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18 网络结构及交换机配置优化方案在智能变电站的应用

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重庆市电机工程学会2010年学术会议论文 1628 网络结构及交换机配置优化方案在智能变电站的应用 周莉 （国核电力规划设计研究院重庆有限公司，重庆401121） 摘要：智能化变电站是实现智能电网的重要组成部分之一，可靠高效的通信网络，完善的通信网络标准是实现智能化变电站的保障。智能化变电站是目前变电站发展的必然趋势，现阶段国内已开始陆续进行智能化变电站的建设。与常规变电站相比，智能化变电站具有三大技术优势：数据采集标准化、二次设备网络化及采用智能化设备。智能化变电站在网络结构上增加了一个过程层，全站网络采用高速以太网，通信规约采用DL/T860标准。目前，受各类技术标准的不完善及设备智能化水平较低的影响，智能化变电站的智能水平还有待进一步提高。以110kV光国变电站为例，围绕智能变电站自动化设计方案，分析智能变电站网络结构及以太网交换机的先进技术，结合工程实际提出光国110kV变电站在工程设计中采用数字化系统网络的措施和方案及以太网交换机配置优化方案。

关键词：智能电网 智能化变电站 过程层 110kV光国

变电站

1引言

电力系统作为国民经济的支柱性产业，极大程度地影响和制约着其他各个行业的发展。现代社会的发展对电力系统的依赖日益增加，这对电力系统的发展也提出了更高的要求。随着社会经济的不断发展，人民生活的日益提高，对电力系统的要求不仅局限于供电能力，电能质量、供电可靠性、环境协调性以及可持续性成为新的电力系统发展方向。 在此新形势下，智能电网的概念应运而生。智能电网，就是电网的智能化，是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、

抵御攻击、提供满足用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。 智能化变电站是构建智能电网的重要组成部分之一。随着电网的不断发展，变电站作为输配电系统的信息源和执行终端，接受的信息量和实现的控制功能越来越多，对于数字化、信息化的要求越来越迫切，智能化变电站成为未来变电站发展的方向[1~2]。 近年来基于IEC61850标准的智能变电站建设越来越多，多数110kV的智能变电站配置站控层、间隔层和过程层3层结构[2]。随着对IEC61850标准研究和应用的深入以及国内各厂商基于IEC61850标准产品的丰富，特别是智能一次设备中更多的整合二次设备的功能，利用先进的以太网交换机信息传播技术，使间隔层与过程层合并在技术上提供了可行性。 本文通过经济技术比较，确定了光国110kV变电站两层设备一层网络的网络结构体系，并对组网交换机进行优化配置。

2 智能变电站内数据流和信息传输的特点

2.1智能变电站内数据流 智能变电站内数据流的逻辑关系如图1所示：

图1 三层两网逻辑接口图 网络结构及交换机配置优化方案在智能变电站的应用

1629 2.2 单间隔流量计算 因为不同间隔间需要共享部分信息，而不是全部信息，因此将全站过程层交换机经过主干交换机进行星型或环形模式级联。如果不对间隔层交换机流出数据进行流量控制，主干网交换机很容易流入流量超负荷的情况，使网络产生阻塞。对单间隔的SV数据流量及GOOSE数据流量进行理论计算，得到如下结论： IEC61850-9-2工程中实际最大报文长度单间隔SV理论计算流量,按照每帧1点(12个模拟量通道)计算，一个合并单元每秒种的数据流量： S=159字节×8bit/字节×50周波/s×80点/周波=5.088Mbit/s； GOOSE工程中实际最大报文长度： 按照T0=5s计算，一个智能设备每秒种的数据流量： S = 6016bit×（1s/5）帧=0.001Mbit/s； 交换机数据吞吐总量由流入交换机的数据决定，理论上流入数据都可以正确流出，只是数据流量的大小决定了网络（延时）性能[3~4]。主干网交换机上流入的数据主要是跨间隔保护需要的数据，如失灵保护、母线保护等需要的数据。按照单位间隔估算，如SV数据中的保护电流、GOOSE数据等。其中GOOSE信息流量和SV相比可以忽略不计。

3 智能变电站中的交换机技术 3.1 对抗电磁干扰的要求 变电站自动化系统中的以太网交换机将安装在变电站二次设备间或开关场内，处于与继电保护设备相同的电磁干扰环境中，因此在考虑其抗电磁干扰性能时，应与继电保护设备相同。 通常，在变电站中的电子设备受到电磁干扰的途径主要有下述几种： 机壳 信号口 交流电压输入和输出口 直流电压输入和输出口 信号地 对于以太网交换机而言，采用光纤作为网线可以将从信号接口和信号地引入的电磁干扰降

至最小，但无法减小其它途径的电磁干扰。因此在IEC61850 标准中专门规定了变电站中通信设备的抗电磁干扰要求。IEC61850-3的5.7节规定通信设备必须能承受变电站中各种类型的电磁干扰，所以变电站自动化系统中使用的以太网交换机仅满足对工业环境规定的一般抗电磁干扰要求是不够的，变电站中通信设备的抗电磁干扰要求应满足 IEC61000-6-5标准的规定。相应地，在我国变电站自动化系统中使用的以太网交换机，对通过电源线和信号线进入的传导性干扰应能通过GB/T17626.6-1998中3级感应性干扰测试、DB/T17626.5-1999中4级浪涌测试、GB/T17626.4-1998中4级快速瞬变测试和GB/T17626.12-1998中3级振荡波测试，对辐射型电磁干扰能满足GB/T17626.3-1998中的3级标准，对可能来自电源线或环境辐射的工频干扰，应满足GB/T17626.8-1998和GB/T17626.10-1998的相关规定。

3.2 对环境温度的要求 DL/T 860.3-2004（IEC61850-3）标准规定在变电站中运行的通信设备（如以太网交换机）应能满足GB/T15153.2-2000标准（等同于IEC870-2-2:1996）推荐的环境温度要求。在GB/T15153.2-2000标准中将设备工作场所分为四类： 类型A：空调场所 类型B：封闭的加热或制冷场所 类型C：遮蔽场所 类型D：室外场所 在变电站中运行的以太网交换机大多数都处于C类环境（遮蔽场所），所以在选择以太网交换机时，也应考虑C类的条件要求。对环境类型C的工作环境温度，又细分为四种，即C1、C2、C3和Cx： C1：-5oC ~ +45oC C2：-25oC ~ +55oC C3：-40oC ~ +70oC Cx：特定 对变电站自动化系统中的以太网交换机，应根据实际情况，要求其满足C2、C3或者Cx（如-25oC ~+85oC）规定的工作环境温度范围，安装重庆市电机工程学会2010年学术会议论文 1630 在变电站二次设备间内的交换机，可要求其满足C2标准，安装在开关场的交换机可要求其满足C3或Cx标准。 3.3 实时性要求 变电站自动化系统对数据传输的实时性有很高的要求。为了保证数据传输的实时性，要求数据在通过交换机端口传输时的时延尽可能小，并可以让实时性要求高的数据包优先传输，且能自动过滤不需要传送的数据。所以为了满足变电站自动化系统网络通信的实时性，在选择变电站自动化系统中使用的以太网交换机时，应要求交换机具有下述特性： （1）支持 IEEE802.3x全双工以太网协议。全双工数据传输模式能同时支持两个方向的数据发送和接收，在交换机端口上不会发生信息―碰撞‖，因此舍弃了半双工以太网的CSMA/CD机制，从而大大降低了数据传输时延。 （2）支持 IEEE802.1p优先级排队协议。IEEE802.1p优先级排队协议是对网络的各种应用及信息流进行优先级分类的方法，每个通过交换机的数据包可被分配一个队列优先号数（优先位），有更高优先位的数据包被允许首先通过，这可确保对实时性要求高的信息流优先进行传输，从而保证变电站自动化系统对实时性的要求。 （3）支持 IEEE802.1q VLAN 协议。根据变电站自动化系统中的IED设备对实时性要求的高低不同，将其分组到不同的虚拟局域网（VLAN），可进一步改善系统安全性和带宽利用效率，从而进一步保证系统的实时性。 （4）支持 GMRP组播技术。具有这种性能的交换机能够使广播数据帧（如GOOSE 帧）仅与相关的端口通信，而不送到其它与其无关的端口，从而增加网络带宽，提高系统的实时性。组播报文可以通过GMRP组播注册协议（GARP Multicast Registration Protocol）实现，也可以通过IGMP (Internet Group Message Protocol)互联网组管理协议实现。区别是IGMP协议工作在三层，配置复杂，资源消耗大，但对智能设备无特殊要求；GMRP协议工作在二层，资源消耗小，且简单，无需配置交换机，智能设备可自动配置， 但需要智能设备支持GMRP。综合考虑，光国变电站采用GMRP协议。 （5）支持多端口镜像功能。可以将多个端口的数据镜像到某个特定的端口，从而在不影响原有端口通讯的情况下，对这些端口的数据进行监视。在镜像端口时，可以根据需要选择镜像进入端口的数据包、出该端口的数据包或双向数据包，从而灵活的监视所需的数据。

3.4 网络结构性要求 变电站自动化系统对网络的可靠性也有很高的要求。为了提高网络的可靠性，通常会采用环网结构、星型网结构或者环网和星状网的混合结构等能提供冗余链路的网络结构。 环型结构由各交换机之间连接成闭环，特点是网络冗余度好，抗故障能力强，但网络结构较复杂，从结构上存在广播风暴的风险，需采用RSTP（快速生成树协议）保证网络的可靠运行；扩展困难，增加交换机设备时，需要将网络打开重新组环；维护、隔离比较困难，任一交换机检修，网络变为总线结构，任何交换机故障将导致大面积故障。报文延时不固定，环型结构使用公有协议时自愈时间可能达到数百毫秒，影响保护功能，而使用私有协议时自愈时间可减少到数十毫秒，但不同厂家交换机不能组网。 环型结构非常适合网络节点分布长，连线长，故障几率高的网络，比如电信企业的城域网或电厂的DCS系统等，它们的网络覆盖范围很大，导致光纤距离较长，因此发生故障的几率也相对较高，采用环型接线可以提升网络的可靠性。但变电站的网络规模相对较小，二次设备布置较为集中，交换机之间的光纤连线很短，因而故障几率也相对较低，采用环型接线的优势就不是特别突出。 星型接线设置中央节点，其他节点都与中央节点直接相连，网络结构简单，扩展性好，便于维护，任何一台间隔交换机故障都可以方便的隔离，不影响其他间隔；传输速度快，实时性高；报文延时固定，从结构上没有广播风暴的风险。缺点是中央节点（公共交换机）负担较大，交换机数量较多，成本较高。 通过上述分析，综合考虑安全性、可靠性和

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智能变电站网络设备配置及组屏方式的改进

智能变电站网络设备配置及组屏方式的改进

智能变电站网络设备配置及组屏方式的改进提要：自动化监控网络设备、远动专业厂站端调度数据网接入设备与系统通信连接的组屏有多种方式，不尽合理的组屏安装对设备的抗电磁干扰不利。

针对组屏问题，提出了按功能模块化组屏，提高设备运行的安全可靠性的建议。

关键词：变电站、调度数据网、组屏一、前言变电站自动化系统有两类网：一类是调度数据网，双网配置，构建在SDH专用通道上，用于电力系统远动数据传输，通信规约是IEC60870-5-104协议，属于广域网；另一类是变电站监控网，单网或双网配置，以太网结构，通信规约是IEC61850协议，用于站内各相关装置间的数字化信息传输，属于局域网。

为了保护电力实时闭环监控系统及调度数据网络的安全，配置了电力二次系统防护装置。

安全区I、II连接的广域网为调度数据网（SGDnet），承载的业务是电力在线生产业务以及本网网管业务。

SGDnet是采用IP交换技术体制，构建在SDH专用通道上，是本文讨论的内容。

二、调度数据网变电站端接入设备现状及问题变电站实现微机监控及系统通信光纤网络化后，变电站远动数据的采集和远程传输方式得到不断地加强和改进。

以110kV变电站为例，调度数据网厂站端的远动装置（调度数据网关机）双套配置。

每套远动装置的两个输出端口将采集数据经由在SDH之上的虚拟专用通道到达调度端前置机接收并进行数据处理，然后传送给后台机编排使用。

当主用数据异常时，由调度端前置机切换到备用通道。

（一）调度数据网接入设备的配置存在的问题调度数据网关机单台配置时，一台装置两个端口分别向主/备双路通道发送信息，一旦装置异常，双通道皆失效，存在可靠性低的问题，因此网关机改为双重化配置。

当网关机实现双重化后，网关机仍采用一台装置同时向两个通道发送数据，同一内容的信息会生成4组数据在通道中传送，其中除主用通道中的1组数据被采用外，另外一组数据和备用通道中的2组数据被放弃。

只有当出现“通道异常”进行通道切换后，备用通道中的一组数据才能用上，另3组数据被放弃，数据臃余量大。

智能变电站通信网络技术方案

智能变电站通信网络技术方案

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。

通讯在线保护及故障系统服务器系统服务器GOOSE视频监视终端信息管理兼操作员站2兼操作员站1远动远动联动服务器子站工作站1工作站2变电站层MMS/GOOSE网变电站层网络超五类屏蔽双绞线其他智能电能保护故障间隔层设备计量测控录波SMV网光缆过程层网络GOOSE网合并智能单元单元过程层光缆电缆电子式开关设备互感器(主变、断路器、刀闸)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系统服务器兼操作员站远动工作站变电站层变电站层网络变电站层交换机2变电站层交换机1保护测控保护测控保护测控保护测控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。

智能变电站网络通信技术

智能变电站网络通信技术

智能变电站网络通信技术A 组网方案结合国家电网公司关于智能变电站的技术导则规范，考虑南方电网公司对于数字化变电站的规划，当前智能变电站网络通信的结构主要有以下四种：（1）采用光纤点对点与GOOSE网络相结合的方式，其中，国网智能变电站中的保护装置是“直采直跳”，即点对点采样、点对点跳闸，亦存在“直采网调”的保护构架，集中在南网的数字化变电站；（2）采用光纤点对点、采样值网络与GOOSE网络相结合的方式，对于保护装置是光纤点对点的模式，而就测控、计量、故障滤波则是从采样值网络获取相关信息；（3）采用过程总线方式，即采用交流采样（SMV）和GOOSE组网的方式，其中又分为共网或分网模式；（4）采用完全过程总线方式，即交流采样9-2、IEEE 1588 和GOOSE 统一组网。

方案四与方案三实际的运行方式相似，方案三用IEEE1588进行对时处理，而方案二是用国际流行的B码对时。

现对上述三种方案做简要阐述及评价：方案一的结构与现行常规变电站的网络结构模式是一致的，只是规约由IEC60870 改为IEC 61850，在这一点上3个方案是一致的。

在方案一中，过程层采用光纤点对点与过程总线相结合的方式，即交流采样合并单元采用点对点的方式，将交流实时数据用光纤传输至保护、测控、计量、录波，这样采样数据独立传输，跳合闸等开关量信息采用GOOSE网络方式，为保证动作的可靠性，GOOSE 网必须保证一定冗余，即按照双网方式组建，且必须同时工作于主机方式。

在目前100 M以太网技术成熟的条件下，采样数据独立传输虽然有需要敷设大量光缆的缺点，但其优点是能够保证数据响应实时性。

方案二的结构同方案一类似，不同之处则在于测控、计量、录波等二次设备是通过采样值网络获取相关信息，该方案可一定程度上减少光缆的铺设，并促进数据信息的共享互用。

方案三的特征点在于采样值和GOOSE信号均组网传输，有利于信息的共享化。

在采样值和GOOSE共同组网的情况下，为了保证GOOSE报文的实时性，可以利用VLAN技术将过程层划分为一些功能子网，启用交换机分级服务质量提供优先传输机制，保证重要报文优先传输，减少重要帧的排队延时。

智能变电站几种过程层组网方案及在实际工程中的应用

智能变电站几种过程层组网方案及在实际工程中的应用

智能变电站几种过程层组网方案及在实际工程中的应用摘要：智能变电站引入过程层的概念，本文根据作者实际从事的工程以及设计专业出发，总结了几种典型的过程层组网方案以及它们在不同工程中的应用，重点针对过程层goose组网、smv点对点直采以及混合型组网方式进行对比，为工程实施以及设计方案的确定提供一些参考。

关键词：智能变电站；过程层组网；iec61850；vlanseveral process level networking schemes of digital substation and application in practical engineeringsu zhantao，zhan zhongguan(nari technology development co., ltd., nanjing 210061, jiangsu province, china)abstract:the digital substation is introduced to the process level concept. this artical is based on the authors who working on the engineering and designing, summarizing several typical networking schemes of digital substation and the application in different practical engineering, especially focus on the contrasting of goose networking, smv point-to-point directly acquisition and mixed type of networking in the process level. providing some reference resources for the engineering and designingkey word: digital substation, process level networkingschemes,iec61850, vlan中图分类号：tm63文献标识码： a 文章编号：0 引言一般认为，智能变电站的系统架构分为站控层、间隔层和过程层，站控层和间隔层之间的网络为制造报文规范网(rnanufacmringmessagespecification,mms)，间隔层和过程层之间的网络为过程层网，过程层网络包括采样值网(sampledmeasuredvalue,smv)和面向对象的变电站通用事件网(genericobjectorienwasubstationevent,goose) 。