淺析層組網(wǎng)在高電壓等級智能變電站使用分析

摘要：智能站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行狀況對智能變電站的可靠、安全運行影響尤為重要。過程層網(wǎng)絡(luò)作為智能變電站的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，直接關(guān)系到全站數(shù)據(jù)采集和保護(hù)運行的可靠性和實時性。在數(shù)字化變電站發(fā)展過程中，獨立組網(wǎng)到全站共網(wǎng)再到直采直跳模式等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在GOOSE組網(wǎng)應(yīng)用中各存優(yōu)缺點，文章針對不同電壓等級變電站配置情況，利用網(wǎng)絡(luò)記錄分析對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量及延時等重要因素進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析，比較了各組網(wǎng)模式下的適用情況。

關(guān)鍵詞：智能變電站;直采直跳;組網(wǎng)模式

一 引言

智能變電站由智能化一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層構(gòu)建，一、二次設(shè)備的互聯(lián)、互通是以集成通信技術(shù)為基礎(chǔ)的，而要實現(xiàn)集成通信，必須使用通用的標(biāo)準(zhǔn)。以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的通信體系，具有突出的技術(shù)特點：使用面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)，使用分布、分層體系，使用ACSI、SCSM技術(shù)，使用MMS技術(shù)，具有互操作性，具有面向未來的開放的體系結(jié)構(gòu)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作。

在實際工程應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)電壓等級、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量、網(wǎng)絡(luò)通信介質(zhì)、經(jīng)濟(jì)性、安全性等因素確定GOOSE 的組網(wǎng)方式^[1，2]。

二 簡介常見組網(wǎng)形式

1.“多網(wǎng)融合”模式

全站三層設(shè)備設(shè)置一層網(wǎng)絡(luò)，單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并按照IEC61850協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)建模及信息傳輸，通信介質(zhì)采用光纖。站控層設(shè)備、智能組件及主變保護(hù)測控裝置均接入該層網(wǎng)絡(luò)。采用MMS、GOOSE、SV和IEEE1588四網(wǎng)合一方式。

MMS、GOOSE、SV和1588全部在一個以太網(wǎng)中傳輸，簡化了網(wǎng)絡(luò)及交換機(jī)配置。保護(hù)仍然采用直采直跳方式，即保護(hù)所需模擬量、開關(guān)量和跳閘信息均通過專用光纖直聯(lián)，通信規(guī)約采用IEC61850-9-2。閉鎖信息、母線保護(hù)所需數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)方式傳輸。GOOSE是一種突發(fā)式的高實時低帶寬流量，在間隔內(nèi)和最大情況下只有10%負(fù)載，與采樣值交換機(jī)共網(wǎng)運行完全不會影響GOOSE的實時性。交換機(jī)技術(shù)和VLAN技術(shù)的不斷發(fā)展，使得“四網(wǎng)”合一變得可能。

1）網(wǎng)絡(luò)延時不穩(wěn)定，對保護(hù)快速動作造成不利影響;

2）對交換機(jī)的依賴性較強(qiáng)，當(dāng)交換機(jī)發(fā)生故障時存在造成保護(hù)誤動的風(fēng)險;

3）對GPS的同步信號依賴性很強(qiáng)，當(dāng)同步信號丟失后，可能會造成各側(cè)的采樣不同步，對保護(hù)運行帶來極大風(fēng)險。

由于過程層采樣均為80點采樣，數(shù)據(jù)運算量較大，因此高電壓等級變電站中對網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、可靠性要求較高，網(wǎng)絡(luò)造價十分龐大。

2.單獨組網(wǎng)模式

站內(nèi)各層網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部以及層次之間采用高速通信網(wǎng)絡(luò)。圖圖2-1展示了一個典型智能變電站結(jié)構(gòu)方案。

a.GOOSE 獨立組網(wǎng)?；贕OOSE 傳送的信息對實時性以及可靠性的要求，GOOSE 網(wǎng)絡(luò)采用獨立組網(wǎng)，IED 裝置具備獨立的GOOSE 通信口。獨立組網(wǎng)優(yōu)點在于：避免了與不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)的同網(wǎng)傳輸，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?數(shù)字化變電站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)之間基于物理隔離，某一網(wǎng)絡(luò)故障不會影響到另一網(wǎng)絡(luò)的運行，提高了數(shù)字化變電站的安全性。

b.SMV單獨組網(wǎng)

數(shù)字化變電站內(nèi)共用網(wǎng)絡(luò)方式。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，采樣報文基于IEC61850-9-2 標(biāo)準(zhǔn)，過程層網(wǎng)絡(luò)與變電站層網(wǎng)絡(luò)合并是數(shù)字化變電站組網(wǎng)方式發(fā)展的目標(biāo)。這種組網(wǎng)方式的優(yōu)點在于：間隔層智能設(shè)備僅需一個通信口，降低了智能設(shè)備的成本，同時降低了數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

3.GOOSE組網(wǎng)+直采直跳模式

針對IEC61850-9-2模式存在的不利因素，出于電網(wǎng)安全可靠性的要求，智能變電站技術(shù)導(dǎo)則提出了直采直跳模式（即點對點模式），直接采樣是指智能電子設(shè)備間不經(jīng)過以太網(wǎng)交換機(jī)而是以點對點光纖直聯(lián)方式進(jìn)行采樣值傳輸，直接跳閘是指智能電子設(shè)備間不經(jīng)過以太網(wǎng)交換機(jī)而以點對點光纖直聯(lián)方式進(jìn)行跳合閘信號的傳輸，而繼電保護(hù)之間的聯(lián)閉鎖信息、失靈啟動等信息宜采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。

相對于傳統(tǒng)的基于IEC61850-9-2組網(wǎng)接入方式，SV直采方式省去了間隔交換機(jī)，MU的數(shù)據(jù)經(jīng)光纖接入保護(hù)裝置，且MU為保護(hù)提供的電流數(shù)據(jù)不再需要同步脈沖信號，所以就降低了對外部同步脈沖信號的依賴性，同時由于過程層采樣數(shù)據(jù)運算量較大，對合并單元硬件設(shè)備要求較高，目前以220kV云會變實際應(yīng)用來看，采用400MHz采樣CPU可以達(dá)到理想效果。

全站時鐘源采用GPS和“北斗”雙時鐘源配置，對時方式采用B碼或IEEE1588網(wǎng)絡(luò)對時，使對時精度達(dá)到毫秒級以上，滿足計量和故障測距及PMU的要求。

三 網(wǎng)絡(luò)對比分析

直采直跳方案采用了設(shè)備分層（站控層、間隔層和過程層）、網(wǎng)絡(luò)分開（GOOSE、SV和MMS）、對時分類（站控層采用SNTP對時，過程層采用B碼對時），各保護(hù)與合并單元和智能終端交換數(shù)據(jù)沒有采用網(wǎng)絡(luò)方式，但各裝置對時大量采用IRIG-B碼串口對時，導(dǎo)致增加大量光纜和電纜，且由于各層網(wǎng)絡(luò)的獨立設(shè)置，必須為此增加更多的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。使得變電站設(shè)備冗余，投資增加，在電壓更高等級的變電站中，出于電網(wǎng)安全和可靠性的考慮，增加這些設(shè)備和投資顯得必要。

SMV點對點+GOOSE網(wǎng)易于實現(xiàn)，點對點的光纖網(wǎng)絡(luò)布線過于復(fù)雜，且信息共享程度較低，IEC60044-8和IEC61850-9-1已被國際電工委員會廢除。SMV網(wǎng)、GOOSE分別單獨組網(wǎng)，交換機(jī)投資較大，而且實際上對于保護(hù)來說即使單獨組網(wǎng)，其任何采樣值（輸入）還是GOOSE（輸入輸出）故障都將影響保護(hù)的判別，因此單獨組網(wǎng)意義不大。SMV與GOOSE共網(wǎng)，主要取決于網(wǎng)絡(luò)的流量，需根據(jù)變電站的電壓等級、規(guī)模合理組網(wǎng)。

表3-1 各種組網(wǎng)形式優(yōu)缺點分析

組網(wǎng)方式

描" 述

優(yōu)" 點

缺" 點

SMV點對點+GOOSE網(wǎng)

采樣值點對點

技術(shù)上易于實現(xiàn)

采樣值數(shù)據(jù)無法共享，跨間隔功能實現(xiàn)困難，不符合智能電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化、開放性要求。

SMV網(wǎng)+ GOOSE網(wǎng)

采樣值數(shù)據(jù)與GOOSE信號完全獨立傳輸

技術(shù)上易于實現(xiàn)，SMV數(shù)據(jù)與GOOSE信號傳輸完全獨立。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運行維護(hù)不方便，交換機(jī)數(shù)量多，若再考慮網(wǎng)絡(luò)冗余方式，交換機(jī)的投資巨大。

SMV、GOOSE時鐘同步共網(wǎng)

采樣值數(shù)據(jù)、GOOSE和時鐘同步信號在同一物理網(wǎng)絡(luò)上傳輸

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，SMV、GOOSE、同步信號共網(wǎng)，運行簡單，維護(hù)方便，交換機(jī)投資少。

對交換機(jī)、合并單元、智能單元、保護(hù)測控等裝置數(shù)據(jù)處理能力要求高，需支持IEC6 1588，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和交換機(jī)的配置方式要求較高，尤其是故障錄波器、母差等全站式應(yīng)用裝置需要具備多個百兆流量處理能力。

四 實際工程樣例

220kV云會變220kV部分為四進(jìn)線雙母接線，110kV單母分段五條出線，遠(yuǎn)景11條，采用過程層GOOSE組網(wǎng)+直采直跳模式，每個間隔配置100M MOXA工業(yè)交換機(jī)，對時采用光纖B碼對時，采樣值傳輸協(xié)議采用IEC61850-9-2LE標(biāo)準(zhǔn)。對于保護(hù)用數(shù)據(jù)（線路保護(hù)、母差保護(hù)測控、故障錄波、計量、報文記錄分析）采用雙A/D，80 點/周波采樣率，對于同步測量分析用數(shù)據(jù)（PMU、電能質(zhì)量分析等）采用200點/周波采樣率，兩種采樣率數(shù)據(jù)在合并單元共網(wǎng)口輸出。通過報文數(shù)據(jù)分析儀監(jiān)測，單間隔采樣數(shù)據(jù)在900～980kb/s，網(wǎng)絡(luò)延遲在幾個ms級，即使在動態(tài)過程中，由于采樣網(wǎng)與GOOSE跳閘為直連模式，在過程層GOOSE網(wǎng)流量增加并不明顯。

五 結(jié)語

本文對智能化變電站及IEC61850的應(yīng)用情況進(jìn)行了概述，對目前國內(nèi)常見智能變電站過程層組網(wǎng)形式進(jìn)行了總結(jié)。

（1）著重對直采直跳組網(wǎng)模式網(wǎng)絡(luò)運行情況加以分析，共同組網(wǎng)模式較適用于低電壓等級采樣數(shù)據(jù)較少變電站;直采直跳模式試點的成功，更適用于高電壓等級變電站，較好地兼顧了實時性與成本預(yù)算，220kV及以上電壓等級變電站若采用SV組網(wǎng)模式，必須考慮使用千兆交換機(jī)及組播技術(shù)，且還要兼顧變電站擴(kuò)建帶來的瓶頸限制，成本難以控制。

（2）針對杭州220kV云會變的工程實例，對各種組網(wǎng)形式進(jìn)行了對比分析，現(xiàn)場運行情況良好且日后擴(kuò)建較為容易。本工程的實施對高電壓等級傳統(tǒng)變電站智能化改造中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用具有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖韜，林知明，田麗平.關(guān)于變電站GOOSE通信方案的研究[J].華東交通大學(xué)學(xué)報，2008，25（4）：66-70.

[2]曹海歐，嚴(yán)國平，徐 寧，李 澄.數(shù)字化變電站GOOSE組網(wǎng)方案[J].電力自動化設(shè)備，2011，31（4）：143-150.

[3]徐成斌，孫一民.數(shù)字化變電站過程層GOOSE[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，31（19）：91-94.