提高对高能电磁脉冲威胁的能力。

    控制室中没有高能电缆的另一个好处是可以快速更换设备或添加新设备。通常,一套既定的程序可确保不在运行电路上工作,并确保有安全的工作环境。因为进入继电器的唯一信号是光纤连接,所以许多过程可以加速或完全废弃。

    B.可靠性

    事实证明,使用光纤的解决方案比使用铜缆的解决方案更可靠[1]。总体上需要更少的物理路由路径和连接,这降低了布线错误和错过连接的可能性。这也减少了无意误操作的可能性。通过数字形式的模拟测量,现代基于微处理器的继电器可以自我监控?;は低车拇蟛糠侄蔚缏?。这允许在布线故障影响电力系统操作之前更快地识别问题及跳闸。

    另一方面,实现数字过程总线所需的IED数量的增加会影响系统的总体平均故障间隔时间(MTBF),其计算方法如下:


    现代微处理器继电器的典型MTBF速率在300年左右。出于说明目的,假设系统中的每个设备具有相同的MTBF。在这些假设下,由MTBF为300年的N个设备组成的系统与设备的MTBF成正比,与设备数量成反比,可写如下:


    数字化变电站至少需要两个设备:MU和继电器。根据所选的架构,可能需要其他设备。例如,交换网络过程总线需要以太网交换机,并且使用来自两个不同MU的测量的?;は低承枰钔獾母呔仁奔浠迹ɡ?,GPS时钟)。有人可以争辩说,可以在系统中内置额外的冗余,以达到所需的系统可用性水平。虽然如此,但需要仔细考虑维护高度冗余系统的成本。

    系统的整体可靠性目标也需要仔细考虑。随着电子设备数量的增加,对通信基础设施的依赖以及对高精度时间参考的需求,可以减少与较少数量的终端点相关的可靠性和更强的监视数字链路的能力。

    C.成本

    节省成本是升级?;ず涂刂葡低车牧硪桓龊么?。只需几根光纤电缆就可以替换数百英尺的铜线,从而降低了材料成本和开关场电缆沟所需的物理占地面积。通过将多功能IED应用于?;?,控制和监控目的[2],可以找到额外的节省,尽管设备成本因应用而异。

    用光纤代替铜还可以显着减少系统安装,记录,调试和维护所需的时间和人力。根据[3],在北美安装铜基?;ず涂刂葡低车某杀镜?5%与劳动力有关。传统的铜质变电站需要数千个单独的连接,必须由技术人员逐个连接,而现代数字化变电站解决方案只需要少量光纤连接并将电线端接工作移至设备制造商[4] [5]。很容易想象设备制造商已经在断路器或IT机柜中安装MU的未来,可能会消除现场布线过程并将其替换为基于计算机的信号映射和路径配置。

    使用示例系统比较传统?;は低澈托碌墓套芟呒际?,可以了解可以实现成本节约的位置以及成本可以增加的位置。对于此讨论,单一线路?;び米魇纠低?。表I概述了与开发传统?;は低乘璧幕疃喙氐某杀?,使用交换网络的基于过程总线的?;は低?,以及使用点对点架构的基于过程总线的?;は低?。然后提供对每项活动及其成本的解释。请注意,对于任何给定的安装,节省和成本会根据所需设备的数量,系统的复杂程度等而变化。


    工程劳动力包括?;ど杓?,?;すこ?,SCADA工作和起草成本,占大部分费用。三种网络类型的估计成本基于工程咨询公司的标准费率以及对各种技术的工作时间的估计。交换网络的人工成本增加,因为虽然减少了绘图和接线图的工作量,但还需要额外的工程和文档工作来配置网络。确保网络具有良好的工厂验收测试记录以及将来的故障排除,可以增加额外的数千美元。值得注意的是,对于大型项目,工程人工成本可以分散在使用相同网络的多个?;し桨钢?,每个应用程序的成本低于本小节中描述的成本。对于点对点网络,通过降低牵伸和布线成本可以节省成本。此外,由于网络不需要物理连接之外的文档,类似于传统系统,因此可以节省额外的人力。

    电子设备的成本因传统应用,交换网络拓扑和点对点拓扑而异。因此,假设所有三种技术的IED在成本上相似。请注意,来自单个制造商的已发布设备价格用于限制示例的范围,并在比较网络类型时保持一致。过程总线解决方案的额外成本来自附加设备。交换网络还需要MU,交换机和时钟。交换机和时钟可用于同一站点的其他?;びτ?,因此折扣因子应用于表I中所示的成本。在点对点网络中,唯一的额外设备成本是现场MU 。

    在讨论这些解决方案时,铜和光纤材料成本可以分组,因为过程总线解决方案的一个目标是用单根光缆替换许多铜缆以节省资金。对于单线路?;?,假设铜缆包括电源,CT / PT连接和控制连接。铜价可能波动; 然而,这个例子假设每英尺3美元的价格。对于传统系统,铜用于所有连接,因此没有光纤成本。对于过程总线解决方案,成本是相同的,铜成本主要来自铜线以向MU或其他设备供电或者为码头中的触点供电。虽然表I中未列出,但无论选择哪种解决方案,其他材料费用(如面板和控制室)大致相同。

    标记为其他人工的活动包括所有设备的安装和接线所需的大部分现场工作。假设MU由主要设备制造商安装,并且在与诸如断路器柜之类的设备订购时安装并接线。在这种情况下,最终用户需要进行的唯一连接是光纤和电源连接。连接较少且无需更少的电缆沟工作可节省大量人力。交换网络解决方案的劳动力成本增加源于需要通过变电站中的交换机进行额外连接和管理。必须使用技术人员和网络工程工具,因为连接需要精确,以使解决方案能够以预期的性能运行??悸堑剿姓庑┗疃?,实现交换网络的总成本几乎与传统的铜网络相同。但是,通过实施点对点网络,用户可以节省17%的成本。

    三、过程总线架构

    在谈论数字化变电站时,重要的是要区分并考虑过程总线和站总线的不同要求。站总线允许在控制室中的IED之间交换信息,而过程总线用于传送未处理的系统信息,例如原始电压,电流,状态信号和决策信号(即跳闸信号)[6]。由于这些信号的性质以及它们与?;は低车墓叵?,在考虑延迟,抖动,可用性和数据丢失时,每个网络的要求可能会有很大差异。例如,定向重传由通用面向对象的变电站事件(GOOSE)协议保证的消息有助于防止单个数据包丢失。诸如快速生成树协议(RSTP)之类的协议允许在通信链路故障的情况下进行动态网络重新配置。诸如RSTP之类的协议提供的恢复时间可以是几十毫秒的量级。应该注意,关键数据(例如,断路器故障消息)可以在站总线上传输。在这种情况下,站总线要求类似,但远高于过程总线要求。

    对于过程总线,自愈和可用性的要求更加严格,因为过程总线现在包括持续流式传输且对?;ぶ凉刂匾氖凳笔?。这意味着不仅可用性和自愈要求更加严格,而且数据量通常要高得多。例如,对于具有4.8 kHz采样数据的流,具有一组电流和电压的IEC 61850-9-2LE流通常需要大约5 Mbps的量级。对于这些示例参数,MU大约每200微秒发送一个数据包。用户IED的每个数据包的可用性取决于制造商的设计,但可以假设大多数允许至少一个丢弃的数据包而不禁用该设备。无论哪种方式,这些网络要求意味着RSTP系统的典型恢复时间(几十毫秒)不足以在发生通信系统组件故障时保持系统的完整性。处理这些严格网络要求的一些可能措施将在本文后面讨论。

    A.交换网络架构

    使用过程总线的数字化变电站可以采用交换网络架构进行部署。在这种情况下,系统由几个设备组成:主设备附近的一个单元,用于对模拟数据进行采样以发布到网络(即MU),在网络中切换以路由数据,IED用于采集采样数据,以及一个时钟(见图3)。由于以太网和交换网络的可变性,来自分布式数据采集单元(DAU)的数据必须是同步的并且是时间对齐的。这通常通过GPS时钟信号完成,例如每秒脉冲信号,IRIG-B信号或精确时间协议(PTP)信号。


    使用交换网络方法的一个好处是诸如多播分组的工具可用于将信息从一个生产者传递到多个用户(例如,订阅单个MU的多个?;ぷ爸茫?。但是,由于广播/多播数据包被发送到每个设备(即使是那些不需要或订阅数据的设备),也应该使用网络管理工具,如虚拟局域网(VLAN),以确保网络不会成为过载并对?;は低车脑诵胁焕跋?。

    使用交换网络的另一个考虑因素和好处是能够设计容错网络,该网络可以从任何单一故障中恢复(例如,光纤链路或交换机故障),确保?;と匀豢捎?。这些设计方法包括用于自动重新配置网络的RSTP,用于在单独网络上复制消息的并行冗余协议(PRP),或用于以确定方式预先设计故障转移路径的软件定义网络(SDN)。虽然所有这些方法都为网络故障提供了恢复能力,但每种技术的响应时间都大不相同。RSTP在数十毫秒内恢复,SDN在不到一百微秒内恢复,PRP在重复网络上提供无损故障转移。

    所有基于网络的解决方案共同的一个重要实现是,?;すこ淌赡芟M橄笸ㄐ磐绮⒔涫游霸啤?,能够在需要的地方和时间提供消息,它不能被抽象为用于承载?;ち髁康?/span>网络。?;すこ淌Ρ匦肽芄煌耆瓶赝缟杓坪筒僮?,并对所有故障模式及其与基础?;し桨傅南嗷プ饔糜猩钊氲牧私?。在先前列举的技术中,SDN是唯一提供必要控制级别的技术。虽然很有希望,虽然所描述的技术确实为通信故障提供冗余,但应注意,除非在方案中也使用第二?;ど璞?,否则不提供?;と哂?。这就提出了进一步的问题,即需要单独的网络来实现完全独立和冗余的?;? 但是,这些超出了本文的范围。需要针对每个电力公司评估这些问题,以平衡冗余和弹性与项目成本。

    B.点对点架构

    点对点数字化变电站架构就是指向两个设备之间的点对点。如图4所示,数据直接从一次设备中的MU发送到控制室中的?;ぜ痰缙?。这消除了大量复杂性,包括为过程总线应用程序提供服务所需的开关,时钟和配置以及冗余工具。由于系统简化,因此网络具有较低的延迟和较低的抖动。设计也更简单,因为不需要VLAN或工程SDN流等工具。


    四、架构比较

    A.设备连接

    如前所述,交换网络使用四种类型的设备(MU,?;?,交换机和时钟),而点对点网络仅使用两种类型(MU和?;ぃ?。两种解决方案都使用一次设备中每个站点的接线端子为每个外部I / O点的导线提供连接点。MU包括I / O线的终端点,因此并不是直接采样控制。

    从那里,所需的连接数量因解决方案而异。对于交换网络(参见图5),一对光纤将MU连接到控制室中的以太网交换机。然后将开关连接到继电器以及时间源。由于交换网络具有更多设备,因此需要更多光纤端接点。对于点对点网络(见图6),MU通过光纤对直接连接到控制室中继电器上的光纤收发器。即使有多个I / O连接,连接点对点系统所需的光纤终端点也明显减少。

    过程总线网络中所需的连接数会影响系统的可靠性[1]。由于点对点系统需要较少的连接,因此它比交换网络更可靠。



    B.时间

    时间同步对于分布式系统至关重要,因为需要将采样的模拟信号对齐以用于?;ば问?,例如差动?;?。如果信号未正确对齐,则可能发生错误操作。

    在讨论时间同步时,绝对时间和相对时间之间存在重要区别,以及它们如何在过程总线应用程序中工作。对于差动?;さ扔τ?,唯一的要求是相对时间,因为目标是简单地对齐本地和/或远程样本。

    在维持相对时间方面,交换网络和点对点架构具有非常不同的挑战。对于交换网络,任何一个数据包在网络中占用的路径每次都可以更改。这可能有几个原因。如果网络负载很重,则可能需要更长时间才能将数据包从交换机缓冲区中取出。如果链路断开,则路由数据包的物理路径可能会发生变化,并且需要更长或更短的时间才能到达目的地。由于这些原因,系统中的所有设备通常与公共时间源(通常是绝对时间源)同步,以便稍后可以标记和对齐所有消息。

    时间对准通常使用IRIG-B或PTP参考信号完成,该信号使用高质量同步光网络(SONET)系统在地面上传送或者从诸如GPS或GLONASS的源获得。这意味着所有设备都会同步到绝对时间,以解决系统可能引入的任何抖动。使用嵌入在流中的采样时间戳在终端设备(通常是订户)中执行对准,该时间戳将所有接收的数据与公共时标对齐。如果任何数据是异步的,则对齐失败,优先考虑时间与数据(例如,PTP)一起分布的系统,其中时间传递系统故障独立于通信网络(例如,IRIG-B)。

    相反,在点对点网络中,可以以更简单的方式执行时间同步。因为点对点网络具有固定的等待时间,通??刂屏己玫亩抖ǔT?0到100纳秒的量级,所以通过考虑连接固有的固定延迟,可以保持适于?;さ南喽允奔?。这样做的好处是每个连接都可以由IED直接测量,然后在每个链路的基础上进行校准,以创建相对时域,而无需绝对时间信号。另一个好处是,因为计算通信介质中的延迟的方法相当简单,所以它们可以在没有用户输入的情况下自动完成。这使得点对点架构比交换网络更易于配置。

    C.网络工程

    使用交换式以太网网络进行?;ねǔP枰绻こ套ㄒ抵逗凸ぞ?。虽然当简单网络上的数据量相对较小时可以使用非托管网络,但考虑到维护过程总线性能水平所需的更严格的要求,这不是建议的做法。使用非托管网络产生的任何意外后果都会危及系统的?;?。在这种程度上,使用用于网络工程的工具(例如,VLAN和网络优先级)来确保网络流量仅到达期望的位置并且过多的网络流量不影响?;?。

    使用和理解网络工程需要配置和协调多个交换机,这需要仔细协调和记录。使用VLAN可确保流量仅路由到其预期收件人,并且交换机仅将具有特定VLAN标记的数据传递到指定端口。在过程总线上为每个模拟数据流和GOOSE消息提供VLAN标记,确保消息仅从工程师指定的端口中路由出来。

    准确,快速地路由数据的另一个工具是将最重要的数据放在最高优先级,以便交换机能够及时获取数据。在过程总线系统的情况下,发出跳闸信号和?;す丶D馐萘鞯腉OOSE消息是由于其任务关键性质而可能被赋予更高优先级的数据的示例。

    虽然这些工具对于确保交换网络过程总线的完整性很有用,但它们还需要具备网络工程和?;ひ蟮闹?,或者更有可能需要具有这些技能集的两个或更多个人来协调和定义应用程序要求。成功部署。在评估其中一个项目时,需要考虑这些知识(或缺乏这些知识)。

    交换网络架构的另一个挑战是针对许多异常情况测试现场安装。由于交换机通常使用生成树算法从故障点进行修复,因此几乎不可能模拟每种可能的故障模式和网络的恢复行为。相反,应针对给定的安装评估许多定义的最坏情况和典型的故障模式,以确保网络能够处理足够的故障模式以满足应用。PRP等协议提供了一种通过复制网络基础设施来设计冗余网络的方法。这提供了N-1冗余,但代价是增加了设备和复杂性。

    如果在初始安装后扩展系统,则对交换网络进行网络工程也具有挑战性。能够使用相同的设备在未来扩展网络以节省资本支出是有吸引力的。网络中的许多交换机可能具有可用于以非常节省成本的 方式扩展的附加端口。然而,这种方法的缺点是引入了更多数据和新行为,需要进行测试和评估,以确保新设备能够正常运行,并且以前未经验证的应用程序都不会受到损害。所有这些挑战都可以克服,但它们是应该针对任何过程总线安装进行评估的考虑因素。

    外部时间参考对分布式系统至关重要?;谕绲墓套芟呦低橙【鲇诟咧柿渴奔浞峙浞竦目捎眯?。与通过将几个GPS时钟连接到网络骨干来实现时间服务的普遍看法相反,必须保证可靠的时间分配并由网络本身提供。必须将时间分配提升到有保证的网络服务级别,以确保(通过设计)所有可以相互通信的设备也具有相同的时间概念。与绝对时间参考的时间同步不太重要,但是一旦多个变电站连接在一起或者与公共控制中心连接,就必须存在同步。地面时间分布总是优于无线和基于GPS的系统,

    变电站网络技术正在快速发展,市场上已有许多竞争解决方案。虽然作者乐观地认为在不久的将来可以获得强大而成熟的交换网络解决方案,但由于技术的发展导致了互不兼容的标准和系统的拼凑,设备可用性仍然有限。

    由于其简单的设计和直接连接,点对点系统易于配置。接线是标准化的,类似于传统的铜线,由设备制造商执行。单个电缆的数量减少,因为多个电路用单个MU服务并且数据使用单个光纤对传输。单根光纤电缆可以轻松承载20到30根光纤对,从而大大减少了穿过院子的变电站硬化光纤电缆的数量。只需拔掉单根光纤即可隔离和测试电路,需要更少的再培训,并防止因操作员错误而导致意外误操作。人员只需要验证连接是否正常,这可以通过目视检查光纤端口状态LED来实现。

    使用标准工业光纤电缆使终端和更换变得简单和经济。现代IED允许用户在实验室中预先分配一个分布式系统,以便更容易验证?;は低撑渲?。然后可以将有关配置和拓扑的详细信息存储在设备的存储器中。在变电站中部署系统时,IED可以验证系统中的每个??槭欠裼朐は扰渲玫呐渲猛耆ヅ?。如果交换端节点或以不同的顺序连接设备,则可以快速检测并解决问题。

    D.网络安全

    存在于最靠近主要设备的层中的过程总线网络应该考虑到网络安全最佳实践。这一点尤其重要,因为这些网络符合北美电力可靠性公司关键基础设施?;ぃ∟ERC CIP)的要求。NERC CIP提供高级标准,以帮助?;す丶∩枋┑奈锢戆踩屯绨踩?,CIP-005至CIP-009适用于过程总线。

    交换网络和点对点网络位于物理安全边界(PSP)和电子安全边界(ESP)内并进行通信。PSP的存在是为了防止对设备的未经授权的物理访问,并且ESP用于?;ね缒诘耐ㄐ乓约癙SP外部的链路[7] [8]。由于交换网络和点对点网络的位置,减少了对加密安全通信的需求,并且网络都没有将其内置到其协议中[9]。

    进程总线中的每个设备都是攻击的潜在目标,因为它提供了对网络的访问点。虽然交换网络和点对点网络都使用?;ず蚆U,但前者还包括必须经过自身安全评估的交换机和时钟,然后通过策略,网络设计和工程规程进行管理,以限制可访问性。使用最新SDN技术提供的静态路由,白名单和深度数据包检测有助于管理,但配置仍然相对复杂。这种增加的复杂性可能导致错误配置和其他人为错误,从而增加安全风险[9]。鉴于点对点架构不使用开关或时钟,并且它直接将院子里的MU与控制室中的继电器连接,没有办法从外部访问过程总线[2]。因此,解决方案因其简单性而具有固有的网络安全性。

    减少或完全消除对进程总线的访问有助于避免网络威胁,例如中间人攻击。如果可以访问,攻击者可以通过更改数据,修改合法命令或注入恶意命令来触发不需要的断路器操作来中断电源系统。由于点对点系统是隔离的并且使用直接连接进行通信,因此系统遭受此类攻击的可能性会降低。

    E.数据冗余

    数据冗余是复制数据并在数据丢失时使用它们的能力。在评估数字化变电站技术时,这一点非常重要,因为通过过程总线解决方案,可以引入更多设备(因此引入更多故障点)。数据冗余可以通过将来自MU的信息从多个端口发送到完全独立的网络(例如PRP中使用的方法)来抵消可靠性问题。这意味着数据被复制; 如果它们在一个网络上丢失,它们仍然可以被预期的用户使用。查看数据冗余的另一种方法是让单个MU向多个订户发送数据。如果数据在通往一个用户的途中丢失或损坏,则数据可以传送给第二个用户,并且IED可以使用该数据进行?;?。对于任一数据冗余方法,应注意确保以预期方式复制和传递数据。如果订阅的IED收到太多意外的数据包,它可能会根据其设计禁用以防止任何不需要的操作。

    对于点对点架构,数据冗余更加有限,但仍可以实现一些好处??梢晕值愣远嗟懔?,以便将数据复制到多个设备,但仍然在每对设备之间保持点对点架构。这需要具有多个端口的专用硬件,但它可用于增强系统对单点故障的弹性。点对点系统的简单性保持不变,同时获得数据冗余的好处。在点对点系统中,重点是功能?;は低橙哂啵ɡ?,Main I,Main II),这在业界得到了很好的理解和广泛接受。

    F.维护问题

    这些新过程总线技术的用户最关心的不仅是初始安装,而且还需要持续的维护,以确保系统在设备的整个生命周期内保持运行并且可靠。交换网络和点对点架构具有共同的维护问题,因为系统现在是分布式的,而不是位于中央位置,例如控制室。为了测试模数转换电路,需要在转换位置(即在MU处)注入受控信号,并通过计量检查进行验证。这可以通过直接从MU检查读数(如果可用),或通过订阅设备并通过远程连接访问注入单元或订户来最容易地完成。第三种选择是直接获取网络或光纤上的数据然后解码数据包。这种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简单和直接。

    除了常见的维护问题之外,在选择技术时还需要考虑切换网络的特定问题。一个重要的问题是如果对安装进行了任何更改,例如安装新设备或配置设备以将额外的流量添加到网络上(例如,新的GOOSE消息)。对网络的任何更改都需要进行评估,以确定所需的其他网络更改,例如为新消息实施新VLAN。至少必须更新文档。这些更新和维护工作需要审查网络工程师,最好是负责初始设计的工程师。这反过来又为任何维护项目带来了额外的成本,这些成本可能使交换网络安装的总成本不可持续。

    通过使用点对点光纤架构可以消除许多所描述的挑战。这在很大程度上是由于今天在安装中部署了点对点架构,仅使用铜而不是光纤。许多铜实践类似于必须用于点对点光纤网络的实践。如果系统受到物理损坏,则损坏应该是物理可见的,然后可以根据需要进行修理或更换,类似于传统安装。此外,所有光纤端口都有LED指示其状态,通知用户链路健康状况,链路活动或其他指示。这些指示在尝试确定问题是否与端口本身有关时提供了洞察力,因为端口通常运行自我诊断。

    五、新的点对点方法

    点对点架构简化了数字化变电站解决方案的许多方面,并且可以通过使用IEC 61158中描述的EtherCAT协议(https://en.wikipedia.org/wiki/EtherCAT)获得额外的好处。EtherCAT最初开发时关注于短周期时间,低抖动和精确同步。许多这些相同的目标很好地转化为过程总线解决方案的要求。本节介绍基于EtherCAT的新型点对点数字化变电站解决方案。

    在该解决方案的建议方法中,具有多个EtherCAT端口的单个IED连接到具有模数转换以及数字输入和输出操作功能的多个远程DAU,同时保持点对点架构(参见图7)。启动时,每个端口都会探索网络中连接的设备,并创建在IED和DAU之间传递的单个预定义数据包。数据包在通过系统中的每个部分时即时更新。然后在IED中收集并对齐所有数据,其中执行所有?;ず驼咀芟吖δ?。


    图8显示了传统继电器与使用EtherCAT技术的相同配置继电器相比的操作。重叠COMTRADE捕获显示由于IED补偿,模拟通道与传统继电器正确对齐。过流功能操作的2毫秒延迟是由非零通道延迟引起的。预期的延迟小于1.5毫秒; 但是,该设备正在以2毫秒的间隔处理?;?。

    通过以点对点方式连接设备可以保持相对时间。此外,EtherCAT协议还具有同步多个节点的机制,以便它们同步采样。通过在主设备中使用参考时钟并发送同步消息,可以告知所有从节点同步采样。因此,可以实现优于1微秒(大约50到100纳秒)的精度。


    与标准以太网数据包相比,EtherCAT系统可以更有效地利用可用带宽。由于连接处于没有切换的封闭系统中,因此无需在数据包中构建开销以进行寻址和路由。另外,分组是根据网络上找到的实际设备构造的,因此,不需要在分组中具有占位符,用于该特定应用中可能不存在的东西。通过在启动时预定义数据包,延迟减少,因为数据包不需要由网络上的任何设备解析并且是即时写入的。这意味着抖动时间完全取决于可以在接收连接上读取数据包的速度以及路由到传输连接的速度。

    随着诸如行波?;さ墓套芟哂τ玫姆⒄?,抖动和延迟变得更加重要。该技术提供超高速故障检测,通常大约几毫秒。行波?;ば枰缀詹裳?,或者比本文前面讨论的过程总线解决方案大几个数量级??悸堑酱涞氖萘亢褪莅匦敕⑺偷乃俣?,数据包传输的任何低效率都会成倍增加,这使得EtherCAT方法更适用于行波?;さ雀卟裳视τ?。

    六、结论

    基于数字变电站过程总线的解决方案使公用事业能够实现众多优势。用光纤代替铜可以从人员工作的控制室中消除危险电压,从而提高安全性。它还减少了所需的连接数量,从而最大限度地减少了接线错误的可能性以及解决这些错误所需的后续返工。由于光纤的自检能力有助于早期发现损坏的传输通道,无论是由于错误还是由于电缆中断,光纤比铜更可靠。

    在?;ず涂刂葡低持惺褂猛员涞缯境杀居泻艽笥跋?,远远超出了布线成本。通过转向基于光纤的解决方案,公用事业公司可以减少材料费用以及与设计,安装,调试和记录系统相关的人工成本。

    交换网络模型和点对点方法都是合适的数字化变电站过程总线解决方案。但是,点对点系统更易于设计,部署和维护,因为它不需要以太网通信基础设施或外部高精度时间源。鉴于劳动力的人口统计数据不断变化以及技术组合在网络工程方面的局限性,在更新到基于光纤的解决方案时,建议使用点对点系统。

    最简单的点对点解决方案是本文中描述的基于EtherCAT的新方法。它提供简单性和安全性,同时解决了基于以太网的解决方案遇到的许多问题。首先,EtherCAT维持继电器和DAU之间的相对时间。系统不依赖于外部时间信号进行?;?,而在分布式系统中,DAU都相互同步采样。其次,该解决方案提供低延迟和低抖动,因为预定义数据包与发布者和订阅者之间有直接连接。第三,它可以扩展以适应未来的数字化变电站要求,例如行波?;ず驼缀詹裳?。最后,它很容易实现,无需网络工程。

    七、参考文献

    [1] GW Scheer和RE Moxley,“数字通信提高联系I / O可靠性,”第七届西部电力自动化自动化会议的会议记录,2005年5月,华盛顿州斯波坎市。

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    [3] R. Hunt,“过程总线:实用方法”,PACWorld杂志,2009年春季,第54-59页。

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    [5] B. Kasztenny,J。Mazereeuw,S。Hodder和R. Hunt,“下一代?;ず涂刂葡低成杓浦械纳桃悼悸恰?,“?;び肟刂破诳?,2008年10月,第15-18页。

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    [7] NERC标准CIP-005-1-网络安全 - 电子安全边界??捎茫篽ttp://www.nerc.com。

    [8] NERC标准CIP-006-1 - 网络安全 - BES网络系统的物理安全??捎茫篽ttp://www.nerc.com。

    [9] J. Casebolt,“数字化变电站的简单安全性”,2016年11月??捎茫篽ttps://selinc.com。

    八、作者简介

    Greg Rzepka在西里西亚理工大学获得电子工程硕士学位,并获得博士学位。密苏里科技大学电气工程专业。在2005年加入Schweitzer Engineering Laboratories,Inc。(SEL)之前,Rzepka博士曾在波兰的传输系统运营商工作。在SEL,他领导?;は低臣诺难蟹⒐ぷ?,负责输电,变电站,配电和工业产品线。他是IEEE和IEC TC57的成员。

    Scott Wenke获得了华盛顿州立大学的电力工程学士学位。在2013年加入Schweitzer Engineering Laboratories,Inc。(SEL)之前,Scott在Itron工作。在SEL,他是电力系统研发团队的产品经理,负责输电和变电站产品线。自2012年以来,他一直是IEEE的成员。

    Sarah Walling在Gonzaga大学获得组织领导硕士学位,在俄勒冈大学获得新闻学硕士学位,在索诺玛州立大学获得英语文学学士学位。在2011年加入Schweitzer Engineering Laboratories,Inc。(SEL)之前,她曾在Purcell Systems和爱达荷国家实验室担任技术编辑。在SEL,她是一名高级营销专家,协助发电机,变电站,输电,配电和电机产品线的营销工作。

    该论文在2017德克萨斯A&M?;ぜ痰缙鞴こ淌Υ蠡嵘戏⒈?。

    ?2017 IEEE-保留所有权利。

    20170213?TP6777-01


    Digital Substation Design: Simpler is Better
    https://www.tdworld.com/distribution/digital-substation-design-simpler-better

    Most utility engineers now accept that digital substations are the new standard for modern electric systems
    David Shadle | Aug 24, 2018

    Copyright ? 北京电缆价格联盟@2017
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