IEC-61850協議的變電站系統規劃設計與建置方式

圖1

變電站自動化，在節能減碳議題發燒之後，逐漸受到社會大眾、政府單位，以及相關廠商重視。在節能減碳許多方案中，如地球工法，綠建築等等均為許多產學界集思廣義並研究開發成果，其中，最為大家所關注的便是智慧型電網概念。其包含數位電表、分散式電力系統、儲能設備、輸配電網路、資訊分析與管理軟體(SCADA)及電路安全保護機制等等，整合發電、輸電、配電及用戶端電力系統，透過整體網路監控，藉以調節並調度來達到省電及節能目標。

現行電網系統(Power Grid)均為數十年前所規劃與建造，現今負載量已與當年設計上有極大差異。在尖鋒時段(Peak Hour)常出現無法負荷狀況，而需要啟用更多火力發電機組來解決電網負載不足問題。當然，其更不利於節能減碳目的。智慧型電網根本目的是從發電、輸配電到最終端智能電錶進行升級改造，再加入乾淨能源(Clean Energy)如風力與太陽能發電。從改變整個發電到用電系統體質著手，使能源利用效率提升。

從整體供需情形來看，發電廠的熱效率，輸配電傳輸效率，使用端電器效率。均已追趕不上現今工商發展速度，如何建立或更新既有的電網系統，政府與民間均需投注更多力量才行。加上雲端運算(Cloud Computing)及網路系統(Network Infrastructure)概念導入，智慧型電網概念漸型完整。透過整體監控與調度，可以將用電效率提升並有效減低發電成本。其中，網路系統猶如身體內的血管，用以進行資訊傳遞以及連結各主要部位。缺乏網路系統做為溝通橋樑，智慧電網將成空談。本文將針對電網系統中，變電站自動化的網路骨幹規劃及饋線自動化網路架構來進行論述，並將架構具體圖解說明。

變電站設備IED

IED(Intelligent Electrical Device)在變電站自動化中，IED(Intelligent Electrical Device)扮演相當重要角色，以下簡稱IED。知名廠商如ABB、SEL、VAMP、GE、TOSHIBA、AREVA、MITSUBISHI、Schneider等均有IED解決方案。在IED通訊協定來說，從傳統DNP3.0、IEC60870-5-103(Serial)、IEC60870-5-104(Ethernet)等協議到近代IEC-61850協議，IED傳輸介面也由串列介面(Serial)進化到乙太網路Ethernet介面或光纖(Optic Fiber)介面，傳輸速率與品質均大大提升，網路系統規模也隨之放大。

基於IP Base的乙太網路，網路規劃是一個相當重要的部分。基本概念為標準化、網路化、數位化、系統優化。用以確保網路頻寬，維持網路傳輸品質，且必需要達到網路備援(Redundancy)功能。此外，透過SCADA/HMI軟體連結可以讓使用者於現場及遠端掌控設備使用。

變電站設備Power SCADA
Power SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)針對電力應用的圖形化軟體人機介面，用以監控管理系統上的裝置。並即時收集資訊、資料處理、故障報警、分析與記錄等等。如下圖1所示。

變電站設備RTU、FTU

RTU、FTU(Remote Terminal Unit/Feeder Terminal Unit)RTU(Remote Terminal Unit)或FTU(Feeder Terminal Unit)，一般而言泛指以微處理機架構之下的遠端資訊設備。其內含控制電腦，傳輸設備以及Input/Output開關與感測器。用以進行資料收集、資料傳輸、事故報警並能輸出控制信號以執行相對應行動方針。
FRTU(Feeder Remote Terminal Unit)FRTU(Feeder Remote Terminal Unit)，用以將區域RTU資料集中匯整，含主變、饋線、等資訊傳送至控制中心(Control Center)，並接受控制中心所傳達的指令對現場設備進行操作。

傳統變電站

一般傳統變電站，透過許多機械裝置及開關櫃，來進行切換與控制、資料收集，要達到遠端管理相當困難，且必需透過人工操作方式來處理及應變。但因使用時間久遠，在世界各國電網系統中仍占多數且與發電端直接連結，在實際運用面來說，有許多障礙尚需克服。以致即使今日科技進步，尚無法全面進行升級改造或汰換。

過渡型變電站 傳統通訊協議及串列連接

因應遠端管理及記錄分析需求普遍皆在，過渡型變電站建立亦為下一步數位化變電站鋪路。在變電站系統，各國際大廠推出的協議並不相同。在Modbus、IEC60870等協議出現之後。串列介面及Master/Slave運作，在建置上有著便利性優勢，但各家有其私有(Proprietary)協議(Protocol)，規格並未統一，對未來設備整合帶來了麻煩，協議彼此間並不相容便需要協議轉換或是後端平台來處理，數位化及標準化即成了各國電力系統所面臨的一大難題。

其網路建置方式可以透過串列伺服器將許多RS232/422/485設備以直接連接或鏈接(Daisy Chain)方式整合且可分散式布建。再透過Ethernet乙太網路埠連接至管理層(Information Level)或主控室(Center Control)。系統架構參考如圖2所示。

過渡型變電站 串列連接結合上層備援環網

在串列連接通訊模式下，備援(Redundant)功能是無法實現的，在Daisy Chain架構下，線路中斷常導致所連接設備資料大量流失。現今串列設備多能整合備援環網功能，且可與網路交換器進行整合，藉以分散系統風險，對於傳統變電站的升級相當有幫助。系統架構參考如圖3所示。

傳統上，星狀拓樸(Star Topology)是最常使用的方式，但其並無法達到備援功能，隨著RSTP/STP (Rapid Spanning Tree Protocol)或者是更高速的網路備援協議誕生，環狀拓樸(Ring Topology)漸成主流。此外導入IEC-61850協議，讓變電站通訊協議標準化如硬體規格、Redundant Ring、GOOSE Message等。不同廠商的設備可以相互傳遞資料並進行整合，有利變電站自動化的發展。如下圖4所示：

在變電站網路系統裡，IED數量(Quantity)是一個相當大的考量因素。依變電站規模不同，超高壓(Super High Voltage) 至中低壓(Middle/Low Voltage)需求不同。市面上IED大廠如ABB、SIEMENS、AREVA等，多已開發出不同傳輸介面以及功能。配合網路交換器來建立變電站系統連結，其網路設計因IED連接埠與通訊協議的不同，概要如下：

單網口IED

IED通訊端口為單1個Copper或Fiber Optic。在網路規劃裡，單網口IED必需直接連接到網路交換器上，而達到通訊目的，因此使用的網路交換器端口數較多，整體系統內網路交換器用量也較大，其優點為網路設備可開啟線路備援以及頻寬管理軟體功能，讓網路設備與終端設備可以清楚區分，網路規劃較為彈性與合理。單一IED的故障較不會影響其他設備運作。其缺點為布建成本較高，在線材與網路交換機用量較大，但系統較為可靠。依系統架構可以分成。

●星狀架構(Star Topology)

簡單便利，成本低廉，不具備援能力，適小型系統應用。如圖5所示。

●環狀架構(Ring Topology)

具備援能力，適用於分散式系統應用。如圖6所示。

●備援星狀架構(Dual Homing Topology)

透過網路交換器進行備援，適分散式系統應用，惟需使用較多線路。如圖7所示。

●串接多迴路架構 (Redundant Daisy-Chain Topology)

透過網路交換器可進行分散式連接並集中至中心端管理。適大型系統應用。如圖8所示。

雙網口IED

IED通訊端口為2個RJ45 Copper或Fiber Optic。一般來說分為以下幾種不同架構。其使用方式與規劃方式均不相同，常造成系統商或使用者混淆與錯誤安裝，需小心謹慎規劃之。

●內建雙網路埠通信(Dual-LAN Port)

雙網口為2張網路卡，支援2個不同IP位置，2路同時輸出。在系統規劃來說常以雙樹狀架構或雙環狀架構為之，其具備較完整備援功能，當線路損壞或是網路交換器故障時，系統依然能正常運行，其設計類同於DCS(Distributed Control System)一般，著重整體系統備援能力。如圖9所示。

●嵌入式網路交換器(Embedded Dumb Switch)

雙網口為2埠無網管功能網路交換器，其僅對應一個IP位置，在使用上為串連應用(Cascade)，用以節省網路交換器用量。在應用上，系統商常利用網路交換器備援功能，如STP(Spanning Tree Protocol)，來達到備援效果。雖達到節省成本目的，但若有線路中斷或交換器故障時，系統延遲時間會較長甚至要數分鐘才能回復運作，較不利於即時監控或資料存儲。若於較嚴苛的系統應用，此方式較不建議採用。如圖10所示。

●嵌入式備援功能模組

Embedded Redundant Functional Module，此型模組具備2個Copper或Fiber埠，且其內建傳統備援功能，如STP(Spanning Tree Protocol)或是RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol)，其使用方式較為彈性且客戶可以依據實際現場需求來布建。使用上需配合網路交換器來進行網路規劃。缺點為系統架構受限於備援軟體功能，而有數量上或層數上限制。(依IEEE建議需小於7層連接)。當線路中斷時，網路延遲時間會隨著系統擴大而增加。如圖11所示。

以上所提及的網路架構，設備商或系統整合商尚須依客戶需求及實際應用加以調整或是結合，在規劃上宜思考備援能力，維修便利以及設置容易等要素，方能使變電站網路系統規劃趨於完善。

饋線自動化

饋線自動化是電網系統的最後一哩(Last Mile)，從區域變電站到各個城鄉或是住家大樓。其分怖範圍廣，使用數量大，使用者類別亦較多樣。其在智慧型電網中扮演相當重要的角色。當電力監控均可達最終端，整個電網體系便更加完整，在饋線自動化傳輸方式中，有線網路(Wire)與無線網路(Wireless)均為現今所廣為採用的模式，有線網路包含傳統E1、PSTN、ADSL、Ethernet等。在無線網路則為Radio(UHF/VHF)、GSM、GPRS、WiMax、Wi-Fi、Satellite等。以下針對Optic Fiber Ethernet以及GSM/GPRS加以論述。

●Optic Fiber Ethernet

透過光纖線路將RTU、FRTU與中控端進行連接。在終端饋線系統裡，長距離連接是相當大的課題。透過布建光纖網路，可以將RTU與控制端做無縫連接，且其擁有穩定且高速的網路連線品質。有著這些種種的好處但是其成本相對來說相當高，故並不適用於所有地區，在通訊設備使用必需支援2埠(含)以上的單模光纖網口來進行連接，通訊設備選用方面，宜注重其管理功能及其備援功能是否符合需求，如SNMP、VLAN、Redundant Ring Function即為常使用到的功能。

在網路架構規劃上常用混合式網路拓樸(Hybrid Topology)方式，以補布線不易情況，在局部區域裡，環狀拓樸可以連接許多RTU後連接至控制中心，使布線成本降低，與中心端連接可以使用直接連接或是備援連接。一般來說盡可能採備援連接，或於局部建立環網架構再連接至中心端，以避免線路中斷影響通訊。如圖12所示。

●GSM/GPRS Distributed Network

透過GSM或GPRS傳輸將分散式資料送回中心端。布建GSM通信網路相對容易，尤其在現今手持式裝置普遍及綿密的基地台(Access Point)布建，在偏遠地區亦可輕易接收到訊號，唯一美中不足的是其可攜載的頻寬較低，無法傳送大量資料，且必需負擔電信通信費用。在饋線自動化應用中其傳送資料量偏低，但傳送距離遠、範圍廣，正是GSM/GPRS可以發揮的地方。

近來HSDPA/UMTS的發展，讓通信技術可以真正適合應用於工業應用。對於GSM/GPRS網路規劃則較為簡易，當通訊品質足敷使用的地區均可布建，其將使電網監控至最後一哩成為可能。在網路規劃部分，其應用相當彈性，所受限制並不多，系統商可依現場使用情況加以規劃，在網路拓樸部分，並無一定架構限制，惟需考慮電信基地台涵蓋範圍及是否有干擾源存在即可。

結語

網路布建有著許多技巧與經驗累積，在各個工業應用裡均有所不同，在智慧型電網應用中經驗值更不可或缺，在施行對策方針前，必需對現正運行中的系統有所掌控，對供應端以及使用端供應鏈有所記錄並適時調整，方可達到最具效益的能源利用。

隨著地球升溫，暖化問題加劇，整體電網系統更新與進化是刻不容緩的工作。在網路監控，尤其加上遠端運算科技加持，減少發電負荷，使用者合理適切地用電，將可為人類永續經營及美好未來貢獻一番心力。(本文作者為四零四科技股份有限公司亞太業務部產品經理)