220kV智能变电站网络结构及交换机配置优化方案研究

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。

近年来基于IEC61850标准的智能变电站建设越来越多，多数220kV的智能变电站配置站控层、间隔层和过程层3层结构。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成为可能。

本文描述的智能变电站含2个电压等级220/66kV，2台主变压器，4回220kV出线，10回66kV出线，220kV配电装置采用双母线接线，66kV采用单母线分段接线。通过经济技术比较，提出了220kV智能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。

智能变电站设备的整合优化

1)智能化的一次设备。一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序控制器代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。

220kV智能变电站220kV配电装置集成智能接口装置，包括合并单元和智能终端，智能接口装置对外接口均为光纤以太网口，实现了一次设备对二次的智能接入。

2)网络化的二次设备。变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、测量控制装置、防误闭锁装置、远动装置、故障录波装置、同期操作装置以及在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现功能装置重复的I/O现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置变成了逻辑的功能模块。

3)数字化的计量设备。有数字接口的计量装置不再需要模拟量采集回路。模拟量是通过网络获取电流、电压的瞬时采样值，通过采取适当的算法进行电能的计算。因此全数字化的计量装置可以集成到保护测控装置中，即可实现保护、测量、控制和计量一体化。

网络优化与整合

智能化一次设备和网络化二次设备的使用，使通常三层两网的智能变电站网络结构得以优化整合。

相对于以往的智能变电站，本站采用两层设备一层网络，具备以下特点。

1)设备层内部的信息交换，如测量保护装置与合并单元之间采用直接采样的方式，与智能终端之间直接交互GOOSE信息。以上信息传输均不经过系统层网络，在系统层及系统层网络失效的情况下，仍能独立完成设备的信息采集、设备运行的控制和保护命令的执行等。而且所有双重化配置保护均采用直采直跳，采样值信息与GOOSE信息的传输通道在物理上完全独立，不存在共网传输的可能，当一个通道/设备异常或退出运行时不影响另一通道/设备的运行，完全满足智能变电站继电保护技术规范的要求。

2)设备层之间的信息交换，主要为跨间隔的跳闸及设备层各设备之间的联闭锁。220kV母线保护采用直接采样直接跳闸的方式，信息传输不需要经过网络，母线保护所需开入量(失灵启动、刀开关位置触点、母联断路器过电流保护启动失灵和主变压器保护动作解除电压闭锁等)采用GOOSE网络传输;66kV母线保护采用直接采样直接跳闸的方式。主变压器保护直接采样、直接跳闸各侧断路器;主变压器保护跳母联、分段断路器采用GOOSE网络传输。设备之间的联闭锁通过GOOSE网络实现，此类信息占用网络流量较少，且仅在正常操作引起设备变位时有信息交换。以上所有GOOSE信息均可以通过IEEE802.1p优先级排队协议设置较高的优先级等级，保证信息传输的实时性;同时可以通过GMRP组播技术保证数据的定向分流，如主变压器保护跳母联断路器的GOOSE报文仅发至母联间隔而不发到其他间隔，如图1所示。

3)设备层与系统层之间的信息交换，本站计算机监控系统主机(含保护信息管理子站、一次在线监测主机等功能)、远动主机、二次设备在线监测及故障录波系统主机直接接入系统层网络。其中二次设备在线监测及故障录波系统需采集采样值信息及各种GOOSE信息，网络流量较大。本站采用多端口镜像技术，二次设备在线监测及故障录波系统直接与各交换机通过光纤以太网相连，避免了大流量数据在系统层内部传输。其余各保护测控计量一体化装置上传信息、在线监测主IED、一体化电源系统等上传信息均为MMS信息，数据量小，且可通过GMRP技术实现信息的定向传输;本站由站域控制实现低周减载功能，通过GOOSE网络切除66kV负荷线路，此类信息通过交换机设置IEEE802.1p优先级排队协议，保证跳闸信息的实时性传输。

4)系统层内部的信息交换。此类信息主要为MMS信息及GOOSE信息，网络流量较少且对实时性要求不高。

5)全站的网络交换机均支持IEC61588协议，边界时钟的同步性能也不会受到网络负载影响。

基于以上分析，220kV智能变电站将过程层设备和间隔层设备整合为设备层设备，设备层设备与系统层设备之间为系统层网络;形成两层一网的网络结构。系统层MMS网络、采样值网络和GOOSE网络与61588对时网络共网传输。两层设备及逻辑接口的逻辑关系如图2所示。

智能变电站网络的流量分析

为避免交换机流入流量超负荷，使网络产生阻塞，依据全站交换机的配置原则，本节对智能变电站网络进行流量分析，分别针对星形网络和环形网络进行流量理论计算，得到如下结论。

(1)SMV数据流量

IEC61850-9-2工程中实际最大报文长度单间隔SMV理论计算流量，按照每帧1点(12个模拟量通道)计算，一个合并单元的数据流量为5.088Mbit/s。

(2)GOOSE数据流量

GOOSE工程中实际最大报文长度为6016bit，按照GOOSE的发送机制，一个智能设备变位时的最大数据流量为0.03Mbit/s。

(3)MMS数据流量

发生故障时是MMS数据流量最大的情况，包含遥测及遥信量，经过理论计算值为0.012Mbit/s。

(4)网络记录分析仪及故障录波系统

网络记录分析仪及故障录波系统自网络流出流量为SMV、GOOSE信息，数据流量较大，但对于网络流量分析需要的流入流量仅为MMS信息，理论计算值为0.012Mbit/s。

(5)公用设备数据流量

母线保护、公用测控装置和一体化电源系统等流入交换机的数据主要包含GOOSE、MMS信息，上述设备的数据流量分别按照GOOSE、MMS的理论计算值核算。

(6)流量计算

最恶劣情况下(如220kV母线保护动作切除220kV所有断路器)，全站数据流量统计如表1、表2所示。

双星形情况下A、B网冗余配置，B网主干交换机数据流量相当于A网主干交换机数据流量。

环形网络最大流量考虑当某一通道发生故障时，某一交换机发送信息到最远交换机的数据流量。

智能变电站网络的性能分析

本节结合上节得出的流量结果，分别针对星形网络和环形网络作出了性能分析。

本站使用两层一网的拓扑结构，使网络具备众多优点：网络简单，易于布线;扩展容易，不会引起网络中断;便于维护，任何一个间隔故障，仅需对交换机相关部分进行隔离，无需更换交换机;交换机数量少，投资少;任何网络通道故障，可以实现快速自愈，保证系统的稳定性。

网络性能、功能主要体现在以下几个方面。

(1)响应能力分析

测量数据、保护信号和控制命令等都要求实时传送。特别是出现故障时要求信息能在站内通信网络上快速传送，保证严格的时限要求。

实时性要求有以下3个方面：①传输速度快。指单位时间内传输的信息多。②响应时间短。指事件发生时，传输到网络上及执行器接收到该信息马上执行所需的时间。响应时间由执行器控制中断的能力、信息在通信协议的应用层与物理层之间的传输时间、等待网络空闲的时间和避免信息在网络上碰撞的时间4个方面的因素决定，这个时间对大多数通信协议是一个随机数。③巡回时间短。指系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需要的时间。

由于本站设备较少，星形和环形网络均能满足相应能力的要求。

(2)网络延时分析

网络延时定义为一帧报文从发送者到接收者的网络传输花费的全部时间。网络延时由以下4部分组成：①帧发送延时(Transmit Lantency，T0)。②交换延时(Save&Forward，T1)。③线路传输延时(Wire Latency，T2)。④帧排队延时(Queue Latency，T3)。

以上4种延时中，前3种延时由网络本身的硬件和软件决定，只有排队延时具有不确定性。要分析以太网延时，就必须分析出影响排队延时的因素，通过减小排队延时将有利于提高整个网络系统的实时性能。影响以太网通信延时的主要因素是节点数目和通信速率，也就是说网络负荷是造成通信延时的主要原因。

在电力系统中，站点之间传输的主要是短信息帧。当节点数目较少时，通信延时很小，随着节点数目的增加，延时也随之增大;同时，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络延时的减小，从而改善以太网的实时性能。

根据上节统计的数据流量，计算出两种结构的网络延时情况如表3所示。

计算表明，双星形网络在网络延时方面较环形网络有一定优势，但两者都能满足智能变电站系统层网络的要求。

(3)可靠性分析

网络可靠性表示网络连续无故障工作的能力，其判断依据是网络的任意两节点之间至少存在一条可通信的链路。经分析可得，环形网络和双星形网络均能满足变电站可靠性要求。

经济技术比较

3种方案的经济技术比较如表4所示。

经比较可以看出，3种方案均能满足智能变电站的需求，而两层一网环形网络的经济性大大超出其他两种方案，因此智能变电站推荐选择两层一网环网的组网方式。

智能交换机配置方案

220kV智能变电站以太网交换机要求具备以下功能：可靠性符合IEC61850-3标准;支持多环组网方案;Zero-Packet-Loss零丢包技术;满足C3级(-40～120℃)宽温度范围;满足IEC61000-6-5标准的抗电磁干扰能力;支持802.1QVLAN;支持802.1p优先级排队协议;支持GMRP组播技术;支持IEEE61588对时方式;每台交换机按16端口配置。

系统层网络采用环形配置方式，共2台公用交换机，其余交换机按电压等级配置。220kV每

2个间隔配置1台以太网交换机，共配置3台;66kV每段母线配置1台以太网交换机，共配置2台;每台主变压器配置1台以太网交换机，共配置2台。全站共配置9台以太网交换机。

继电器室内网络通信介质采用以太网线;通向户外的通信介质采用光缆;采样值和保护GOOSE等可靠性要求较高的信息传输采用光纤。

结束语

220kV智能变电站整站建立在IEC61850通信技术规范基础上，按分层分布式来实现智能变电站内智能电气设备间的信息共享和互操作性。本站按两层设备一层网络构建，两层为系统层和设备层，一层网络为系统层网络。

系统层网络通过千兆光纤以太网直接相连，采用环形配置方式，MMS网络、采样值网络、GOOSE网络与IEEE61588对时网络网络共同组网，满足网络通信可靠性、实时性的要求。

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