就地化保护 | 数字变电站的终结？
有没有一种技术能够被称之为数字变电站的「历史的终结」？在继电保护领域，就地化保护可能就是数字变电站演化的终点；更紧密的一二次融合是继电保护最终的形式。
这种论断可能过于武断，但在交流世界里这有可能真的是最终的秩序。尽管就地化保护在现实应用中还存在一些不足，但技术的进化和演化将最终指向这种极简的设计。
从哪里开始
继电保护有百多年的历史，无处不体现一种简约的数学美。继电保护是分散的、反映安装点看到的系统等效电路。
图片来源：Circuit Globe
经历过电磁继电器、整流型继电器、晶体管继电器、集成电路继电器，最终由微处理器将继电保护统一到算法。在新的数字变电站中，通信系统的引入，替代了传统的控制电缆电气连接，为继电保护系统创造了更多种可能。
IEC 61850与合并单元
IEC61850用通信的概念重塑变电站的保护和控制系统。首先，将复杂的电气控制连接，尤其是表征某种状态的控制信号输入/输出，变为基于光纤的通信连接。因此，节省了电缆（铜），减少了高能量的电气信号引入控制室的机会。
IEC61850用CIM模型重新描述了继电保护设备以及整个变电站（SCL语言，IEC61850-6）。变电站的控制系统变为具有特定网络地址的物理设备总和，这些物理设备称为智能电子设备（IED）。过去的保护与控制等具体的功能被称为逻辑设备（LD），所有保护控制功能的每一个环节或子模块被称为逻辑节点（LN）。
61850模型解构。图片来源：researchgate.net
我们已经知道保护和控制是某个特定安装点所实现的自动化功能，需要由来自高压开关场的电压互感器、电流互感器以及其它表征状态的输入/输出连接构成。传统的电压互感器或电流互感器会为多个继电保护提供模拟量输入。电压互感器的二次输出可以通过并联以PT二次母线的方式出现；电流互感器尽管可以串联实现电流共享，但实际应用为防止开路、一般保持电路的独立性，采用互感器多二次线圈输出的方式，从源头保证CT回路的安全性。
转换为通信系统，最直观的来看，这恰恰是一个数据分发或数据广播的概念。因此，IEC61850努力使得这种数据分发成为变电站自动化的最关键标准（IEC61850-9），因此有了合并单元，并成为区别传统微机保护与数字化变电站最重要的标志。
安装在室外端子箱中的合并单元/智能终端
然而，合并单元的引入却带来了以下几个关键问题：
» 数据对齐（对时）问题，交流系统所有的交流模拟量都是矢量，除了幅值，表征这些数据的关键是相位。
连续的交流信号必须经过锁相操作，对齐所有采样数据，以实现连续信号离散化。我们已经知道「继电保护是在其安装点看到的系统等效电路」，也就是同一安装地点采集的全部交流信号需要准确地同步在同一个采样时刻，否则就会出现相位偏差。相位偏差对方向敏感的保护、差动保护都是无法承受的。
合并单元是以固定的采样频率，按照固定时间间隔向其它设备发布采样数据。可以想象，变电站中有多个（几十几百个）合并单元在同时发布数据，尽管我们可以使用对时，要求它们在同一时刻，标注时标，但仍然不能满足采用多个模拟量输入设备的精确对齐要求。因为，每个合并单元都可能有不同的滤波电路，产生不同的延迟，CPU处理的节拍不同也会产生细微的差别。同时，保护装置采用这些发布数据时，也需要重新采样（插值），会进一步带来误差。即便如此，合并单元还带来另外一个致命的问题...
» 依赖对时。一旦对时系统失败，合并单元进入自我守时进程，全站设备因此将迅速失去同步。因此，合并单元给继电保护引入了一个全局性的风险。
» 增加了系统复杂程度、增加了系统延时。传统的继电保护采样/处理/驱动都集中在一个物理设备当中。但新的数字变电站将上述三个环节分解到三个物理设备——合并单元、继电保护、智能终端，增加了系统复杂性，降低了系统可靠性。由于每个设备的固有延时，保护整组动作时间将增加7~8ms.
» 最后，合并单元的数据发布仍然是基于IEEE 802.3定义的物理和媒体接入控制格式（MAC），最核心的技术是CSMA/CD（载波侦测多重存取与碰撞检测，Carrier-sense multiple access with collision detection），他是以太网、互联网的基石。但在工业应用领域，特别是强调时间精确性场景，802.3可能就不是一个最好的选择。基于802.3的合并单元在数据发布时，数据的碰撞检测机制，使得发布时刻变得随机，因此从一个通信节点到另一个通信节点的传输延时也变得随机、不可预测。如果再使用交换机，那么系统又将增加一个不确定环节、增加了复杂程度、降低可靠性、增加了数据传输延时的不确定性。
就地化保护
就地化的概念首先就是要「降低系统复杂程度，减少系统延时」。既然合并单元、继电保护、智能终端在分开状态下，每个将固有地增加2~3ms的系统延时，那么最直接的对策就是将这三个设备合并在一起。就地化消除了合并单元与保护、保护与智能终端的通信连接，通过集中降低了系统硬件失效的整体风险（过去是三个硬件和两段通信连接，现在集成为一个），实践证明它是提升数字变电站保护可靠性、降低动作延时的有效方案。
动作时间对比。图片来源：南瑞科技
事实上，就地化还带来另外一个意想不到的好处。在全球电力基础设施升级过程中，数字变电站是非常关键的一环。虽然不同国家有不同的现实场景，然而一个基本事实是很多老旧资产承担着非常重要的输配任务。很多旧的变电站控制室内没有额外的空间安装新的保护屏柜，同时又无法承受长时间的停电更换。此时就地化就是一个非常好的选择——首先在开关场内安装新的就地化保护，然后用最短的时间窗实现切换，停运旧设备，使用新的数字化设施！
就地化保护的应用。图片来源：南瑞科技
就地化从设计到安装具有上述这些优势，然而仍有两个关键的问题，没有给一贯「思想保守」的继电保护工程师最优答案：
» 没有在控制室内的显示和操作单元
» 无法在室内进行测试
显示告警信息及整定是很容易解决的——首先，可以使用变电站监控后台，即集中监控代替独立的保护设备显示。但很多保护工程师不能接受在计算机屏幕上查阅信息。那么我们可以考虑独立的显示单元，或与测控设备共用一个显示单元。
既然我们可以将采样和保护逻辑在硬件上分开，为什么不能将人机界面与保护功能分开？IEC61850-7-4 Ed2 中扩展了逻辑节点人机显示单元IHMI，我们可以将IHMI与其它测控功能集成在一个物理设备中（需要考虑冗余站控层网络的连通性），使得IHMI仅与对应间隔的保护设备匹配，或双重化保护情况下一个测控物理设备中集成两个IHMI，对应双套就地化保护。
对于测试，我们可以考虑将测试设备的一部分同样放置在就地化保护附近，但控制测试设备的便携计算机放置在受测保护的室内显示单元（包含逻辑节点IHMI的物理IED）附近监视测试结果。测试计算机与测试设备通过站控网络连接。如下图，测试计算机3与测试设备4通过网络连接，测试设备置于就地化保护附近，全面接管就地化保护的输入输出。目前这个思路还处于概念阶段。
数字变电站的测试与配置。图片来源：Omicron（原标题：变电站网络攻击路径）
通信网络的改进
既然802.3的冲突解决机制造成了传输延时的不确定性，那么在不改变以太网基础形态的情况下，已有EtherCAT（IEC61158）解决方案。EhterCAT事实上是一种主从机制，在802.3之上，通过应用层设计实现确定的延时通信。保护单元作为主，其它设备，如合并单元作为从。它的实现方式可以比喻成一列依次经过所有从站的火车：所有从站的数据集成在一个以太网包中，依次经过每个从站，经过的时候从站从中取出发给自己的下行数据，同时把上行数据塞进包中。所有从站加在一起可以理解成一个以太网节点，而每个从站的数据则是以太网报文中的一个子包。因此，EtherCAT可以理解为：是通过主站的软实时中断来控制同一网络中的子站的软数据同步行为，这与继电保护同步所有采样数据的需求是一致的。需要注意的是操作系统的实时性（软中断的精确性）。
EtherCAT的主从结构。图片来源：维基百科
延伸阅读：数字变电站设计——越简单越好，SEL
IEC Std. 61158™与EtherCAT https://en.wikipedia.org/wiki/EtherCAT
针对实时性和不依赖对时的需求，也可以考虑排除802.3的物理层和MAC层设计，引入PON技术，将继电保护或其他自动装置的实时网络区别于站控网络。在站控层，IED与IED之间以及IED与更广域系统的互联采用互联网协议，以实现广泛的兼容性。但在控制间隔(Bay)范围内，则构成Bay Area Network (BAN)。IED与传感器、执行设备之间的构成强实时数据互联。使用PON技术，满足确定延时、不依赖对时、没有中间交换、高可靠、高MTBF (Mean Time Between Failures)的特性。这实际是对应过去多线圈CT方式，通信替代方案上的新形式映射。
间隔域网络示意图
PON的优势在于：
» 不依赖交换，无源高可靠性器件
» 确定的时分技术TDM（Time-division multiplexing），主从结构（与继电保护应用一致）
» 同时可以使用波分技术WDM（Wavelength-division multiplexing），区分上下行数据。完全就是为继电保护设计的概念！
展望
就地化保护的确是一种历史进步，是继电保护演化的重要里程碑。并不是对技术发展悲观，就地化很可能就是数字化变电站的终结，将是数字化变电站未来唯一的形式——设备更小、集成度更高。
下一步需要做的，是持续对这些与一次设备紧密结合的继电保护进行改进。可以预见——将算法、通信固化为芯片，使用ASIC（专用集成电路，Application-specific integrated circuit）方案进一步简化这些智能电子设备，将是颠覆微机保护的唯一路径。
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