220kV智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)方案研究

摘要：智能變電站是智能電網(wǎng)的重要組成部分，一體化監(jiān)控系統(tǒng)是智能變電站自動化系統(tǒng)各種功能優(yōu)化及輔助應(yīng)用的高度集成。本文從智能電網(wǎng)的發(fā)展角度出發(fā)，依托某實際建設(shè)的220kV智能變電站，通過分析一體化監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)、功能，對一體化監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方案進(jìn)行了重點研究。

0 引言

智能變電站是智能電網(wǎng)建設(shè)中實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換和控制的核心平臺之一，是智能電網(wǎng)的重要組成部分。它既是銜接智能電網(wǎng)發(fā)電、輸電、配電、用電和調(diào)度六大環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，同時也是實現(xiàn)風(fēng)能、太陽能等新能源接入電網(wǎng)的重要支撐。

根據(jù)智能變電站試點建設(shè)工程的經(jīng)驗總結(jié)，變電站自動化系統(tǒng)目前存在子系統(tǒng)繁多且獨立建設(shè)、集成度不高等問題，本文依據(jù)國家電網(wǎng)公司組織編寫的《智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)功能規(guī)范》和《智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)規(guī)范》要求，分析了一體化監(jiān)控系統(tǒng)體系架構(gòu)和功能，對一體化監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)方案進(jìn)行了重點研究。

1 概述

1.1 智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)

智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)以智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備和統(tǒng)一的信息平臺為基礎(chǔ)，通過采用先進(jìn)的傳感器、電子、信息、通信、控制、人工智能等技術(shù)，實現(xiàn)變電站設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、程序化自動運行控制、設(shè)備狀態(tài)檢修、運行狀態(tài)自適應(yīng)、智能分析決策、網(wǎng)絡(luò)故障后的自動重構(gòu)以及與調(diào)度中心信息的靈活交互等功能，實現(xiàn)一、二次設(shè)備的智能化、運行管理的自動化。

1.2 智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)以基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一的信息平臺為基礎(chǔ)。依據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，智能變電站自動化系統(tǒng)的通信體系按“三層設(shè)備、兩層網(wǎng)絡(luò)”的模式設(shè)計，通過高速網(wǎng)絡(luò)完成變電站的信息集成。

全站的智能設(shè)備在功能邏輯上分為站控層設(shè)備(或稱變電站層)、間隔層設(shè)備和過程層設(shè)備;三層設(shè)備之間用分層、分布、開放式的二層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)連接，即站控層網(wǎng)絡(luò)、過程層網(wǎng)絡(luò);三層設(shè)備、兩層網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系如圖1.2.1所示。

圖1.2.1 IEC 61850通信體系結(jié)構(gòu)示意圖

2 智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)直接采集站內(nèi)電網(wǎng)運行信息和二次設(shè)備運行狀態(tài)信息，通過標(biāo)準(zhǔn)化接口與輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、輔助應(yīng)用、計量等進(jìn)行信息交互，實現(xiàn)變電站全景數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)視、控制、運行管理等。

智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)可分為安全I(xiàn)區(qū)和安全I(xiàn)I區(qū)。

在安全I(xiàn)區(qū)中，監(jiān)控主機(jī)采集電網(wǎng)運行和設(shè)備工況等實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析和處理后進(jìn)行統(tǒng)一展示，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)服務(wù)器。I區(qū)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)通過直采直送的方式實現(xiàn)與調(diào)度(調(diào)控)中心的實時數(shù)據(jù)傳輸，并提供運行數(shù)據(jù)瀏覽服務(wù)。

在安全I(xiàn)I區(qū)中，綜合應(yīng)用服務(wù)器與輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和輔助設(shè)備進(jìn)行通信，采集電源、計量、消防、安防、環(huán)境監(jiān)測等信息，經(jīng)過分析和處理后進(jìn)行可視化展示，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)服務(wù)器。II區(qū)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)通過防火墻從數(shù)據(jù)服務(wù)器獲取II區(qū)數(shù)據(jù)和模型等信息，與調(diào)度(調(diào)控)中心進(jìn)行信息交互，提供信息查詢和遠(yuǎn)程瀏覽服務(wù)。

3 智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)組成

智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)由站控層、間隔層、過程層設(shè)備，以及網(wǎng)絡(luò)和安全防護(hù)設(shè)備組成，各層設(shè)備主要包括：

1)站控層設(shè)備包括監(jiān)控主機(jī)兼操作員站和工程師站、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、綜合應(yīng)用服務(wù)器等。

2)間隔層設(shè)備包括繼電保護(hù)裝置、測控裝置、故障錄波及網(wǎng)絡(luò)記錄分析裝置、及穩(wěn)控裝置等。

3)過程層設(shè)備包括合并單元、智能終端、智能組件等。

以某220kV智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖3.1所示。

圖3.1

4 智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)方案

4.1 智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)的兩層網(wǎng)絡(luò)

依據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，智能變電站的自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)在功能邏輯上分為兩層：站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò);兩層網(wǎng)絡(luò)物理上相互獨立。目前一般將站控層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建為全站統(tǒng)一的MMS網(wǎng)，過程層網(wǎng)絡(luò)則包括GOOSE網(wǎng)與SV網(wǎng)。

4.1.1 站控層MMS網(wǎng)

MMS(Manufacturing Message Specification)即制造報文規(guī)范是IEC 61850的基礎(chǔ)之一，是ISO/IEC 9506標(biāo)準(zhǔn)所定義的一套用于工業(yè)控制系統(tǒng)的通信協(xié)議，由ISO TC184和IEC共同負(fù)責(zé)管理。MMS提供了通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對等(peer to peer)實時通信的一套服務(wù)集，目的是為了規(guī)范工業(yè)領(lǐng)域具有通信能力的智能傳感器、智能電子設(shè)備(IED：Intelligent Electronic Device)、智能控制設(shè)備的通信行為，使出自不同制造商的設(shè)備之間具有互操作性(Interoperability)，使系統(tǒng)集成變得簡單與方便。

站控層MMS網(wǎng)絡(luò)主要用于實現(xiàn)站控層各設(shè)備之間的橫向通信以及站控層與間隔層設(shè)備之間的縱向通信。站控層遠(yuǎn)動通信裝置則通過遠(yuǎn)動規(guī)約和各級調(diào)度之間進(jìn)行通信。

站控層設(shè)備均以電網(wǎng)口接入MMS網(wǎng);間隔層保護(hù)測控設(shè)備均以電網(wǎng)口接入MMS網(wǎng)。間隔層MMS網(wǎng)以光網(wǎng)口接入站控層MMS網(wǎng)。

站用交直流電源一體化系統(tǒng)、設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)、智能輔助控制系統(tǒng)等均通過雙套配置的綜合應(yīng)用服務(wù)器接入站控層MMS雙網(wǎng)。

4.1.2 過程層GOOSE網(wǎng)與SV網(wǎng)

IEC 61850-7-2中定義了通用變電站事件GSE模型(Generic Substation Event)，它基于分布的概念，提供了一個高效的方法，利用多路廣播/廣播服務(wù)向多個物理設(shè)備同時傳輸同一個通用變電站事件信息。

GSE又分為兩種不同的控制類和報文結(jié)構(gòu)，一種是通用變電站狀態(tài)事件GSSE(Generic Substation State Event)，另一種則是面向通用對象的變電站事件GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)。GOOSE支持由數(shù)據(jù)集組織的公共數(shù)據(jù)交換，主要用于實現(xiàn)在變電站內(nèi)多IED之間的信息傳遞，包括傳輸跳合閘信號命令等，具有高傳輸成功概率。

IEC 61850-7-2中定義同樣定義了SV模型(Sampled Value)，SV指采樣值，是電氣一次設(shè)備的電流、電壓信息的傳輸服務(wù)，SV模型提供了以有組織的和時間受控制的方式報告采樣值;SV的映射方式包括IEC 61850-9-1和IEC 61850-9-2，目前應(yīng)用較多的服務(wù)映射方式為IEC 61850-9-2。

間隔層設(shè)備通過過程層GOOSE網(wǎng)實現(xiàn)本層設(shè)備之間的橫向通信(主要是聯(lián)閉鎖、保護(hù)之間的配合等)、通過GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)與過程層設(shè)備(智能終端、合并單元)進(jìn)行縱向通信;間隔層的保護(hù)設(shè)備與過程層的智能終端、合并單元之間的通信可以是點對點方式、也可以是網(wǎng)絡(luò)方式，間隔層其余設(shè)備(測控、錄波等)則均考慮采用網(wǎng)絡(luò)方式實現(xiàn)與過程層設(shè)備的通信。

間隔層設(shè)備與過程層設(shè)備的通信無論是采用點對點方式還是采用網(wǎng)絡(luò)方式，為適應(yīng)開關(guān)場設(shè)備的電磁環(huán)境及遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊螅鶓?yīng)采用光通信介質(zhì)，以確保信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

4.2 通信網(wǎng)絡(luò)的種類

通信網(wǎng)絡(luò)是變電站自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，它連接站內(nèi)各層設(shè)備，使獨立的各自分散的設(shè)備或裝置形成協(xié)同工作的有機(jī)整體，并與外部系統(tǒng)緊密相聯(lián)。為了保證智能變電站的安全可靠運行，站內(nèi)自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的性能要遠(yuǎn)高于一般通信網(wǎng)絡(luò)。

目前，變電站自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)一般是基于以太網(wǎng)/總線的分層式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)具有通信帶寬高、實時性能好、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活、真正的開放型網(wǎng)絡(luò)、具備異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)能力等特點，可以滿足智能變電站自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的性能要求。

4.2.1 以太網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)絡(luò)在組網(wǎng)結(jié)構(gòu)方面主要有總線形、樹形、環(huán)形、星形等幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

(1)總線形網(wǎng)絡(luò)

總線形網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖4.2.1所示，圖中Sw為交換機(jī)(Switch)，IED為智能電子設(shè)備。

圖4.2.1 總線形網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

總線形網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點：

配置簡單、容易布線;對交換機(jī)要求較低

總線形網(wǎng)絡(luò)的缺點：

網(wǎng)絡(luò)冗余度較差(任意節(jié)點的故障都會影響網(wǎng)絡(luò)通信)，可靠性低;

交換機(jī)之間的通信信息量大，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較重

(2)樹形網(wǎng)絡(luò)

樹形網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖4.2.2所示。

圖4.2.2 樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

樹形網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點：可擴(kuò)充性好。

樹形網(wǎng)絡(luò)的缺點：交換機(jī)利用率不如總線形結(jié)構(gòu)高。

(3)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)

環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖4.2.3所示，圖中虛線為環(huán)網(wǎng)的虛斷點，在其他鏈路中斷的情況下，此邏輯虛端點將自動愈合。環(huán)形網(wǎng)在邏輯上是個環(huán)，但在物理上確是條總線。

圖4.2.3 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點：

冗余度較高，環(huán)中任意一點故障不會引起通信中斷，可采用快速生成樹協(xié)議RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol)自動重新組態(tài)，不影響網(wǎng)絡(luò)運行。

環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的缺點：

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，通信經(jīng)過多級交換機(jī)，延時增加;因故障引起的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)時間較長;每臺交換機(jī)均通過全站所有數(shù)據(jù)，每臺交換機(jī)均需強大的功能;不同廠家的交換機(jī)可能采用不同的生成樹協(xié)議，不便于組網(wǎng);可擴(kuò)展性差，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)建、增加交換機(jī)時，需將網(wǎng)絡(luò)打開重新組環(huán)，如果變電站自動化系統(tǒng)采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，宜按終期規(guī)模配置網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，但將會增加一期工程的投資。

(4)星形網(wǎng)絡(luò)

星形網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖4.2.4所示，各交換機(jī)以一臺公共交換機(jī)(或稱中心交換機(jī))為中心節(jié)點，分層級聯(lián)而成。

圖4.2.4 星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

星形網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點：

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)清晰簡單，傳輸速度快，任意兩點之間通信最多經(jīng)過三級交換機(jī)，延時較少且固定，沒有網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)問題;便于維護(hù)，任一間隔交換機(jī)故障，都可以方便隔離，不影響其他間隔交換機(jī)工作;可擴(kuò)展性好。

星形網(wǎng)絡(luò)的缺點：

冗余度比環(huán)網(wǎng)稍差，任意一點故障都會造成該點通信中斷但不會引起其他點通信中斷;中心交換機(jī)負(fù)擔(dān)較大;網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)數(shù)目較多，成本相對較高。

小結(jié)：

總線形網(wǎng)絡(luò)與樹形網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點不明顯，在經(jīng)濟(jì)性，與實際應(yīng)用的契合程度等方面較差，難以在智能變電站自動化系統(tǒng)中推廣應(yīng)用;環(huán)形網(wǎng)絡(luò)與星形網(wǎng)絡(luò)均有各自的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)點，與實際應(yīng)用的契合程度較高?？稍谥悄茏冸娬咀詣踊到y(tǒng)中予以應(yīng)用。

4.2.2 網(wǎng)絡(luò)可靠性

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)主要是網(wǎng)絡(luò)的任意兩節(jié)點之間至少存在一條可通信的鏈路。通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性是一項非常重要的指標(biāo)，它直接決定了智能變電站自動化系統(tǒng)的可用性。

通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性除了可采用高可靠性的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來保證外、還可通過選擇具有高可靠性的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及采用冗余技術(shù)來保證。

(1)環(huán)網(wǎng)方式實現(xiàn)冗余

由于環(huán)形網(wǎng)在邏輯上是個環(huán)，環(huán)中的邏輯虛斷點在主鏈路中斷的情況下會自動愈合，因此環(huán)網(wǎng)天然就具備一定的冗余度。

采用環(huán)網(wǎng)方式實現(xiàn)冗余的特點是網(wǎng)絡(luò)自愈速度快(<300ms)，缺點是通常情況下不同廠家之間的環(huán)網(wǎng)協(xié)議不通用、兼容性較差，且正常運行時只有主鏈路傳輸數(shù)據(jù)，備用鏈路完全閑置，網(wǎng)絡(luò)帶寬和交換機(jī)端口的利用率不高。

(2)雙以太網(wǎng)方式實現(xiàn)冗余

雙以太網(wǎng)包括雙星形網(wǎng)和雙環(huán)形網(wǎng)(將雙網(wǎng)中的一個網(wǎng)段稱為A網(wǎng)、另一個網(wǎng)段稱為B網(wǎng))，對于每個接入A、B雙網(wǎng)的IED而言，都具有2組完全獨立的通信控制器、收發(fā)器、隔離變壓器、連接件及通信電纜。IED可以通過回環(huán)測試、定時讀取收發(fā)器連接狀態(tài)、發(fā)送報文后通信控制器是否返回失敗標(biāo)志、采樣值報文是否正常到達(dá)等，來檢測鏈路是否發(fā)生故障。

采用雙網(wǎng)實現(xiàn)冗余有以下兩種工作模式：

(a)熱備用模式

采用熱備用方式的雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在切換鏈路時，總會有一定的延時;同時，各個IED的冗余實現(xiàn)方法可能不同，不同的IED之間、以及交換機(jī)與IED之間的協(xié)議配合需要進(jìn)一步研究。

熱備用方式適合于作為站控層MMS網(wǎng)絡(luò)的工作模式。

(b)雙網(wǎng)獨立工作模式

雙網(wǎng)獨立工作模式可以減少網(wǎng)絡(luò)切換帶來的時間差，可靠性及實時性均較高，適合作為過程層GOOSE及SV網(wǎng)絡(luò)的工作模式。

小結(jié)：

網(wǎng)絡(luò)冗余可提高變電站自動化系統(tǒng)的可靠性。自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)若采用環(huán)網(wǎng)方式實現(xiàn)冗余，在正常運行時只有主鏈路傳輸數(shù)據(jù)，備用鏈路完全閑置，網(wǎng)絡(luò)帶寬和交換機(jī)端口的利用率不高;對于采用雙網(wǎng)方式實現(xiàn)冗余中的雙網(wǎng)而言，可采用熱備用和雙網(wǎng)獨立兩種工作模式，其中熱備用工作模式適用于站控層網(wǎng)絡(luò)，雙網(wǎng)獨立工作模式適用于過程層網(wǎng)絡(luò)。

4.2.3 網(wǎng)絡(luò)實時性

變電站自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，尤其是過程層網(wǎng)絡(luò)對通信的實時性要求較高(比如過程層GOOSE報文傳輸延遲不得超過4ms)，因此需要對網(wǎng)絡(luò)及交換機(jī)的時延進(jìn)行分析。

交換式以太網(wǎng)是基于幀交換技術(shù)，數(shù)據(jù)幀在交換機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)發(fā)，帶來一定的交換延遲。當(dāng)多個信息流涌向一個端口時，會出現(xiàn)端口競爭現(xiàn)象，造成傳輸?shù)难訒r和不確定性。

4.2.4 網(wǎng)絡(luò)延時定義

網(wǎng)絡(luò)延時定義為一幀報文從發(fā)送者到接收者的網(wǎng)絡(luò)傳輸花費的全部時間。網(wǎng)絡(luò)延時由以下四部分組成：

-發(fā)送延時;

-交換機(jī)制延時;

-線路傳輸延時;

-幀排隊延時。

(1)發(fā)送延時(T0)

T0定義為交換機(jī)發(fā)送節(jié)點在通信鏈路上從發(fā)送幀的第1個比特開始至發(fā)送完最后一個比特所需的時間。這個延時與被發(fā)送的幀的大小成正比，與速率成反比：

T0=FS/BR

這里T0是發(fā)送延時，F(xiàn)S是以位計算的幀大小，BR是以位/秒為單位計算的速率。

(2)交換機(jī)制延時(T1)

以太網(wǎng)交換機(jī)的內(nèi)部是交換機(jī)制。交換機(jī)制由復(fù)雜的硬件電路執(zhí)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)引擎、MAC地址表、VLAN、QoS(Quality of Service)及其它的功能，執(zhí)行這些邏輯功能便產(chǎn)生了延時。各個廠商交換機(jī)的交換機(jī)制延時各不相同，同一廠商的產(chǎn)品基本相同。交換機(jī)制延時一般為幾個μs到十幾個μs。目前智能變電站中使用的主流交換機(jī)的交換機(jī)制延時一般不大于7μs(比如MOXA PT-7728機(jī)制延時約為5μs左右)。

(3)線路傳輸延時(T2)

數(shù)據(jù)位在光纖鏈路上的傳輸速度大約是光速(3×108 m/s)的⅔。當(dāng)部署很長距離以太網(wǎng)線路時，這個延時值得注意。對于100km/1km/100m的鏈路延時可以計算出：

T2(100km)= 1×105 / (⅔×3×108)≈500μs

T2(1km) = 1×103 / (⅔×3×108)≈5μs

T2(100m) = 1×102/ (⅔×3×108)≈0.5μs

對于智能變電站內(nèi)過程層GOOSE網(wǎng)的傳輸距離而言，單條路徑一般不會超過500m，線路傳輸延時和其它延時相比顯得較小，可以忽略不計。

(4)幀排隊延時(T3)

幀沖突在廣播式以太網(wǎng)中存在，以太網(wǎng)交換機(jī)用隊列結(jié)合存儲轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制來消除以太網(wǎng)中存在的幀沖突問題。而隊列給延時引入了非確定性，原因歸結(jié)于隊列長度、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷等因素。為了減輕重要數(shù)據(jù)幀的排隊延時，引入了數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級機(jī)制，然而并不能保證服務(wù)的質(zhì)量。

以上4種延時中，前3種延時由網(wǎng)絡(luò)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，通過減小排隊時延將有利于提高整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實時性能。

4.2.5 延時分析結(jié)論

經(jīng)延時計算，得出結(jié)論如下：

(1)從網(wǎng)絡(luò)延時指標(biāo)看，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)與星形網(wǎng)絡(luò)的通信延時在最壞情況下均小于4ms，此兩類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于智能變電站自動化系統(tǒng)。

(2)在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點信息的網(wǎng)絡(luò)延時會隨著環(huán)路中交換機(jī)數(shù)量的增加而增加;而在星形網(wǎng)絡(luò)中(由中心交換機(jī)和下端交換機(jī)構(gòu)成的兩級網(wǎng)絡(luò))，下端交換機(jī)數(shù)量的增加并不會增加信息的跨交換機(jī)傳輸時延(由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原因，其通信鏈路中的交換機(jī)數(shù)量是恒定的)。星形網(wǎng)絡(luò)的實時性要優(yōu)于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。

4.3 主要網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的技術(shù)方案比較

目前變電站自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中常用的星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其性能對比詳細(xì)見下表4.3.1。

表4.3.1 星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)性能比較

(注：序號9中的“3跳”指經(jīng)過3級交換機(jī)。)

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，安全性好，與應(yīng)用的契合度佳，可針對電力應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，但對接入設(shè)備要求高，達(dá)到同等冗余度費用較高;而環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和特性復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)延時難以固定，且存在產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的安全隱患，但其對接入設(shè)備要求低，費用也相對較低。

因此推薦220kV變電站站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)均采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并通過雙網(wǎng)方式實現(xiàn)冗余以增加網(wǎng)絡(luò)的可靠性。站控層網(wǎng)絡(luò)雙網(wǎng)采用熱備用方式，過程層網(wǎng)絡(luò)雙網(wǎng)采用獨立運行方式。

4.4 站控層組網(wǎng)方案

全站統(tǒng)一設(shè)置站控層MMS網(wǎng)，推薦站控層網(wǎng)采用雙星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，雙網(wǎng)雙工、熱備用方式運行。

間隔層的各保護(hù)裝置、測控裝置，以及站控層設(shè)備的詳細(xì)信息均通過MMS網(wǎng)傳輸。監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各裝置間相互傳輸?shù)穆?lián)閉鎖信息以GOOSE報文的形式在MMS網(wǎng)上傳輸。

全站的站控層設(shè)備以及間隔層設(shè)備，均通過雙網(wǎng)口接入站控層雙星形MMS網(wǎng)絡(luò)。

4.5 過程層組網(wǎng)方案

過程層網(wǎng)絡(luò)同樣推薦采用雙星形結(jié)構(gòu)雙網(wǎng)獨立運行方式，并按站內(nèi)電壓等級分列不同網(wǎng)段，例如對于220kV智能變電站，全站分成220kV過程層網(wǎng)、110kV過程層網(wǎng)，兩個電壓等級的過程層網(wǎng)完全獨立，該組網(wǎng)方式增強了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，縮小了故障檢修的影響范圍;

過程層網(wǎng)絡(luò)中主要傳輸GOOSE報文和SV報文，即開關(guān)量與采樣值信息，此兩類報文是十分重要的報文，對于間隔層設(shè)備，尤其保護(hù)裝置而言，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須從最大程度上保證GOOSE報文與SV報文傳輸?shù)膶崟r性與可靠性，此外跨間隔的保護(hù)對分散采樣的合并單元同步性要求也十分苛刻。

如果過程層設(shè)備(主要是合并單元、智能終端)能夠集成間隔層設(shè)備的保護(hù)、測控功能，構(gòu)成真正意義上全功能的智能組件，就不存在上述信息傳輸問題，但這意味著保護(hù)、測控等重要功能需要下放，現(xiàn)階段在戶外站全面推廣尚有困難，特別是高電壓等級的戶外站。另外，變壓器和母線等間隔的一次設(shè)備物理位置必然是分散的，必須解決上述信息傳輸問題。

為實現(xiàn)開關(guān)量與采樣值的實時、可靠傳輸，間隔層設(shè)備與過程層設(shè)置之間可以是點對點方式光纖連接，也可以是以太網(wǎng)絡(luò)方式連接?？紤]到變電站自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的重要性，并結(jié)合當(dāng)前階段智能變電站應(yīng)用技術(shù)(尤其是交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù))的成熟程度，對于過程層每個電壓等級的GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)，可以有三種不同的組網(wǎng)模式。

4.5.1 保護(hù)直采直跳

GOOSE網(wǎng)與SV網(wǎng)分別獨立組網(wǎng)，但考慮到采樣測量值和跳閘命令是過程層網(wǎng)絡(luò)通信中的兩類重要信息，而保護(hù)裝置是十分重要的間隔層設(shè)備，為確保此兩類信息傳輸?shù)目煽啃耘c實時性，可將保護(hù)裝置的采樣值及跳閘命令采用點對點傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)，即“直接采樣、直接跳閘”，采樣值及跳閘命令通過直連光纜傳輸，不通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，其余裝置(如測控、錄波等)則分別通過GOOSE網(wǎng)與SV網(wǎng)傳輸相關(guān)信息。

無論是點對點方式傳輸?shù)腟V報文還是網(wǎng)絡(luò)方式傳輸?shù)腟V報文，都推薦采用符合DL/T860協(xié)議格式的報文。

保護(hù)裝置采用點對點方式，傳輸路徑?jīng)]有中間環(huán)節(jié)，可靠性高;此外點對點的傳輸路徑是固定的，則傳輸時間也相對固定，不存在類似于交換機(jī)排隊延遲等現(xiàn)象，傳輸?shù)膶崟r性高。

保護(hù)裝置點對點傳輸信息的方式只需考慮傳輸介質(zhì)的帶寬和接受方CPU處理數(shù)據(jù)的能力，而不用擔(dān)心數(shù)據(jù)流量對于其他間隔設(shè)備傳輸?shù)挠绊?，因為它并沒有通過網(wǎng)絡(luò)與其他間隔共享網(wǎng)絡(luò)帶寬;但合并單元及智能終端均需具備多個網(wǎng)絡(luò)接口，直采直跳的保護(hù)裝置也需具備多個網(wǎng)絡(luò)接口，裝置的通信負(fù)擔(dān)較重;此外對于跨間隔的保護(hù)(如母線保護(hù)、主變保護(hù)等)需接收多個間隔的SV報文，其裝置的CPU解碼壓力較大，并且跨間隔保護(hù)裝置實現(xiàn)不同間隔合并單元采樣值的同步較困難。

4.5.2 GOOSE與SV分網(wǎng)

雖然保護(hù)裝置“直接采樣、直接跳閘”可以在一定程度上保證保護(hù)裝置的開關(guān)量及采樣值信息傳輸?shù)膶崟r性與可靠性，但此種模式也存在諸多缺點;在采用高可靠性的IED及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(主要是交換機(jī))，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并采用VLAN及GMPR等技術(shù)對過程層網(wǎng)絡(luò)的流量進(jìn)行合理控制的前提下，也可采用GOOSE與SV分別單獨組網(wǎng)的模式。

過程層GOOSE與SV分別單獨組網(wǎng)模式下，間隔層及過程層所有設(shè)備的相關(guān)GOOSE信息及SV信息均分別通過分開設(shè)置的GOOSE網(wǎng)及SV網(wǎng)傳輸。

合并單元直接接入過程層SV網(wǎng)絡(luò)，SV報文通信采用符合IEC 61850-9-2協(xié)議格式的報文。保護(hù)、測控、計量等設(shè)備通過SV網(wǎng)絡(luò)獲取采樣值，實現(xiàn)了SV信息共享。

4.5.3 GOOSE與SV共網(wǎng)

在設(shè)備可靠的前提下，為了在最大程度上實現(xiàn)過程層的信息共享、節(jié)約資源，GOOSE與SV報文也可共網(wǎng)傳輸。

GOOSE與SV共網(wǎng)的關(guān)鍵在于過程層網(wǎng)絡(luò)的流量，若GOOSE與SV共網(wǎng)，則220kV母線保護(hù)過程層網(wǎng)口與110kV母線保護(hù)過程層網(wǎng)口的流量都非常巨大，可能會大于100M網(wǎng)口的40%安全范圍，當(dāng)前階段可以采取多個100M光纖以太網(wǎng)口分擔(dān)帶寬的辦法來解決，通過VLAN的劃分，使每個100M光網(wǎng)口分別對應(yīng)若干間隔;遠(yuǎn)期則通過采用1000M以太網(wǎng)技術(shù)的辦法來解決。

采取過程層GOOSE與SV統(tǒng)一組網(wǎng)的模式時，間隔層及過程層所有設(shè)備均分別通過統(tǒng)一設(shè)置的過程層網(wǎng)絡(luò)傳輸相關(guān)GOOSE信息及SV信息。

合并單元及智能終端均直接接入過程層網(wǎng)絡(luò)，SV報文通信采用符合IEC 61850-9-2協(xié)議格式的報文，保護(hù)、測控、計量等設(shè)備通過SV網(wǎng)絡(luò)獲取采樣值，保護(hù)及測控裝置對斷路器的分/合閘操作均通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腉OOSE報文實現(xiàn)。

GOOSE與SV共網(wǎng)模式可以在最大程度上實現(xiàn)信息共享，節(jié)約交換機(jī)的投資。

4.5.4 過程層組網(wǎng)方案小結(jié)

以上共列舉了過程層網(wǎng)絡(luò)的三種組網(wǎng)模式，各種組網(wǎng)模式的優(yōu)缺點比較見表4.5.4。

表4.5.4 各種組網(wǎng)模式的優(yōu)缺點比較

5 結(jié)語

對于220kV智能變電站，推薦以下方案

(1) 考慮到保護(hù)裝置采樣及跳閘回路的重要性，并結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的成熟程度與應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性，國家電網(wǎng)公司企標(biāo)Q/GDW441-2010《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》第4.7條明確要求間隔內(nèi)保護(hù)裝置應(yīng)直接采樣直接跳閘。從技術(shù)可靠性和工程重要性考慮，推薦所有過程層網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)裝置均采用直采直跳模式，其余裝置(如測控、錄波等)分別通過GOOSE網(wǎng)與SV網(wǎng)傳輸相關(guān)信息的組網(wǎng)方式。

(2) 220kV系統(tǒng)推薦過程層網(wǎng)絡(luò)雙重化配置，GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)共網(wǎng)設(shè)置。

(3) 110kV系統(tǒng)推薦過程層網(wǎng)絡(luò)雙重化配置，GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)共網(wǎng)設(shè)置。但110kV系統(tǒng)除主變間隔外其余間隔只接單網(wǎng)，

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