数字化变电站过程层网络通信流量计算

智能变电站二次系统网络结构和信息流分析摘要：本文简要阐述了智能变电站二次系统网络结构，介绍了GOOSE、SV、MMS的定义和传输方式，并对站内数据信息的流向进行了分析。

关键词：三层两网；GOOSE；SV；MMS；信息流0 引言智能变电站基于IEC61850标准提出了变电站的三层功能结构、功能间的逻辑接口和逻辑接口到物理接口的映射，现在国内变电站应用较多的是“三层两网”结构。

智能变电站的二次设备网络架构可分为站控层、间隔层和过程层三层，网络组成可分为站控层网络和过程层网络。

站控层网络和过程层网络在物理上完全独立。

站控层和间隔层之间采用MMS报文通信，间隔层之间采用面向通用对象的变电站事件GOOSE通信，间隔层和过程层之间采用面向通用对象的变电站事件GOOSE通信和SV通信。

GOOSE报文和SV报文组成了过程层和间隔层之间的信息流，间隔层GOOSE报文是间隔层之间的信息流，MMS报文是间隔层和站控层之间的信息流。

三层两网是智能变电站的核心架构，站控层和过程层网络独立，报文相互隔离，确保了安全的信息交互和稳定的报文走向。

1 智能变电站二次系统网络结构智能变电站二次系统设备主要包括：（1）站控层设备：包括后台监控主机、数据通信网关机、数据服务器、综合应用服务器、操作员站、工程师站、保护信息子站和PMU数据集中器等。

（2）间隔层设备：包括测控、保护、故障录波、网络分析仪、安全与稳定控制装置等。

（3）过程层设备：包括合并单元、智能终端和智能组件等。

智能变电站二次系统网络结构示意图如下图1所示。

合并单元采集一次设备的电压、电流等电气量后，按照IEC61850-9-2的多路广播采样值格式进行组帧，通过光纤以太网通信介质传输到间隔层二次设备（如测控和保护），或者按照IEC60044-8标准通过光或电同步串行接口以FT3格式发送给间隔层设备。

智能终端通过电缆线与一次断路器等设备相连，通过光纤接口的以太网，采用GOOSE报文与间隔层设备快速交换信息。

变电站通信网络和系统（IEC 61850）标准概述由于现有的规约五花八门、缺乏统一性，数字化（智能化）变电站成为发展方向，性能和速度已不再是问题，因此产生了IEC 61850标准。

IEC 61850系列标准吸收国际先进新技术，并且大量引用了目前正在使用的多个领域内的其它国际标准作为61850系列标准的一部分。

所以它是一个十分庞大的标准体系，确切地说，它是一种新的变电站自动化的设计、工程、维护、运行方法准则。

IEC 61850系列标准的全称：变电站通信网络和系统（Communication Networks and Systems in Substations），它规范了变电站内智能电子设备（IED）之间的通信行为和相关的系列要求。

IEC 61850的关键技术：1)变电站三层接口2)采用模型思想进行对变电站统一建模3)抽象通信服务和特定通信服务4)统一的配置描述语言5)IEC 61850标准包括10个部分：6)IEC 61850-1基本原则，包括了适用范围和目的，定义了变电站内IED（电子式互感器Intelligent Electronic Device）之间的通信和相关系统要求，并论述了制定一个适合标准的途径和如何对待通信技术革新等问题。

7)IEC 61850-2术语，给出了IEC 61850文档中涉及的关于变电站自动化系统特定术语及其定义。

8)IEC 61850-3总体要求，详细说明系统通信网络的总体要求，重点是质量要求（可靠性、可用性、可维护性、安全性、数据完整性以及总的网络要求），还涉及了环境条件（温度、湿度、大气压力、机械振动、电磁干扰等）和供电要求的指导方针，并根据其他标准和规范对相关的特定要求提出了建议。

9)IEC 61850-4系统和项目管理，描述了对系统和项目管理过程的要求以及对工程和试验所用的专用调度要求。

主要包括：工程过程及其支持工具，，整个系统及其IED的生命周期，系统生命期内的质量保证供三个方面。

智能变电站过程层报文1. GOOSE报文1.1. GOOSE传输机制SendGOOSEMessage通信服务映射使用一种特殊的重传方案来获得合适级别的可靠性。

重传序列中的每个报文都带有允许生存时间参数，用于通知接收方等待下一次重传的最长时间。

如在该时间间隔内没有收到新报文，接收方将认为关联丢失。

事件传输时间如图1-1所示。

从事件发生时刻第一帧报文发出起，经过两次最短传输时间间隔T1重传两帧报文后，重传间隔时间逐渐加长直至最大重传间隔时间T0。

标准没有规定逐渐重传时间间隔计算方法。

事实上，重传报文机制是网络传输兼顾实时性、可靠性及网络通信流量的最佳方案，而逐渐重传报文已越来越不能满足实时性要求，对重传间隔时间已没有必要规定。

图1-1 GOOSE事件传输时间SendGOOSEMessage服务以主动无须确认的发布者/订阅者组播方式发送变化信息，其发布者和订阅者状态机见图1-2和图1-3。

图1-2 GOOSE 服务发布者状态机1) GoEna=True （GOOSE 使能），发布者发送数据集当前数据，事件计数器置1（StNum=1），报文计数器置1（SqNum=1）。

2) 发送数据，SqNum=0，发布者启动根据允许生存时间确定的重发计时器，重发计时器计时时间比允许生存时间短（通常为一半）。

3) 重发计时器到时触发GOOSE 报文重发，SqNum 加1。

4) 重发后，开始下一个重发间隔，启动重发计时器。

重发间隔计算方法和重发之间的最大允许时间都由发布者确定。

最大允许时间应小于60秒。

5) 当数据集成员数据发生变化时，发布者发送数据，StNum 加1，SqNum=0。

6) GoEna=False ，所有的GOOSE 变位和重发报文均停止发送。

图1-3 GOOSE 服务订阅者状态机1) 订阅者收到GOOSE 报文，启动允许生存时间定时器。

2) 允许生存时间定时器到时溢出。

3) 收到有效GOOSE 变位报文或重发报文，重启允许生存时间定时器。

数字化变电站的网络架构分析摘要：数字化变电站的重要特征是功能分散、数据共享，因此对通信提出了非常严格的要求。

IEC 61850由于其面向对象并且包含对过程层设备的模型描述，因此成为最适合数字化变电站使用的标准。

IEC 61850标准规定了三层两网的体系结构关键词：功能分散数据共享三层两网1 、前言数字化变电站的重要特征是功能分散、数据共享，因此对通信提出了非常严格的要求。

IEC 61850由于其面向对象并且包含对过程层设备的模型描述，因此成为最适合数字化变电站使用的标准。

IEC 61850标准规定了三层两网的体系结构。

三层是指站控层、间隔层、过程层三层设备。

两网是指以三层设备为节点的两层网络：站控层网络和过程层网络，都是以IEEE 802.3标准规定的以太网为基础的。

数字化变电站对站控层网络的要求与传统变电站并无本质区别，以下三点需要考虑。

数字化变电站的站控层网络完成MMS数据传输和变电站GOOSE联闭锁等功能，较之IEC 60870-5-103规约年代，通信数据量大幅增加，需要采用100M 的以太网。

至于网络拓扑结构究竟采用双星型还是环形，可以参照传统变电站的要求。

采用光纤以太网还是RJ45接口的以太网，建议根据变电站实际情况，不宜作硬性规定。

数字化变电站的过程层网络由于承担着变电站模拟量、开关量的实时传输，因此必须建立起高效、可靠、开放的网络才能满足需求。

目前，过程层网络可以考虑以下三种拓扑结构：2、SV和GOOSE均采用点对点传输方式该方案用类似于从源端到目的端的传统电缆连接方式来构建光纤通信回路，以保证继电保护、测控装置数据来源的可靠性、独立性、实时性。

可靠性是指数据采用点对点形式，没有中间环节，传输可靠；独立性是指不同的二次设备的光纤回路完全独立；实时性是指传输时间固定，不会存在类似交换机排队延迟等现象。

该方案的缺点有以下几个方面：实现了功能分布，但是不能满足数字化变电站对信息共享的要求；对二次设备通信能力提出了很高的要求，需要具有多个个光纤以太网口的通信能力；光纤数量众多，造成现场施工和日后运行维护难度大。

智能变电站通信网络技术方案1 智能变电站通信网络总体结构智能变电站通信网络采用IEC 61850国际标准，IEC 61850标准将变电站在结构上划分为变电站层、间隔层和过程层，并通过分层、分布、开放式网络系统实现连接。

变电站层与间隔层之间的网络称为变电站层网络，间隔层与过程层之间的网络称为过程层网络。

变电站层网络和过程层网络承载的业务功能截然不同。

为了保证过程层网络的实时性、安全性，在现有的技术条件下，变电站层网络应与过程层网络物理分开，并采用100M 及以上高速以太网构建。

远动工作站1MMS/GOOSE 网超五类屏蔽双绞线系统服务器兼操作员站1保护测控系统服务器兼操作员站2远动工作站2通讯在线监视终端故障录波电能计量其他智能设备SMV 网GOOSE 网光缆变电站层间隔层合并单元智能单元过程层过程层网络变电站层网络光缆电缆电子式互感器开关设备（主变、断路器、刀闸）保护及故障信息管理子站GOOSE 视频联动服务器智能变电站通信网络基本构架示意图2 变电站层网络技术方案功能：变电站层网络功能和结构与传统变电站的计算机监控系统网络基本类似,全站信息的汇总功能(包括防误闭锁）可依靠MMS/GOOSE网络实现。

拓扑结构选择：环形和星形拓扑结构相比，其网络可用率有所提高（单故障时两者均不损失功能，少数的复故障环形网可以保留更多的设备通信），但是支持环网的交换机和普通星型交换机相比价格大大提高。

国内经过多年的技术积累，装置普遍具备2~3个独立以太网口, 星型网络在变电站实际应用有着更加丰富的使用经验。

国内220kV及以上变电站层网络一般采用双星型拓扑结构；110kV及以下变电站层网络一般采用单星型拓扑结构。

变电站层双星型网络结构示意图变电站层交换机1变电站层交换机2变电站层变电站层网络间隔层变电站层双环型网络结构示意图3 过程层网络技术方案功能:过程层网络分为SMV 采样值网络和GOOSE 信息传输网络。

前者的主要功能是实现电流、电压交流量的上传；后者的主要功能是实现开关量的上传及分合闸控制、防误闭锁等。

数字化变电站的通信网络和主要协议数字化变电站自动化系统由站控层、间隔层和过程层3个层次组成，由过程总线和站级总线进行通信连接。

过程总线处理间隔层装置和智能化一次设备(如断路器、互感器、变压器之间的通信)，站级总线处理变电站层和间隔层的装置之间的通信。

1．过程总线及组网方式过程层是一次设备与二次设备的结合面，也就是智能化电气设备的智能化部分。

在过程层要实现以下功能：运行的电气一次设备实时模拟量的上送，即采样值的报文传输；运行的电气一次设备的状态参数在线检测和统计，如对变电站的断路器、隔离开关等工作状态等数据的上送；远程控制和操作命令的执行与驱动，如对断路器的分合闸命令的接收与执行。

过程层往间隔层传送的数据较多，且报文优先级不一样(如相对于开关设备状态检测信息，采样值传输和跳闸命令传输更重要)，而且这些数据在不同的运行方式下有不同的传输响应速度和优先级要求，为避免通道堵塞，过程层选择基于交换式以太网的串行通信网络。

相对于共享式以太网，交换式以太网具有端口带宽独享、端口之间全双工通信、支持虚拟局域网(VLAN)和报文优先级设置等诸多特点。

变电站自动化系统过程层与间隔层之间并行电缆连接被基于交换式以太网的串行通信网络所代替，这种通信方式又称作过程总线(Processbus)通信。

组网方式有四种原则：面向间隔、面向位置、单一总线、面向功能。

2．过程总线数据交换模式采样测量值和跳闸命令是过程总线上数据通信最为重要的两类信息。

IEC61850标准定义了两种抽象模型；采样值传输(SA V)模型和通用的以对象为中心的变电站事件(GOOSE)模型。

其中SA V模型应用于采样值传输及相关服务，而GOOSE模型则提供了变电站事件(如命令、告警等)快速传输的机制，可用于跳闸和故障录波启动等。

现代通信技术主要有3种通信中间结构：点对点、客户/服务器和发布者/订阅者。

发布者/订阅者(publisher/subscriber)通信结构是分布式系统应用首要方法，它支持多个节点之间的直接而快速的数据传输，并在各通信节点之间形成点对点直接通信，尤其适应于数据流量大且实时性要求高的数据通信。

智能数字化变电站过程层应用技术要点分析摘要过程总线技术是智能数字化变电站基于常规变电站自动化系统结构发展起来的一种集一次设备智能化、二次设备网络系统化为一体的重要技术。

在介绍了智能数字化变电站过程总线通信实现的基本前提技术支撑条件后，对过程总线通信中实现特征参量信号采样值报文和跳闸命令（GOOSE）事件报文高效稳定、精确可靠传输的关键技术进行了详细分析研究。

关键词智能数字化变电站；信号采样值；GOOSE事件随着电力电子技术、计算机技术、电力通信技术等先进技术发展的不断完善，智能数字化变电站已成为变电站综合自动化领域技术升级改造研究的难点热点。

国内外相关电力研究工作人员普遍认为，智能数字化变电站综合自动化技术是基于变电站IEC61850国际规约标准的基础上，建成满足变电站自动化系统全站统一数据信息集成模型和实时通信平台需求，从而实现变电站一次设备和二次设备间的无缝数字化通信，有效提高变电站自动化系统中IED智能电子设备间数据信息资源的实时共享和互操作水平。

基于IEC61850标准的智能数字化变电站继承了常规变电站自动化逻辑组成结构，将整个变电站自动化系统划分为站控层、间隔层、以及过程层三层单元。

过程层与间隔层间的串行通信规约通道可以成为过程总线通信，是过程层现地智能设备与间隔层监测、保护、记录等设备间数据信息的主要通信通道，其是基于网络的过程总线技术结构，其综合成本较低、运行可靠性高等优点，可以大大解决过程层IED设备与间隔层IED设备间数据信息规约较为复杂、通信转换设备综合投资较大等问题，受到广大变电站用户和自动化厂家的青睐。

但在过程层实际应用过程中，如何确保采样信号、保护动作命令等与变电站综合自动化系统安全稳定运行有密切关系的数据信息在船上过程中具有较高的实时性、准确性、安全可靠性，一直就是智能数字化变电站过程总线应用技术研究的重要内容。

1 智能数字化变电站过程总线通信实现基本前提智能数字化变电站过程总线通信技术的研究发展与断路器、互感器等高压开关电气设备制造新技术、通信新技术等的发有密不可分，同时也是电力系统高压行业适应智能电网建设需求的必然发展趋势。

智能变电站过程层网络技术1引言随着IEC61850变电站网络与通信协议标准的发展和广泛应用，智能变电站实现了全站信息的数字化、通信平台网络化以及信息共享标准化。

IEC61850将智能变电站自动化系统从功能逻辑上分为变电站层、间隔层和过程层三层结构。

过程层是智能变电站区别于传统变电站的特点之一，智能变电站的过程层是一次设备与二次设备的结合面，能够更加有效地解决设备易受干扰、高低压无法有效隔离、信息不能共享等缺点。

但是由于智能变电站的信息数据量庞大，对数据传输的可靠性、实时性要求很高，过程层又大量应用了新设备、新技术，而相关设备和技术的运行业又不是很成熟，因此随之产生的安全性和可靠性方面的问题不容忽视[2-3]。

本文提出了几种典型的过程层网络构建方案，并结合实际案例分析研究了其中的关键性技术。

2过程层组网设计方案2.1方案一本方案又被称为常规互感器方案，即是利用采集单元帮助常规互感器实现采样值的数字化。

下面以线路保护为例来进行说明。

该方案的实现与传统变电站的电缆连接方式相似，点对点采用光缆直连，其结构示意图如图1所示。

整个过程层网络的设计基于IEC61850标准，采集单元独立配置是本方案的优点，这方便后期工程进行改造，同时系统中的继电保护装置不必经过交换机直接进行采样，可通过GOOSE网络直接跳断路器，启动断路器失灵、重合闸。

但是本方案有个缺点，就是增加了采集单元，这提高了过程层网络的结构复杂度，同时常规电流互感器的饱和问题不易解决。

2.2方案二本方案建立在IEC61850标准基础上，电压、电流互感器采用电子式。

优点是传输延时固定，由继电保护装置利用插值法对数据进行同步，可以不依赖于外部时钟。

采样值和信息传输采用网络模式，按电压等级进行组网分类。

本过程层组网方案采用IEEE1588或IRIG-B码方式对时，所有的保护都要求配置主后备功能。

另外有几点需要说明的是，变压器中性点的电流和间隙电流要并入相应侧MU；跳母联、分段断路器及闭锁备自投和启动失灵等变压器保护采用GOOSE网络传输。