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摘要：自电气工程广泛以来，以太网技术已被广泛接受并呈指数级增长。直到最近，以太网才真正取代了相互竞争的过程总线和局域网（LAN）技术——令牌环、Profibus、Modbus?Plus、LonWorks?等——其中大多数必须切换到基于以太网的物理层和基于TCP/IP的协议（Modbus TCP/IP、Profibus TCP/IP和DNP TCP/IP）。由于传统的基于冲突的访问技术固有的局限性，以太网仍然被广泛认为不适合任务关键型的硬实时应用。然而，在国际标准（IEEE 802.3x、802.1q、802.1p、802.1w、IEC 61850-x-x）发展的推动下，以太网现已发展成为一种高度可预测和可靠的实时网络技术。本文概述了最新标准，并研究了其对电力系统自动化和保护的影响。我们特别关注IEC GOOSE和IEC GSSE消息的使用，以及IEC 61850-9-2中描述的通过以太网传输模拟数据的新选项。本文包括描述实时以太网在配电变电站和工业厂房自动化中的应用实例，如快速母线跳闸、允许传输跳闸和基于网络重构的断路器故障保护。
关键词：电气工程;自动化技术;电力系统;自动化发展
引言：数字通信逐渐成为电力公用事业网络不可或缺的一部分。数字通信基础设施虽然不直接参与大容量电力传输，但却是大型互联电力系统无法运行的重要组成部分。最近的事件，如停电事件，强调了改进数据收集和实时态势感知的必要性。这些活动为新技术的部署提供了额外的动力，如同步相量、基于GPS的全球时间分配应用、变电站以太网以及更好地利用现有微处理器继电器/智能电子设备（IED）能力。改进的数字通信也导致传统设备整合，使得越来越难以区分SCADA远程终端单元（RTU）功能与通信处理器、保护继电器、收入表、间隔控制器或数字故障记录器。
1.电力系统自动化设备故障
链路管理丢失由于电力系统自动化设备的高可靠性，几乎所有制造商都为其产品配备了冗余以太网端口接口。该接口通常提供一个“备用”通道，在主端口发生故障时能够接管网络功能。虽然检测接收光纤的损耗相对来说是微不足道的（终端设备注意到没有“链路”脉冲），但检测出站（传输）光纤故障则更为复杂。在这种情况下，以太网交换机将知道与终端设备的通信丢失，但该设备将感觉一切正常，因为它继续接收链路脉冲。因此，终端设备将不会切换到其备份端口。该问题通过向交换机添加智能来解决，该交换机在检测到传入链路故障后禁用传出链路脉冲流。附加功能可用于在“链路丢失”事件（刷新MAC地址表、端口溢出等）发生后立即增强交换机学习能力。准确的恢复程序没有完全标准化，仍然是特定于制造商/产品的，因此需要在实际现场部署之前进行验证[1]。快速生成树算法支持尽管以太网在带宽和实时能力方面非常强大，但除非它被设计为能够克服设备故障并提供易于维护的能力，否则它将毫无用处。这是通过添加冗余和使用高级网络拓扑来实现的。虽然需要多条通信路径（一般而言），但它们的存在会危及基于OSI第2层交换机的网络。除非特别禁用，否则将导致多条路径，数据包将无限期地通过所有循环路径路由，从而导致快速流量累积和完全网络故障[2]。通过引入“生成树”算法解决了这个问题，该算法使多个交换机能够自组织、发现和临时禁用冗余网络连接。此类连接保持在“热备用”状态，并可根据需要激活。快速生成树算法对原始生成树实现进行了微调（完全恢复网络可能需要1到3秒的时间），將其加速到5-40毫秒的水平[3]。
2.电气工程及其自动化技术下的电力系统自动化发展分析
2.1故障保护
断路器故障保护断路器故障保护是一种最后手段，定时器驱动方案，旨在协调上游设备操作，以便在下游保护设备发出跳闸命令，但其相关断路器未能在规定的断路器故障时间间隔内清除故障的情况下清除故障（通常为7到15个周期）.断路器故障跳闸信号可能必须与一个相邻设备或尽可能多的继电器/智能断路器进行通信，以清除故障。由于它是多播消息，IEC GSSE自然适合此任务。表3显示了应用于双断路器的断路器故障保护系统的简化示例r系统。虽然这些设置看似简单，但使用多个断路器的实际实施必须考虑确定哪些设备需要响应断路器故障信号所需的额外逻辑。上述示例表明，断路器故障功能曾经集中在单个断路器内“断路器故障继电器”现在可以分布在多个IED之间。根据实施情况，断路器故障计时器现在可以在主保护设备内、备用保护设备内实施，或者分布在网络上的多个设备之间[4]。
允许越界传输跳闸允许越界传输跳闸（POTT）是一种非常流行的通信辅助方案，能够提供快速安全的传输线保护。它最初应用于基于载波的通信信道，并已成功适应现代数字通信。基本POTT方案的工作原理很容易注意到，当其相关继电器同时在前瞻方向（2区）发现故障时，断路器2和3可能跳闸。区域3必须配置为朝相反方向看，并且需要从远程线路终端到达超出范围的区域2以外的地方。
2.2接收信号
在远程端接收到密钥信号后，将其与本地区域元素信息进行比较。如果本地2区元件和远程端的钥匙信号同时激活，则继电器发出跳闸。如表4所示，将IEC GSSE消息用于POTT方案相对简单。最大的挑战在于IEC GSSE消息不可路由。由于POTT方案通常跨越两个不同的变电站，因此还必须确保IEC GSSE信息能够可靠地远距离传输。根据变电站之间的距离，可以通过扩展单个以太网网络来跨越两个变电站（单交换以太网域），或者更常见的是通过使用路由器将系统划分为多个子网络来实现。由于IEC GSSE消息不可路由，因此必须手动配置路由器，以便在两个网络之间“隧道”IEC GSSE特定的多播流量。允许超程转移跳闸属于一组更广泛的通信辅助定向跳闸方案。虽然在线路保护应用中非常流行，但它可以有效地用于保护敏感的工业负载。图7显示了一个这样的应用，其中定向通信辅助跳闸可用于可靠隔离故障，并向网络其余部分提供快速恢复服务（在几个周期内）[5]。
结束语：本文介绍了通过使用实时以太网增强电力系统自动化，演示了在电力系统保护中使用IEC GSSE/UCA2.0 GOOSE消息。需要注意的是，本文中提出的任何应用都不能单独证明为变电站配备以太网网络能力的投资是合理的。然而，一旦以太网被证明是合理的，GSSE消息就提供了在多个保护设备之间交换实时状态信息的首选方法。IEC GSSE信息可用于简化变电站接线，降低安装成本，提高保护系统的整体性能。当正确应用时，IEC GSSE消息在电力系统保护和自动化工程师的工具箱中提供了一个强大的新工具。
参考文献
[1] 郭佳雨. 电气工程及其自动化技术下的电力系统自动化发展分析[J]. 商品与质量，2020（21）：82.
[2] 左飞. 电气工程及其自动化技术下的电力系统自动化发展分析[J]. 科技展望，2017，27（24）：112. DOI：10.3969/j.issn.1672-8289.2017.24.097.
[3] 徐猛，马一玄. 电气工程及其自动化技术下的电力系统自动化发展分析[J]. 魅力中国，2019（23）：41-42.
[4] 胡娜. 电气工程及其自动化技术下的电力系统自动化发展分析[J]. 商品与质量，2020（46）：6.
[5] 黄初高. 电气工程及其自动化技术下的电力系统自动化发展分析[J]. 科技风，2018（4）：160. DOI：10.19392/j.cnki.1671-7341.201804143.
关键词：电气工程;自动化技术;电力系统;自动化发展
引言：数字通信逐渐成为电力公用事业网络不可或缺的一部分。数字通信基础设施虽然不直接参与大容量电力传输，但却是大型互联电力系统无法运行的重要组成部分。最近的事件，如停电事件，强调了改进数据收集和实时态势感知的必要性。这些活动为新技术的部署提供了额外的动力，如同步相量、基于GPS的全球时间分配应用、变电站以太网以及更好地利用现有微处理器继电器/智能电子设备（IED）能力。改进的数字通信也导致传统设备整合，使得越来越难以区分SCADA远程终端单元（RTU）功能与通信处理器、保护继电器、收入表、间隔控制器或数字故障记录器。
1.电力系统自动化设备故障
链路管理丢失由于电力系统自动化设备的高可靠性，几乎所有制造商都为其产品配备了冗余以太网端口接口。该接口通常提供一个“备用”通道，在主端口发生故障时能够接管网络功能。虽然检测接收光纤的损耗相对来说是微不足道的（终端设备注意到没有“链路”脉冲），但检测出站（传输）光纤故障则更为复杂。在这种情况下，以太网交换机将知道与终端设备的通信丢失，但该设备将感觉一切正常，因为它继续接收链路脉冲。因此，终端设备将不会切换到其备份端口。该问题通过向交换机添加智能来解决，该交换机在检测到传入链路故障后禁用传出链路脉冲流。附加功能可用于在“链路丢失”事件（刷新MAC地址表、端口溢出等）发生后立即增强交换机学习能力。准确的恢复程序没有完全标准化，仍然是特定于制造商/产品的，因此需要在实际现场部署之前进行验证[1]。快速生成树算法支持尽管以太网在带宽和实时能力方面非常强大，但除非它被设计为能够克服设备故障并提供易于维护的能力，否则它将毫无用处。这是通过添加冗余和使用高级网络拓扑来实现的。虽然需要多条通信路径（一般而言），但它们的存在会危及基于OSI第2层交换机的网络。除非特别禁用，否则将导致多条路径，数据包将无限期地通过所有循环路径路由，从而导致快速流量累积和完全网络故障[2]。通过引入“生成树”算法解决了这个问题，该算法使多个交换机能够自组织、发现和临时禁用冗余网络连接。此类连接保持在“热备用”状态，并可根据需要激活。快速生成树算法对原始生成树实现进行了微调（完全恢复网络可能需要1到3秒的时间），將其加速到5-40毫秒的水平[3]。
2.电气工程及其自动化技术下的电力系统自动化发展分析
2.1故障保护
断路器故障保护断路器故障保护是一种最后手段，定时器驱动方案，旨在协调上游设备操作，以便在下游保护设备发出跳闸命令，但其相关断路器未能在规定的断路器故障时间间隔内清除故障的情况下清除故障（通常为7到15个周期）.断路器故障跳闸信号可能必须与一个相邻设备或尽可能多的继电器/智能断路器进行通信，以清除故障。由于它是多播消息，IEC GSSE自然适合此任务。表3显示了应用于双断路器的断路器故障保护系统的简化示例r系统。虽然这些设置看似简单，但使用多个断路器的实际实施必须考虑确定哪些设备需要响应断路器故障信号所需的额外逻辑。上述示例表明，断路器故障功能曾经集中在单个断路器内“断路器故障继电器”现在可以分布在多个IED之间。根据实施情况，断路器故障计时器现在可以在主保护设备内、备用保护设备内实施，或者分布在网络上的多个设备之间[4]。
允许越界传输跳闸允许越界传输跳闸（POTT）是一种非常流行的通信辅助方案，能够提供快速安全的传输线保护。它最初应用于基于载波的通信信道，并已成功适应现代数字通信。基本POTT方案的工作原理很容易注意到，当其相关继电器同时在前瞻方向（2区）发现故障时，断路器2和3可能跳闸。区域3必须配置为朝相反方向看，并且需要从远程线路终端到达超出范围的区域2以外的地方。
2.2接收信号
在远程端接收到密钥信号后，将其与本地区域元素信息进行比较。如果本地2区元件和远程端的钥匙信号同时激活，则继电器发出跳闸。如表4所示，将IEC GSSE消息用于POTT方案相对简单。最大的挑战在于IEC GSSE消息不可路由。由于POTT方案通常跨越两个不同的变电站，因此还必须确保IEC GSSE信息能够可靠地远距离传输。根据变电站之间的距离，可以通过扩展单个以太网网络来跨越两个变电站（单交换以太网域），或者更常见的是通过使用路由器将系统划分为多个子网络来实现。由于IEC GSSE消息不可路由，因此必须手动配置路由器，以便在两个网络之间“隧道”IEC GSSE特定的多播流量。允许超程转移跳闸属于一组更广泛的通信辅助定向跳闸方案。虽然在线路保护应用中非常流行，但它可以有效地用于保护敏感的工业负载。图7显示了一个这样的应用，其中定向通信辅助跳闸可用于可靠隔离故障，并向网络其余部分提供快速恢复服务（在几个周期内）[5]。
结束语：本文介绍了通过使用实时以太网增强电力系统自动化，演示了在电力系统保护中使用IEC GSSE/UCA2.0 GOOSE消息。需要注意的是，本文中提出的任何应用都不能单独证明为变电站配备以太网网络能力的投资是合理的。然而，一旦以太网被证明是合理的，GSSE消息就提供了在多个保护设备之间交换实时状态信息的首选方法。IEC GSSE信息可用于简化变电站接线，降低安装成本，提高保护系统的整体性能。当正确应用时，IEC GSSE消息在电力系统保护和自动化工程师的工具箱中提供了一个强大的新工具。
参考文献
[1] 郭佳雨. 电气工程及其自动化技术下的电力系统自动化发展分析[J]. 商品与质量，2020（21）：82.
[2] 左飞. 电气工程及其自动化技术下的电力系统自动化发展分析[J]. 科技展望，2017，27（24）：112. DOI：10.3969/j.issn.1672-8289.2017.24.097.
[3] 徐猛，马一玄. 电气工程及其自动化技术下的电力系统自动化发展分析[J]. 魅力中国，2019（23）：41-42.
[4] 胡娜. 电气工程及其自动化技术下的电力系统自动化发展分析[J]. 商品与质量，2020（46）：6.
[5] 黄初高. 电气工程及其自动化技术下的电力系统自动化发展分析[J]. 科技风，2018（4）：160. DOI：10.19392/j.cnki.1671-7341.201804143.