圍繞智能變電站自動化設計方案，分析智能變電站網(wǎng)絡結構及以太網(wǎng)交換機的先進技術，結合工程實際提出采 用數(shù)字化系統(tǒng)網(wǎng)絡的措施和方案及以太網(wǎng)交換機配置優(yōu)化方案。

近年來基于IEC61850標準的智能變電站建設越來越多，多數(shù)220kV的智能變電站配置站控層、間隔層和過程層3層結構。隨著對IEC61850標準研究和應用的深入以及國內(nèi)各廠商基于IEC61850標準產(chǎn)品的豐富，特別是智能一次設備中更多的整合二次設備的功能，利用先進的以太網(wǎng)交換機信息傳播技術，使間隔層與過程層合并在技術上成為可能。

本文描述的智能變電站含2個電壓等級220/66kV，2臺主變壓器，4回220kV出線，10回66kV出線，220kV配電裝置采用雙母線接線，66kV采用單母線分段接線。通過經(jīng)濟技術比較，提出了220kV智能變電站兩層設備一層網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結構體系，并對組網(wǎng)交換機進行優(yōu)化配置。

智能變電站設備的整合優(yōu)化

1)智能化的一次設備。一次設備被檢測的信號回路和被控制的操作驅動回路采用微處理器和光電技術設計，變電站二次回路中常規(guī)的繼電器及其邏輯回路被可編程序控制器代替，常規(guī)的強電模擬信號和控制電纜被光電數(shù)字和光纖代替。

220kV智能變電站220kV配電裝置集成智能接口裝置，包括合并單元和智能終端，智能接口裝置對外接口均為光纖以太網(wǎng)口，實現(xiàn)了一次設備對二次的智能接入。

2)網(wǎng)絡化的二次設備。變電站內(nèi)常規(guī)的二次設備，如繼電保護裝置、測量控制裝置、防誤閉鎖裝置、遠動裝置、故障錄波裝置、同期操作裝置以及在線狀態(tài)檢測裝置等全部基于標準化、模塊化的微處理機設計制造，設備之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡通信，二次設備不再出現(xiàn)功能裝置重復的I/O現(xiàn)場接口，通過網(wǎng)絡真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源共享，常規(guī)的功能裝置變成了邏輯的功能模塊。

3)數(shù)字化的計量設備。有數(shù)字接口的計量裝置不再需要模擬量采集回路。模擬量是通過網(wǎng)絡獲取電流、電壓的瞬時采樣值，通過采取適當?shù)乃惴ㄟM行電能的計算。因此全數(shù)字化的計量裝置可以集成到保護測控裝置中，即可實現(xiàn)保護、測量、控制和計量一體化。

網(wǎng)絡優(yōu)化與整合

智能化一次設備和網(wǎng)絡化二次設備的使用，使通常三層兩網(wǎng)的智能變電站網(wǎng)絡結構得以優(yōu)化整合。

相對于以往的智能變電站，本站采用兩層設備一層網(wǎng)絡，具備以下特點。

1)設備層內(nèi)部的信息交換，如測量保護裝置與合并單元之間采用直接采樣的方式，與智能終端之間直接交互GOOSE信息。以上信息傳輸均不經(jīng)過系統(tǒng)層網(wǎng)絡，在系統(tǒng)層及系統(tǒng)層網(wǎng)絡失效的情況下，仍能獨立完成設備的信息采集、設備運行的控制和保護命令的執(zhí)行等。而且所有雙重化配置保護均采用直采直跳，采樣值信息與GOOSE信息的傳輸通道在物理上完全獨立，不存在共網(wǎng)傳輸?shù)目赡?，當一個通道/設備異?；蛲顺鲞\行時不影響另一通道/設備的運行，完全滿足智能變電站繼電保護技術規(guī)范的要求。

2)設備層之間的信息交換，主要為跨間隔的跳閘及設備層各設備之間的聯(lián)閉鎖。220kV母線保護采用直接采樣直接跳閘的方式，信息傳輸不需要經(jīng)過網(wǎng)絡，母線保護所需開入量(失靈啟動、刀開關位置觸點、母聯(lián)斷路器過電流保護啟動失靈和主變壓器保護動作解除電壓閉鎖等)采用GOOSE網(wǎng)絡傳輸;66kV母線保護采用直接采樣直接跳閘的方式。主變壓器保護直接采樣、直接跳閘各側斷路器;主變壓器保護跳母聯(lián)、分段斷路器采用GOOSE網(wǎng)絡傳輸。設備之間的聯(lián)閉鎖通過GOOSE網(wǎng)絡實現(xiàn)，此類信息占用網(wǎng)絡流量較少，且僅在正常操作引起設備變位時有信息交換。以上所有GOOSE信息均可以通過IEEE802.1p優(yōu)先級排隊協(xié)議設置較高的優(yōu)先級等級，保證信息傳輸?shù)膶崟r性;同時可以通過GMRP組播技術保證數(shù)據(jù)的定向分流，如主變壓器保護跳母聯(lián)斷路器的GOOSE報文僅發(fā)至母聯(lián)間隔而不發(fā)到其他間隔，如圖1所示。

3)設備層與系統(tǒng)層之間的信息交換，本站計算機監(jiān)控系統(tǒng)主機(含保護信息管理子站、一次在線監(jiān)測主機等功能)、遠動主機、二次設備在線監(jiān)測及故障錄波系統(tǒng)主機直接接入系統(tǒng)層網(wǎng)絡。其中二次設備在線監(jiān)測及故障錄波系統(tǒng)需采集采樣值信息及各種GOOSE信息，網(wǎng)絡流量較大。本站采用多端口鏡像技術，二次設備在線監(jiān)測及故障錄波系統(tǒng)直接與各交換機通過光纖以太網(wǎng)相連，避免了大流量數(shù)據(jù)在系統(tǒng)層內(nèi)部傳輸。其余各保護測控計量一體化裝置上傳信息、在線監(jiān)測主IED、一體化電源系統(tǒng)等上傳信息均為MMS信息，數(shù)據(jù)量小，且可通過GMRP技術實現(xiàn)信息的定向傳輸;本站由站域控制實現(xiàn)低周減載功能，通過GOOSE網(wǎng)絡切除66kV負荷線路，此類信息通過交換機設置IEEE802.1p優(yōu)先級排隊協(xié)議，保證跳閘信息的實時性傳輸。

4)系統(tǒng)層內(nèi)部的信息交換。此類信息主要為MMS信息及GOOSE信息，網(wǎng)絡流量較少且對實時性要求不高。

5)全站的網(wǎng)絡交換機均支持IEC61588協(xié)議，邊界時鐘的同步性能也不會受到網(wǎng)絡負載影響。

基于以上分析，220kV智能變電站將過程層設備和間隔層設備整合為設備層設備，設備層設備與系統(tǒng)層設備之間為系統(tǒng)層網(wǎng)絡;形成兩層一網(wǎng)的網(wǎng)絡結構。系統(tǒng)層MMS網(wǎng)絡、采樣值網(wǎng)絡和GOOSE網(wǎng)絡與61588對時網(wǎng)絡共網(wǎng)傳輸。兩層設備及邏輯接口的邏輯關系如圖2所示。

智能變電站網(wǎng)絡的流量分析

為避免交換機流入流量超負荷，使網(wǎng)絡產(chǎn)生阻塞，依據(jù)全站交換機的配置原則，本節(jié)對智能變電站網(wǎng)絡進行流量分析，分別針對星形網(wǎng)絡和環(huán)形網(wǎng)絡進行流量理論計算，得到如下結論。

(1)SMV數(shù)據(jù)流量

IEC61850-9-2工程中實際最大報文長度單間隔SMV理論計算流量，按照每幀1點(12個模擬量通道)計算，一個合并單元的數(shù)據(jù)流量為5.088Mbit/s。

(2)GOOSE數(shù)據(jù)流量

GOOSE工程中實際最大報文長度為6016bit，按照GOOSE的發(fā)送機制，一個智能設備變位時的最大數(shù)據(jù)流量為0.03Mbit/s。

(3)MMS數(shù)據(jù)流量

發(fā)生故障時是MMS數(shù)據(jù)流量最大的情況，包含遙測及遙信量，經(jīng)過理論計算值為0.012Mbit/s。

(4)網(wǎng)絡記錄分析儀及故障錄波系統(tǒng)

網(wǎng)絡記錄分析儀及故障錄波系統(tǒng)自網(wǎng)絡流出流量為SMV、GOOSE信息，數(shù)據(jù)流量較大，但對于網(wǎng)絡流量分析需要的流入流量僅為MMS信息，理論計算值為0.012Mbit/s。

(5)公用設備數(shù)據(jù)流量

母線保護、公用測控裝置和一體化電源系統(tǒng)等流入交換機的數(shù)據(jù)主要包含GOOSE、MMS信息，上述設備的數(shù)據(jù)流量分別按照GOOSE、MMS的理論計算值核算。

(6)流量計算

最惡劣情況下(如220kV母線保護動作切除220kV所有斷路器)，全站數(shù)據(jù)流量統(tǒng)計如表1、表2所示。

雙星形情況下A、B網(wǎng)冗余配置，B網(wǎng)主干交換機數(shù)據(jù)流量相當于A網(wǎng)主干交換機數(shù)據(jù)流量。

環(huán)形網(wǎng)絡最大流量考慮當某一通道發(fā)生故障時，某一交換機發(fā)送信息到最遠交換機的數(shù)據(jù)流量。

智能變電站網(wǎng)絡的性能分析

本節(jié)結合上節(jié)得出的流量結果，分別針對星形網(wǎng)絡和環(huán)形網(wǎng)絡作出了性能分析。

本站使用兩層一網(wǎng)的拓撲結構，使網(wǎng)絡具備眾多優(yōu)點：網(wǎng)絡簡單，易于布線;擴展容易，不會引起網(wǎng)絡中斷;便于維護，任何一個間隔故障，僅需對交換機相關部分進行隔離，無需更換交換機;交換機數(shù)量少，投資少;任何網(wǎng)絡通道故障，可以實現(xiàn)快速自愈，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

網(wǎng)絡性能、功能主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)響應能力分析

測量數(shù)據(jù)、保護信號和控制命令等都要求實時傳送。特別是出現(xiàn)故障時要求信息能在站內(nèi)通信網(wǎng)絡上快速傳送，保證嚴格的時限要求。

實時性要求有以下3個方面：①傳輸速度快。指單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒍?。②響應時間短。指事件發(fā)生時，傳輸?shù)骄W(wǎng)絡上及執(zhí)行器接收到該信息馬上執(zhí)行所需的時間。響應時間由執(zhí)行器控制中斷的能力、信息在通信協(xié)議的應用層與物理層之間的傳輸時間、等待網(wǎng)絡空閑的時間和避免信息在網(wǎng)絡上碰撞的時間4個方面的因素決定，這個時間對大多數(shù)通信協(xié)議是一個隨機數(shù)。③巡回時間短。指系統(tǒng)與所有通信對象都至少完成一次通信所需要的時間。

由于本站設備較少，星形和環(huán)形網(wǎng)絡均能滿足相應能力的要求。

(2)網(wǎng)絡延時分析

網(wǎng)絡延時定義為一幀報文從發(fā)送者到接收者的網(wǎng)絡傳輸花費的全部時間。網(wǎng)絡延時由以下4部分組成：①幀發(fā)送延時(Transmit Lantency，T0)。②交換延時(Save&Forward，T1)。③線路傳輸延時(Wire Latency，T2)。④幀排隊延時(Queue Latency，T3)。

以上4種延時中，前3種延時由網(wǎng)絡本身的硬件和軟件決定，只有排隊延時具有不確定性。要分析以太網(wǎng)延時，就必須分析出影響排隊延時的因素，通過減小排隊延時將有利于提高整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的實時性能。影響以太網(wǎng)通信延時的主要因素是節(jié)點數(shù)目和通信速率，也就是說網(wǎng)絡負荷是造成通信延時的主要原因。

在電力系統(tǒng)中，站點之間傳輸?shù)闹饕嵌绦畔?。當?jié)點數(shù)目較少時，通信延時很小，隨著節(jié)點數(shù)目的增加，延時也隨之增大;同時，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡負荷的減輕和網(wǎng)絡延時的減小，從而改善以太網(wǎng)的實時性能。

根據(jù)上節(jié)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)流量，計算出兩種結構的網(wǎng)絡延時情況如表3所示。

計算表明，雙星形網(wǎng)絡在網(wǎng)絡延時方面較環(huán)形網(wǎng)絡有一定優(yōu)勢，但兩者都能滿足智能變電站系統(tǒng)層網(wǎng)絡的要求。

(3)可靠性分析

網(wǎng)絡可靠性表示網(wǎng)絡連續(xù)無故障工作的能力，其判斷依據(jù)是網(wǎng)絡的任意兩節(jié)點之間至少存在一條可通信的鏈路。經(jīng)分析可得，環(huán)形網(wǎng)絡和雙星形網(wǎng)絡均能滿足變電站可靠性要求。

經(jīng)濟技術比較

3種方案的經(jīng)濟技術比較如表4所示。

經(jīng)比較可以看出，3種方案均能滿足智能變電站的需求，而兩層一網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)絡的經(jīng)濟性大大超出其他兩種方案，因此智能變電站推薦選擇兩層一網(wǎng)環(huán)網(wǎng)的組網(wǎng)方式。

智能交換機配置方案

220kV智能變電站以太網(wǎng)交換機要求具備以下功能：可靠性符合IEC61850-3標準;支持多環(huán)組網(wǎng)方案;Zero-Packet-Loss零丟包技術;滿足C3級(-40～120℃)寬溫度范圍;滿足IEC61000-6-5標準的抗電磁干擾能力;支持802.1QVLAN;支持802.1p優(yōu)先級排隊協(xié)議;支持GMRP組播技術;支持IEEE61588對時方式;每臺交換機按16端口配置。

系統(tǒng)層網(wǎng)絡采用環(huán)形配置方式，共2臺公用交換機，其余交換機按電壓等級配置。220kV每

2個間隔配置1臺以太網(wǎng)交換機，共配置3臺;66kV每段母線配置1臺以太網(wǎng)交換機，共配置2臺;每臺主變壓器配置1臺以太網(wǎng)交換機，共配置2臺。全站共配置9臺以太網(wǎng)交換機。

繼電器室內(nèi)網(wǎng)絡通信介質采用以太網(wǎng)線;通向戶外的通信介質采用光纜;采樣值和保護GOOSE等可靠性要求較高的信息傳輸采用光纖。

結束語

220kV智能變電站整站建立在IEC61850通信技術規(guī)范基礎上，按分層分布式來實現(xiàn)智能變電站內(nèi)智能電氣設備間的信息共享和互操作性。本站按兩層設備一層網(wǎng)絡構建，兩層為系統(tǒng)層和設備層，一層網(wǎng)絡為系統(tǒng)層網(wǎng)絡。

系統(tǒng)層網(wǎng)絡通過千兆光纖以太網(wǎng)直接相連，采用環(huán)形配置方式，MMS網(wǎng)絡、采樣值網(wǎng)絡、GOOSE網(wǎng)絡與IEEE61588對時網(wǎng)絡網(wǎng)絡共同組網(wǎng)，滿足網(wǎng)絡通信可靠性、實時性的要求。

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