广域保护通信网络综述

第３３卷第２４０期２０１２年１０月１０日电力系统通信ＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ、ｂ１．３３Ｎｏ．２４０Ｏｃｔ．１０．２０１２广域保护通信网络综述汪剑１，韩蕾２，覃琴３，杜鑫４（１．北京市电力公司．北京１０００３１；２中国电力科学研究院期刊中心，北京１００１９２；３．中国电力科学研究院电力系统研究所，北京１００１９２；４．北京市电力公司大兴供电公司．北京１０００１８）摘要：随着网络通信技术的高速发展，电力系统网络化将成为未来的发展趋势，广域保护系统在此基础上诞生。文章对广域保护系统通信网络的研究现状进行了综述，讲述了其优势和原理。重点分析了３层式广域保护系统的结构和通信网络，验证了该通信系统的有效性，并对广域保护通信网络的未来发展进行了展望。关键词：广域保护：通信网络：ＰＭＵ中圈分类号：ＴＭ７７１文献标志码：Ｂ文章编号：１００５—７６４１（２０１２）１０—０００５—０４０引言目前．电力系统采取的保护策略是“三道防随着经济的快速发展，电力需求不断增长，电网的结构和规模日趋复杂，大电网的运行和控制面ｌ临更大的挑战，人为失误、设备故障、自然灾害等系统内部和外部因素都可能给系统的安全稳定运行造成较大的威胁。因此，在目前的情形下，电力系统对稳定控制提出了更高要求，传统的基于本地信息的保护策略已不能满足复杂电力系统安全稳定运行的需要［２１。线”，分别由常规继电保护装置、安全自动装置和系统解列装置完成”Ｊ。第１道防线用于在电力系统发生永久性故障后．通过断路器快速地切除故障元件。其优点是能快速隔离故障，减少故障对系统产生的扰动。但可能导致系统出现功率波动，当保护误动作时，可能引起线路出现过载．甚至导致连锁故障的发生。这时需要发挥第２道防线的作用。即建立更完善的保护控制系统需要采用完善和先进的测量、计算机、通信等技术。随着这些技术的发展，以及ＧＰＳ全球定位系统在电力系统的逐步应用，基于广域测量的广域保护系统在电力系统的实现和应用成为了可能。采用安全自动装置尽可能保证故障切除后系统的稳定性。但现阶段的安全自动装置有一定的局限性：①实时性差，安全自动装置是在系统功率失去平衡后采取切机或切负荷的措施，因此可能在自动装置动作之前系统就已出现严重的崩溃事故；②全局协调性差，通常是根据本地测量数据来决定安全自动装置的动作，如此则不能实现系统内部各级安全自动装置之间的协调与配合，不仅难以从全局角度确保系统的稳定与经济运行．甚至还可能给系统造成更大的冲击，使事故的影响范围进一步扩大化。第３道防线，即系统解列，是在系统失去稳定后，将系统解列成若干能稳定运行的小系统，以便后续快速恢复整个系统正常运行。１三层式广域保护结构目前，电力行业对广域保护的定义还没有统一，大致可分为２类：①仅涉及故障或扰动后的系统保护，可称为广域继电保护；②从系统保护的角度出发，将常规保护功能也包括进来。但２种定义的广域保护都是建立在广域测量系统（ＷｉｄｅＡｒｅａＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ，ＷＡＭＳ）基础之上。为适应实际需要，按实际要求不同，广域保护的系统结构也存在不同。目前，广域保护系统的结构主要有３种：改进型数据采集与监视控万方数据电力孽镛遇梯２０１２．３３（２４０）制（ＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙＥｎｅｒｇｙＣｏｎｔｒｏｌＡｎｄＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ／２三层式广域保护的通信网络广域保护系统需要收集各相量测量单元的信息，其数据传输量较大。因此，通信系统在广域保护系统中起着重要的作用。广域保护要求通信网络具有可靠性和快速性等，因此在构建广域保护的通信网络时．需要重点分析和考虑网络类型、拓扑、通信协议和媒体介质等几个方面的选择”“。２．１ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ，ＳＣＡＤＡ／ＥＭＳ）系统结构、带系统保护终端的平面结构和多层结构。相对传统ＳＣＡＤＡ／ＥＭＳ系统，改进型ＳＣＡＤＡ／ＥＭＳ系统结构在重要信息的过滤、显示和分析能力方面，均有所提高，同时不断增加新的重要功能。由于现代保护设备或终端具有很强的计算和通信功能，带系统保护的终端按照平面分布式布置，实现广域保护功能。并且当通信系统失效时，保护终端可通过本地数据实现保护功能口１。前２种结构带有过渡性质，并不是广域保护系统最理想的结构。为了整合保护设备和ＥＭＳ两个控制领域的功能．多层结构是一种理想的综合解决方案。该方案一般可分为口层。三层式ＷＡＰＳ通信网络如图１所示。１）相量测量单元（ＰｈａｓｏｒＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＵｎｉｔ。ＰＭｕ）层为多层结构的最底层，由用来实现数据采集功能的ＰＭＵ和用于保护控制的系统保护终端（ＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ通信网络的媒体介质和类型目前．电力系统所使用的通信网络一般由数模混合系统构成。按通信介质的类型，可分为电力线载波、无线、微波、租用电话线、卫星和光纤通信系统等。光纤通信具有可靠性高、不易受干扰、衰减小等许多优良特性，在电力系统中的应用日渐普遍。此外，在电力系统中，光纤通信还具有两大明显优势：①其通信通道可利用高压电网的线路走廊，铺设地线复合光缆（ＯｐｔｉｃａｌＧｒｏｕｎｄＦｉｂｅｒＣｏｍｐｏｓｉｔｅＷｉｒｅ，ＯＰＧＷ），这样整个广域光纤网络不Ｔｅｒｍｉｎａｌ，ＳＰＴ）组成。ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒ。用建立新的走廊，可节省大量土地资源；②利用配电线路直通用户的特点，将光纤直接延伸至用户。２．２网络拓扑结构２）本地保护中心（ＬｏｃａｌＬＰＣ）层中间层为ＬＰＣ。用来完成数据采集、控制和保护功能，实现一个区域的系统保护方案。３）系统保护中心（ＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒ，ＳＰＣ）层为最上层，对各本地保护中心起到协调作用，实现全网的安全防御计划。３层之间按图３所示的标准进行通信．全部网络化。３层结构的广域保护系统（Ｗｉｄｅ．ＡｒｅａＳｙｓｔｅｍ，ＷＡＰＳ）覆盖整个电网，因此必须解决好相互间的快速可靠通信，才能实现Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ按结构形状，通信网络结构可分为树状、环形和网格拓扑３种。环形结构具有较好的自我修复能力，因此，在主于和重要网络中，一般使用环形网络结构，这样可极大地提高通信系统的可靠性。按通信需求，三层式ＷＡＰＳ的通信网络可分为２层：①ＳＰＣ与ＬＰＣ之间的通信；②ＬＰＣ与变电站或发电厂之间的通信。这种分层结构有２个优点：①使ＳＰＣ和ＬＰＣ与ＰＭＵ和ＳＰＴ之间的通信可以自由实现；②可避免局部区域保护通信引ＷＡＰＳ的功能。图１三层式ＷＡＰＳ通信网络Ｆｉｇ．１ＷＡＰＳｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｆｏｒｔｈｒｅｅｌａｙｅｒｔｙｐｅ万方数据网络建设・汪剑等广域保护通信网络综述．７．起主干网的拥塞。为了充分发挥ＳＤＨ环形拓扑结构良好的自愈能力，采用二纤双向复用段倒换环构成３层式ＷＡＰＳ通信网络拓扑，如图２所示。线路。通过ＡＴＭ一以太网一网关和ＡＤＭ的连接，ＳＰＣ，ＬＰＣ和变电站的局域网可实现相互间的通信。２．３通信协议光纤系统中采用的通信协议主要有同步光纤网络（ＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＯｐｔｉｃａｌＮｅｔｗｏｒｋ．ＳＯＮＥＴ），同步Ｄｉｇｉｔａｌ数字层级（ＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＨｉｅｒａｒｃｈｙ，ＳＤＨ），Ｔｒａｎｓｆｅｒ以及异步传输模式（ＡｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｄｅ，ＡＴＭ）２种。同步传输一般使用较成熟的ｌＰ协议。¨一６２２．ＯｇＭｂｉｌｆｓ光纤…Ｉ圈２Ｆｉｇ．２▲￥ＰＣ－ＬＰＣ・蹙Ｉ毡站』炙世电ｆ５５５２Ｍｂｉｅｓ）Ｖ６卦ＷＡＰＳ通信网络应该支持多业务，目前很多通信业务基于ｌＰ，因此，广域保护通信网络应支持【Ｐ。目前．基于ＳＤＨ并支持ＩＰ的通信网络有２种模式，分别为ＩＰｏｖｅｒＳＤＨ和ＩＰｏｖｅｒＡＴＭｏｖｅｒＳＤＨ。其中，ＩＰｏｖｅｒ３层式ＷＡＰＳ通信网路叛扑ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｈｒｅｅＳＤＨ也称为ＰａｃｋｅｔＯｖｅｒＳＤＨ．使用传ＷＡＰＳｎｅｔｗｏｒｋｔｏｐｏｌｏｇｙｆｏｒ统路由器的逐包转发方式．数据包通过点对点协议（ＰｏｉｎｔｔｏＰｏｉｎｔｌａｙｅｒｔｙｐｅＰｒｏｔｏｃｏｌ，ＰＰＰ）映射到ＳＤＨ帧上进ＳＤＨ，ＩＡＳ）的数据链路层则采用面Ｓｅｒｖｉｃｅ，图２中，环上的任意２个节点都通过２条双向路径相连，能提高数据传输的可靠性。当环中任意一点短路时，在５０ｍｓ内节点就可以自动改变传输数据方向，可以满足广域保护应用的实时通信要求。此外，ＳＰＣ也可以完成局部保护功能。行传输；后者基于ＳＤＨ并支持ＩＰ的通信网络（ＪＰＯＶａｒＡＴＭｏｖｅｒ向连接的且有较好的服务质量（Ｑｕａｌｉｔｙｏｆ（５３ＱｏＳ）的ＡＴＭ模式，通过虚电路传输定长的信元Ｂ），路由的选择由信元头中的标号决定口ｌ。从物理层到网络层，广域保护通信系统可分别使用ＳＤＨ．ＡＴＭ和ＩＰ协议。在ＩＰ层之上的协议，各种业务可根据不同的传输时延和可靠性要求自由选择。在广域保护系统中，最关键的是数据传输是原始测量数据的上传和系统保护终端（ＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ在地理位置上．ＳＰＣ安装于系统调度中心，ＬＰＣ安装于中心变电站或区域调度中心，ＰＭＵ和ＳＰＴ安装于变电站或发电厂．并且都能按ＩＥＣ６１８５０标准进行通信。ＰＭＵ负责收集整个变电站的过程信息；ＳＰＴ负责与一次系统直接交互。基于１ＥＣ６５８５０的变电站局域网如图３所示。Ｔｅｒｍｉｎａｌ，ＳＰＴ）控制命令的下圆Ｉｌ圜牮匝囹ｋ｛蛋麴卜＿Ｊ发。前者的可靠、快速传输关系到系统决策的正确性，后者关系到系统决策能否执行。为了满足电力系统实时决策系统的可移植性和可扩展性要求，有２个通信协议方案可供选择：基于连接方式的ＴＣＰ协议和基于无连接方式的用圆圈圈【Ｉ圈晖圃馐翻蕊鄹匝圈隘砸蕴圈囱压麴图３基于ＩＥＣ６５８５０的变电站局域阚Ｆｉｇ．３ＳｕｂｓｔａｆｉｏｎｔＡＮｂａｓｅｄｏｎＩＥＣ６５８５０Ｊ＾ＴＭ一“太同ＩｑｘＬ＿—Ｃ至筐匹］＿——圆Ｌ—七跨丽叫户数据报协议（ＵｓｅｒＤａｔａｇｒａｍＰｒｏｔｏｃｏｌ，ＵＤＰ）。为了保证可靠地传递数据．基于连接方式的ＴＣＰ协议在一定程度上没有考虑数据传输的快速性。当传输数据出现错误时，采用ＴＣＰ协议重新传送数据可能会导致较长时间的延时．甚至阻塞后面数据的传输。如果此时被控系统出现故障，控制过程将会失败。基于无连接方式的ＵＤＰ协议只负责将数据包传送至网络，或从网络上接收数据包，而没有考ＡＴＭ一以太网一网关可实现以太网和ＡＴＭ的协议转换，并实现ＩＰ路由功能。该网关通过二纤双向复用段倒换环由分插复用器（Ａｄｄ／ＤｒｏｐＭｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ，ＡＤＭ）连接正反方向２根光纤通信虑数据传输的可靠性。因此，采用ＵＤＰ协议时，不必考虑由于数据重发或确认造成的额外时延，万方数据：§：！！！竺：竺！竺！！：兰！竺！并且在干扰较小的局域网内部．采用ＵＤＰ协议基［２】２肖建，文福拴．广域保护及其应用川．电力系统及其自本不会出现数据丢失的情况。动化学报，２００８．２０（２）：２２－３５根据电力通信的特点，电力系统的通信负载不ＸＩＡＯＪｉａｎ，ＷＥＮＦｏ－ｓｈｕａｎ．Ｗｉｄｅ一８ｔｅａｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄ大，目前的高宽带网对于整个系统较富余。因此，ｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｅｎｓ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＵ－ＥＰＳＡ，２００８，采用ＵＤＰ／ＩＰ协议能满足广域保护通信的要求。综２０（∞：２２＿３５．合起来，通信协议为ＵＤＰｆｌＰｏｖｅｒＡＴＭ【３】３吴玲燕广域保护通信系统可靠性及其路由选择研究ｏｖｃｒＳＤＨ。ｆＤ】．重庆：重庆大学，２０１１．３结语【４】４周立龙．广域保护通信系统可靠性研究【Ｄ】．西安：西安交通大学，２０１０．随着网络技术的高速发展，电力设备网络化【５】５籁汉卿．基于ＸＭＬ的告警信息动态发布系统的研究与成为发展趋势。结合目前网络技术的发展，研究实现【Ｄ】．重庆：重庆大学，２００７．适合电力系统自身的专用通信网络，提升广域保【６】６徐杨．ＸＮＭ中时间报告机制的研究与实现与实现【Ｄ】护系统的性能是一个新的课题。目前，ＩＰｏｖｅｒ保定：华北电力大学，２００４ＡＴＭｏｖｅｒＳＤＨ还需要进一步研究和检验．以［７］黄琦，秦开宇，蔡荣海．数字化电力系统中的通信基础满足广域保护的要求。而新一代波分复用技术平台体系设计ＩＪ】．电力系统通信，２００５，２６（２）：３３－－４１ＨＵＡＮＧＱｉ．ＱＩＮＫａｉ－ｙｕ，ＣＡＩＲｏｎｇ・ｈａｉ．Ｃｏｍｍ—（Ｗａｖｅｌｅｔ‘ｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘ．ＷＤＭ）已经商ｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ用，且发展迅速，比ＳＤＨ技术能更加有效的利用ｄｅｓｉｇｎｆｏｒｄｉｇｉｔａｌｉｚｅｄｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］ＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒ光纤资源。同时，结合了ｌＰ技术和ＡＴＭ技术优Ｓｙｓｔｅｍ，２００５，２６（２）：３３－４１点的多协议标记交换技术（Ｍｕｌｔｉ．ＰｒｏｔｏｃｏｌＬａｂｅｌＳｗｉｔｃｈｉｎｇ，ＭＰＬＳ）的发展．也需要ＢＩ起注意。汪刽（１９８０一），男．湖北随州人，工程师．从事电力系参考文献统度其自动化Ｉ作。韩蕾（１９７ｓ一）．女．辽宁大连人，副鳊审，从事电力系【１】丛伟，潘贞存，丁磊，等．满足“三道防线”要求的广域统专业论文蝙辑Ｉ作。保护系统及其在电力系统中的应用【Ｊ】．电网技术，２００４，卓琴（１９８卜一），女．湖北宜昌人．工程师，从事电力系２８０８）：２９－３３．统规划ｉ作。ＣＯＮＧＷｅｉ，ＰＡＮＺｈｅｎ－Ｃｔｍ，ＤＩＮＧＬｅｉ，ｅｔａ１．Ｗｉｄｅａｒｅａ杜鑫（１９８０－－－），男．河北邢台人，工程师，从事电力系ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｔＯｄｅｆｅｎｄｔｈｒｅｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆｐｏｗｅｒ统及其自动化工作。ｓｙｓｔｅｍｓｔａｂｉｌｉｔｙｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］Ｐｏｗｅｒ（收稿日期：２０１２一０８—０６；修回日期：２０１２—０９—１０）ＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００４，２８（１８）：２９－３３．（一ｌｈ幸墓）ＳｕｍｍａｒｙｏｆＷｉｄｅ－ＡｒｅａＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＮｅｔｗｏｒｋＷＡＮＧｄｉａｎｌ，ＨＡＮＬｅｉ２，ＱＩＮＱｉｎ３，ＯＵＸｉｎ４（１ＢｅｉｊｉｎｇＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｍｐａｎｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００３１，Ｃｈｉｎａ；２．ＪｏｕｒｎａｌＣｅｎｔｅｒ，ＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎ９１００１９２，Ｃｈｉｎａ；３ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎ９１００１９２，Ｃｈｉｎａ；４．ＢｅｉｊｉｎｇＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｍｐａｎｙ，Ｂｅｉｊｉｎ９１０００１８，Ｃ＇ｔｍｍ）Ａｂｓ”ａｄ：Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｎｅｔｗｏｒｋｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｌｎｎｅｔｗｏｒｋｈａｓｂｅｅｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅｔｒｅｎｄａｎｄｔｈｅｗｉｄｅａｒｅａｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｂｏｍＯｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒＳｔＵ劬Ｓｔｈｅｎｍ％ｔｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆｗｉｄｅａｒｅａｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｎｅｔｗｏｒｋａｎｄｇｉｖｅｓａｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｏｆｉｔｓａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓＩｔｆｏｃｕｓｅｓＯｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｏｆｗｉｄｅａｒｅａｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｒｅｅｌａｙｅｒｔｙｐｅ，ｃｏｍｅｌｍａｓｔｈｅｖａｌｉｄｉ母ｏｆｔｈｉｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｌｏｏｋｓｆｏｒｗａｒｄｔｏｔｈｅｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｗｉｄｅ－ａｒｅｎｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｎｅｔｗｏｒｋ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｄｅ－ａｒｅａｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋ；Ｐ删万方数据