广域继电保护分层系统结构的网络拓扑设计

摘 要：广域继电保护是针对传统后备保护中存在的突出问题所提出的的一种电力继电保护新思路，在进行广域继电保护的设计实现过程中，拥有实时、可靠的通信网络是实现广域继电保护的重要基础，广域继电保护的分层系统结构就是针对这一要求设计实现的。本文主要结合广域继电保护的分层系统结构，从广域继电保护的IED接入变电站网络以及广域继电保护的IED接入电力通信网等方面，对于基于MSTP平台的广域继电保护分层系统结构的通信组网设计进行分析论述，以推进广域继电保护网络技术与通信水平的发展提升。

关键词：广域；继电保护；分层系统结构；通信网络；拓扑结构；设计；分析

中图分类号：TP31 文献标识码：A

随着现代信息技术的发展提升以及智能化电网建设的不断加快，在现代化电网建设中，先进计算机信息应用技术以及网络通信技术、电力电子技术等，不仅在电网建设中的应用实现更为广泛，并且对于电网建设与发展的促进作用也越来越明显。电网建设与电力系统工作运行过程中，传统的后备保护方式不仅保护整定比较复杂，并且保护动作延时较长，电网运行过程中，一旦电网结构或者运行工况发生预设以外的变化时，电网的后备保护功能与作用很难得到保障，因而会对于整个电网的工作运行以及稳定性产生不利影响，基于网络通信以及广域测量技术的广域继电保护就是针对这种传统后备保护模式的问题，提出的一种电网运行保护新思路和新模式。广域继电保护模式在进行电网运行保护中，根据该保护模式的保护算法与分层系统结构情况，进行高效以及双向、实时、自愈、安全、可靠的通信网络构建，是广域继电保护模式实现的基础。本文将结合广域继电保护模式的分层系统结构特征，从广域继电保护模式中IED与变电站网络的接入实现，以及广域继电保护IED与电力通信网络的接入实现两个方面，对于基于MSTP平台的广域继电保护分层系统结构的网络拓扑设计进行分析论述。

1 广域继电保护的分层系统结构特征分析

广域继电保护作为电网运行保护的一种新模式以及电力系统的新增业务，其分层系统结构主要将整个保护网络分为三个结构层次，即接入层、汇聚层以及核心层。广域继电保护分层系统结构的通信网络设计中，关键是对于与数字化变电站网络以及电力通信网络的接入进行设计实现，以在满足广域继电保护功能的同时，不对于变电站以及电力通信网络中现有的业务功能产生影响。在该广域继电保护分层系统结构中，主要采用的是变电站信息集中和区域集中决策相协调的分层系统结构模式。在该分层系统结构中，变电站以及调度中心内部网络结构，在该结构中IED1到IEDn均表示智能电子设备，其中，子站中的广域继电保护IED被定义为TCU，主站中的广域继电保护的IED被定义为DCU，而调度中心的广域继电保护IED则被定义为MU，而目前所谓的广域继电保护主要是指实现同一电压等级下的线路保护；在广域继电保护分层系统结构中，通常情况下，从广域通信网络的结构层面上来看，同一电压等级的整个电网广域继电保护分层系统结构主要包含三个层次结构，即接入层以及汇聚层、核心层，在进行广域继电保护通信网络构建过程中，将整个广域电网看作是若干个有限区域共同组成，然后在每个区域选择其中的一个变电站作为主站，将所有区域的主站设置为汇聚层，对于子站TCU上传的信息内容进行汇聚，同时以主站为中心进行区域划分实现，将区域内部除主站外的其他变电站归结设置为子站，这样一来整个广域电网内的子站就构成了接入层，而广域电网的调度中心MU则是整个分层系统结构的核心层。

在广域继电保护的分层系统结构中，子站中的广域继电保护主要由信息采集单元和跳闸执行单元两个结构部分组成，其中，信息采集单元的主要功能作用包括，进行启动元件的判断以及被保护线路模拟量与开关量的测量等，并且在进行被保护线路模拟量测量中，进行模拟量测量预处理后，进行相量值的计算，并将计算所得的相量值与开关量通过远程通信网络传送到主站中；而在子站广域继电保护的跳闸执行单元结构部分，其主要功能为接受主站的控制命令，并在与本地的传统在后备保护进行综合决策后，进行相应断路器的跳合闸操作控制，同时上传指令到广域电网主站与调度中心结构部分。而在广域继电保护分层系统结构中，主站中的广域继电保护主要由信息采集单元与综合决策单元两个部分组成，其中信息采集单元在承担主站中的TCU任务，进行本区域内TCU上传信息的收集同时，进行调度中心下指令的接受；而主站中的广域继电保护综合决策单元，则具有定时根据子站上传信息进行广域继电保护运算，并且在区域内出现故障问题后，进行故障问题处理决策的制定与下发，以实现对于相关故障问题的切除控制。最后，广域继电保护的调度中心结构部分，主要是进行各区域广域继电保护系统运行情况以及全网实时拓扑结构、故障记录查询等的实施协调与监控。

2 广域继电保护IED接入变电站网络与电力通信网

2.1 广域继电保护IED接入变电站网络

对于广域继电保护IED接入变电站网络，需要结合数字化变电站网络的通信设计方案，在确定数字化变电站网络的通信方案后，进行广域继电保护IED接入变电站网络的设置实现。通常情况下，在数字化变电站通信中，应用较多的通信网络方案主要有独立过程网络与全站统一网络两种网络通信方案。其中，独立过程网络是一种比较容易实现的数字化变电站网络通信方案，而全站统一网络具有信息高度共享的特征优势，是数字化变电站通信网络的最终方案形态。以220kV的两电压等级数字化变电站为例，在广域继电保护TCU/DCU接入数字化变电站的全站统一网络拓扑结构中，数字化变电站的低压侧主要采用的是集中备用的双星形冗余网络拓扑结构，而在数字化变电站的高压侧，对于每一套单一间隔设备通过间隔交换机和本间隔内的合并单元以及断路器智能终端等过程层设备进行相互连接实现从而形成一个通信子网，数字化变电站的低压侧单一间隔设备则通过间隔交换机与集中备用交换机，与本间隔内的过程层设备进行相互连接实现。此外，对于上述网络拓扑结构中，跨间隔设备在高压侧是通过公共交换机与本间隔内过程层设备相连实现，低压侧保护则是通过另一公共交换机与连接实现。

2.2 广域继电保护IED接入电力通信网

广域继电保护IED与电力通信网的接入实现，则是在以MSTP作为传输平台的情况下，通过将广域继电保护的网络通信业务接入到电力通信网的方式，实现广域继电保护IED接入电力通信网，即为广域继电保护业务与变电站其他业务通过MSTP平台设备接入到电力通信网的传输模型结构。

3 广域继电保护分层系统结构的网络拓扑设计

根据上文所述可知，在进行广域继电保护分层系统结构的网络拓扑设计实现过程中，主要是以MSTP设备的接入或者说是以MSTP作为平台设计实现的。

首先，在进行广域继电保护分层系统结构的HVPLS网络拓扑结构设计过程中，接入MSTP平台设备的以太网接口业务主要包括，广域继电保护数据网、调度数据网、综合数据网等，各种业务通过不同以太网接口的接入，并以各自独立的虚拟网桥，实现相互连接。在广域继电保护模式中，分层系统结构的广域继电保护是一种集中式业务形式，保护区域内子站广域继电保护信息均向主站汇集，并最终汇集到核心层结构中，以组网方式实现点到多点、多点到点的网络通信传输结构形式。此外，在进行广域继电保护分层系统结构中信息传输方式以及过程的设计中，由于MSTP以太网业务处理单板具有汇聚功能，能够通过以太网进行多个接口的数据连接实现，因此，在进行广域继电保护分层系统结构信息传输方式与过程设计中，主要是以这种子站、调度中心以及主站等结构相互连接的方式设计实现，以满足广域网运行过程中，运行传输业务对于传输通道的带宽需求，同时对于降低广域网通信传输过程中的故障率也有着积极的作用。。

结语

总之，高效、稳定的网络通信是广域继电保护实现的基础，进行广域继电保护分层系统结构的网络拓扑设计，有利于促进广域继电保护在电网运行与建设中的推广应用，对于电网的安全稳定运行实现有着积极作用和意义。

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