圍繞智能變電站自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案，分析智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及以太網(wǎng)交換機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合工程實(shí)際提出采 用數(shù)字化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的措施和方案及以太網(wǎng)交換機(jī)配置優(yōu)化方案。

近年來基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站建設(shè)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(jié)構(gòu)。隨著對(duì)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)研究和應(yīng)用的深入以及國內(nèi)各廠商基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的豐富，特別是智能一次設(shè)備中更多的整合二次設(shè)備的功能，利用先進(jìn)的以太網(wǎng)交換機(jī)信息傳播技術(shù)，使間隔層與過程層合并在技術(shù)上成為可能。

本文描述的智能變電站含2個(gè)電壓等級(jí)220/66kV，2臺(tái)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(jì)技術(shù)比較，提出了220kV智能變電站兩層設(shè)備一層網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，并對(duì)組網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行優(yōu)化配置。

智能變電站設(shè)備的整合優(yōu)化

1)智能化的一次設(shè)備。一次設(shè)備被檢測的信號(hào)回路和被控制的操作驅(qū)動(dòng)回路采用微處理器和光電技術(shù)設(shè)計(jì)，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(qiáng)電模擬信號(hào)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(duì)外接口均為光纖以太網(wǎng)口，實(shí)現(xiàn)了一次設(shè)備對(duì)二次的智能接入。

2)網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備。變電站內(nèi)常規(guī)的二次設(shè)備，如繼電保護(hù)裝置、測量控制裝置、防誤閉鎖裝置、遠(yuǎn)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的微處理機(jī)設(shè)計(jì)制造，設(shè)備之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡(luò)通信，二次設(shè)備不再出現(xiàn)功能裝置重復(fù)的I/O現(xiàn)場接口，通過網(wǎng)絡(luò)真正實(shí)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(jì)量設(shè)備。有數(shù)字接口的計(jì)量裝置不再需要模擬量采集回路。模擬量是通過網(wǎng)絡(luò)獲取電流、電壓的瞬時(shí)采樣值，通過采取適當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)行電能的計(jì)算。因此全數(shù)字化的計(jì)量裝置可以集成到保護(hù)測控裝置中，即可實(shí)現(xiàn)保護(hù)、測量、控制和計(jì)量一體化。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與整合

智能化一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備的使用，使通常三層兩網(wǎng)的智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得以優(yōu)化整合。

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

1)設(shè)備層內(nèi)部的信息交換，如測量保護(hù)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(luò)，在系統(tǒng)層及系統(tǒng)層網(wǎng)絡(luò)失效的情況下，仍能獨(dú)立完成設(shè)備的信息采集、設(shè)備運(yùn)行的控制和保護(hù)命令的執(zhí)行等。而且所有雙重化配置保護(hù)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(dú)立，不存在共網(wǎng)傳輸?shù)目赡?，?dāng)一個(gè)通道/設(shè)備異常或退出運(yùn)行時(shí)不影響另一通道/設(shè)備的運(yùn)行，完全滿足智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范的要求。

2)設(shè)備層之間的信息交換，主要為跨間隔的跳閘及設(shè)備層各設(shè)備之間的聯(lián)閉鎖。220kV母線保護(hù)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(luò)，母線保護(hù)所需開入量(失靈啟動(dòng)、刀開關(guān)位置觸點(diǎn)、母聯(lián)斷路器過電流保護(hù)啟動(dòng)失靈和主變壓器保護(hù)動(dòng)作解除電壓閉鎖等)采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸;66kV母線保護(hù)采用直接采樣直接跳閘的方式。主變壓器保護(hù)直接采樣、直接跳閘各側(cè)斷路器;主變壓器保護(hù)跳母聯(lián)、分段斷路器采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸。設(shè)備之間的聯(lián)閉鎖通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，此類信息占用網(wǎng)絡(luò)流量較少，且僅在正常操作引起設(shè)備變位時(shí)有信息交換。以上所有GOOSE信息均可以通過IEEE802.1p優(yōu)先級(jí)排隊(duì)協(xié)議設(shè)置較高的優(yōu)先級(jí)等級(jí)，保證信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性;同時(shí)可以通過GMRP組播技術(shù)保證數(shù)據(jù)的定向分流，如主變壓器保護(hù)跳母聯(lián)斷路器的GOOSE報(bào)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(shè)備層與系統(tǒng)層之間的信息交換，本站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)(含保護(hù)信息管理子站、一次在線監(jiān)測主機(jī)等功能)、遠(yuǎn)動(dòng)主機(jī)、二次設(shè)備在線監(jiān)測及故障錄波系統(tǒng)主機(jī)直接接入系統(tǒng)層網(wǎng)絡(luò)。其中二次設(shè)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(luò)流量較大。本站采用多端口鏡像技術(shù)，二次設(shè)備在線監(jiān)測及故障錄波系統(tǒng)直接與各交換機(jī)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(hù)測控計(jì)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(shù)實(shí)現(xiàn)信息的定向傳輸;本站由站域控制實(shí)現(xiàn)低周減載功能，通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)切除66kV負(fù)荷線路，此類信息通過交換機(jī)設(shè)置IEEE802.1p優(yōu)先級(jí)排隊(duì)協(xié)議，保證跳閘信息的實(shí)時(shí)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(luò)流量較少且對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高。

5)全站的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)均支持IEC61588協(xié)議，邊界時(shí)鐘的同步性能也不會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載影響。

基于以上分析，220kV智能變電站將過程層設(shè)備和間隔層設(shè)備整合為設(shè)備層設(shè)備，設(shè)備層設(shè)備與系統(tǒng)層設(shè)備之間為系統(tǒng)層網(wǎng)絡(luò);形成兩層一網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)層MMS網(wǎng)絡(luò)、采樣值網(wǎng)絡(luò)和GOOSE網(wǎng)絡(luò)與61588對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)共網(wǎng)傳輸。兩層設(shè)備及邏輯接口的邏輯關(guān)系如圖2所示。

智能變電站網(wǎng)絡(luò)的流量分析

為避免交換機(jī)流入流量超負(fù)荷，使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生阻塞，依據(jù)全站交換機(jī)的配置原則，本節(jié)對(duì)智能變電站網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行流量分析，分別針對(duì)星形網(wǎng)絡(luò)和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行流量理論計(jì)算，得到如下結(jié)論。

(1)SMV數(shù)據(jù)流量

IEC61850-9-2工程中實(shí)際最大報(bào)文長度單間隔SMV理論計(jì)算流量，按照每幀1點(diǎn)(12個(gè)模擬量通道)計(jì)算，一個(gè)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(shí)際最大報(bào)文長度為6016bit，按照GOOSE的發(fā)送機(jī)制，一個(gè)智能設(shè)備變位時(shí)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(shí)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(jì)算值為0.012Mbit/s。

(4)網(wǎng)絡(luò)記錄分析儀及故障錄波系統(tǒng)

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

(5)公用設(shè)備數(shù)據(jù)流量

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

(6)流量計(jì)算

最惡劣情況下(如220kV母線保護(hù)動(dòng)作切除220kV所有斷路器)，全站數(shù)據(jù)流量統(tǒng)計(jì)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(jī)數(shù)據(jù)流量相當(dāng)于A網(wǎng)主干交換機(jī)數(shù)據(jù)流量。

環(huán)形網(wǎng)絡(luò)最大流量考慮當(dāng)某一通道發(fā)生故障時(shí)，某一交換機(jī)發(fā)送信息到最遠(yuǎn)交換機(jī)的數(shù)據(jù)流量。

智能變電站網(wǎng)絡(luò)的性能分析

本節(jié)結(jié)合上節(jié)得出的流量結(jié)果，分別針對(duì)星形網(wǎng)絡(luò)和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)作出了性能分析。

本站使用兩層一網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)具備眾多優(yōu)點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)簡單，易于布線;擴(kuò)展容易，不會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)中斷;便于維護(hù)，任何一個(gè)間隔故障，僅需對(duì)交換機(jī)相關(guān)部分進(jìn)行隔離，無需更換交換機(jī);交換機(jī)數(shù)量少，投資少;任何網(wǎng)絡(luò)通道故障，可以實(shí)現(xiàn)快速自愈，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

網(wǎng)絡(luò)性能、功能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)響應(yīng)能力分析

測量數(shù)據(jù)、保護(hù)信號(hào)和控制命令等都要求實(shí)時(shí)傳送。特別是出現(xiàn)故障時(shí)要求信息能在站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)上快速傳送，保證嚴(yán)格的時(shí)限要求。

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

由于本站設(shè)備較少，星形和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)均能滿足相應(yīng)能力的要求。

(2)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)分析

網(wǎng)絡(luò)延時(shí)定義為一幀報(bào)文從發(fā)送者到接收者的網(wǎng)絡(luò)傳輸花費(fèi)的全部時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)延時(shí)由以下4部分組成：①幀發(fā)送延時(shí)(Transmit Lantency，T0)。②交換延時(shí)(Save&Forward，T1)。③線路傳輸延時(shí)(Wire Latency，T2)。④幀排隊(duì)延時(shí)(Queue Latency，T3)。

以上4種延時(shí)中，前3種延時(shí)由網(wǎng)絡(luò)本身的硬件和軟件決定，只有排隊(duì)延時(shí)具有不確定性。要分析以太網(wǎng)延時(shí)，就必須分析出影響排隊(duì)延時(shí)的因素，通過減小排隊(duì)延時(shí)將有利于提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。影響以太網(wǎng)通信延時(shí)的主要因素是節(jié)點(diǎn)數(shù)目和通信速率，也就是說網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷是造成通信延時(shí)的主要原因。

在電力系統(tǒng)中，站點(diǎn)之間傳輸?shù)闹饕嵌绦畔?。?dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少時(shí)，通信延時(shí)很小，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，延時(shí)也隨之增大;同時(shí)，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(luò)負(fù)荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的減小，從而改善以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性能。

根據(jù)上節(jié)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)流量，計(jì)算出兩種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)情況如表3所示。

計(jì)算表明，雙星形網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)延時(shí)方面較環(huán)形網(wǎng)絡(luò)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(luò)的要求。

(3)可靠性分析

網(wǎng)絡(luò)可靠性表示網(wǎng)絡(luò)連續(xù)無故障工作的能力，其判斷依據(jù)是網(wǎng)絡(luò)的任意兩節(jié)點(diǎn)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(luò)和雙星形網(wǎng)絡(luò)均能滿足變電站可靠性要求。

經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較

3種方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)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(luò)的經(jīng)濟(jì)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(jī)配置方案

220kV智能變電站以太網(wǎng)交換機(jī)要求具備以下功能：可靠性符合IEC61850-3標(biāo)準(zhǔn);支持多環(huán)組網(wǎng)方案;Zero-Packet-Loss零丟包技術(shù);滿足C3級(jí)(-40～120℃)寬溫度范圍;滿足IEC61000-6-5標(biāo)準(zhǔn)的抗電磁干擾能力;支持802.1QVLAN;支持802.1p優(yōu)先級(jí)排隊(duì)協(xié)議;支持GMRP組播技術(shù);支持IEEE61588對(duì)時(shí)方式;每臺(tái)交換機(jī)按16端口配置。

系統(tǒng)層網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形配置方式，共2臺(tái)公用交換機(jī)，其余交換機(jī)按電壓等級(jí)配置。220kV每

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

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

結(jié)束語

220kV智能變電站整站建立在IEC61850通信技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上，按分層分布式來實(shí)現(xiàn)智能變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間的信息共享和互操作性。本站按兩層設(shè)備一層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，兩層為系統(tǒng)層和設(shè)備層，一層網(wǎng)絡(luò)為系統(tǒng)層網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)層網(wǎng)絡(luò)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(luò)、采樣值網(wǎng)絡(luò)、GOOSE網(wǎng)絡(luò)與IEEE61588對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)共同組網(wǎng)，滿足網(wǎng)絡(luò)通信可靠性、實(shí)時(shí)性的要求。

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