智能化變電站與傳統(tǒng)變電站網(wǎng)絡分析

陳 園，侯 贊

(1.長沙通信職業(yè)技術學院，湖南長沙 410015；2.湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙 410004)

電子技術、網(wǎng)絡通信技術的發(fā)展帶來了變電站中主要設備的發(fā)展與更新，智能化設備的發(fā)展,特別是智能開關、電子式互感器、智能組件等設備的出現(xiàn),使二次系統(tǒng)技術逐步與一次系統(tǒng)融合。IEC61850的出臺為變電站建立了完整的新一代變電站網(wǎng)絡通信體系。網(wǎng)絡通信技術的發(fā)展，為變電站提供了信息數(shù)字化通信的手段，將改變變電站的綜合自動化系統(tǒng)原有的結構，一直阻礙變電站自動化發(fā)展的信息傳輸和共享的機制將得到解決。隨著這些技術的發(fā)展和成熟，變電站自動化的發(fā)展進入了一個全新的階段，智能化變電站得到了飛速的發(fā)展。

智能化變電站的功能實現(xiàn)依賴于網(wǎng)絡通信，構建高速、可靠、開放的通信網(wǎng)絡是智能化變電站的核心技術和前提條件之一。在智能化變電站中，由于過程網(wǎng)絡的出現(xiàn)，智能化變電站通信網(wǎng)絡在數(shù)據(jù)流、網(wǎng)絡結構、功能和性能方面與傳統(tǒng)的變電站存在較大的差異。

1 傳統(tǒng)變電站的綜合自動化系統(tǒng)

傳統(tǒng)變電站現(xiàn)在多為兩層式結構，在兩層式綜合自動化系統(tǒng)中，站控層分別配置SCADA監(jiān)控主機（單機或主備雙機）、操作員站、保護工程師站及五防主機等；監(jiān)控層裝置采用單網(wǎng)或雙網(wǎng)組網(wǎng)，通過工業(yè)以太網(wǎng)方式直接接入監(jiān)控網(wǎng)絡。在站控層和網(wǎng)絡失效的情況下，間隔層能獨立的完成就地數(shù)據(jù)采集和控制功能。

對于條件不具備的分散式低壓保護測控裝置，現(xiàn)場采用一種折衷方案是將低壓保護測控裝置采用現(xiàn)場總線方式組網(wǎng)，再通過通信控制器或規(guī)約轉換器接入站控層監(jiān)控網(wǎng)。這種方案將依然無法避免低壓保護測控部分的通信瓶頸問題。

兩層式變電站綜自系統(tǒng)的典型網(wǎng)絡結構如圖1所示。

圖1 兩層式變電站綜自系統(tǒng)結構圖

傳統(tǒng)變電站中，間隔保護和測控單元、錄波裝置、計量裝置、公用保護與一次設備之間均采用電纜連接方式。間隔單元和公用保護之間的連接也是采用電纜連接方式。計量系統(tǒng)和故障信息子站都是采用各自獨立的網(wǎng)絡。監(jiān)控設備和不同廠家之間的IED設備之間的網(wǎng)絡連接大多采用串口通信方式。

2 智能化變電站的綜合自動化系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的變電站比較，智能化變電站的網(wǎng)絡結構發(fā)生了較大的變化，IEC 61850提出過程層、間隔層、站控層三層式網(wǎng)絡結構模型[1]，建議采用高速以太網(wǎng)、面向對象建模、嵌入式實時操作系統(tǒng)(real-time operating system，RTOS)、軟件復用以及XML(extensible markup language)等技術，不僅能夠滿足電力系統(tǒng)對實時和可靠性等方面的要求，而且可以有效地解決設備之間的信息共享以及系統(tǒng)的擴展等問題[2]。目前智能設備采用一次設備+智能組件模式，智能變電站分為過程層、間隔層、站控層三個層次和過程層網(wǎng)絡、站控層網(wǎng)絡兩網(wǎng)的形式。

智能化變電站的綜合自動化系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 智能化變電站綜自系統(tǒng)結構圖

下面就智能化變電站的三層兩網(wǎng)式結構以及網(wǎng)絡設備的要求進行詳細分析。

2.1 智能化變電站中全站網(wǎng)絡及設備的要求

站控層、間隔層、過程層組網(wǎng)方式應采用三層結構兩層網(wǎng)絡，變電站中三種網(wǎng)絡，即過程層SV網(wǎng)絡、過程層GOOSE網(wǎng)絡、站控層MMS網(wǎng)絡，必須滿足完全獨立的要求，IED設備應通過相互獨立的數(shù)據(jù)接口控制器接入不同的網(wǎng)絡。220kV及以上電壓等級變電站的站控層網(wǎng)絡應采用雙網(wǎng)星型結構，110kV及以下電壓等級變電站宜采用單網(wǎng)星型結構。220kV及以上電壓等級變電站的過程層GOOSE網(wǎng)絡應采用雙網(wǎng)星型結構，110kV電壓等級宜采用雙網(wǎng)星型結構。電子式互感器、MU、保護裝置、智能終端、過程層網(wǎng)絡交換機等設備之間應采用光纖連接，正常運行時，應有實時監(jiān)測光纖連接狀態(tài)的措施。繼電保護與故障錄波器應共用站控層網(wǎng)絡上送信息。IED設備應以點對點方式采集SV數(shù)據(jù)。繼電保護設備與本間隔智能終端之間通信應采用GOOSE點對點通信方式。間隔內以及間隔之間的閉鎖信息、母差保護、失靈保護等公用保護與各間隔之間等信息宜采用GOOSE網(wǎng)絡傳輸方式。交換機的VLAN劃分應采用最優(yōu)路徑方法。

2.2 智能化變電站網(wǎng)絡的基本組成

1） 過程層網(wǎng)絡

過程層網(wǎng)絡作為一次設備如變壓器、斷路器、隔離開關、互感器、電容器、電抗器等過程層一次設備與保護、測控、計量、錄波、公用保護等IED設備之間的連接通信網(wǎng)絡，應能可靠的傳輸GOOSE報文和采樣值SV報文，而且要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、實時性和可共享性。作為IEC61850的一部分，過程層網(wǎng)絡的所有做法都遵守IEC61850的要求。過程層得網(wǎng)絡化在構建智能化變電站的進程中起著決定性的作用，也是智能化變電站與傳統(tǒng)變電站的一個重要的區(qū)分點。智能化變電站是否安全運行主要處決于過程層網(wǎng)絡的安全性和可靠性。

2）變電站層網(wǎng)絡

變電站層網(wǎng)絡是連接間隔層IED設備與變電站層設備的網(wǎng)絡。傳統(tǒng)變電站中變電站層網(wǎng)絡普遍采用103串口通信規(guī)約。隨著過程層的網(wǎng)絡化以及各個IED設備之間信息的共享化，智能化變電站中變電站層網(wǎng)絡通信的數(shù)據(jù)較之傳統(tǒng)變電站有了明顯的增加，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡結構不能滿足數(shù)據(jù)通信的要求，智能化變電站需要采用100M的以太網(wǎng)來完成MMS數(shù)據(jù)傳輸和變電站GOOSE聯(lián)閉鎖等功能；上送電網(wǎng)調度中心需要的數(shù)據(jù)信息；向間隔層、過程層轉發(fā)調度控制中心的控制命令；實現(xiàn)站內監(jiān)控和人機對話等功能[3]。

智能化變電站的站控層網(wǎng)絡和過程層網(wǎng)絡以載波監(jiān)聽多路訪問技術以及沖突檢測技術為核心的IEEE802.3標準規(guī)定的以太網(wǎng)為基礎。以太網(wǎng)不是一種具體的網(wǎng)絡，是一種基帶局域網(wǎng)技術規(guī)范[4]。智能變電站中主要采用光纖和雙絞線為連接介質。

交換機是通信網(wǎng)絡中的重要設備，變電站中交換機有兩種，一種是電交換機，一種是光交換機。光交換機比電交換機具有更好的特性，主要應用于智能化變電站的過程層網(wǎng)絡中，在綜合考慮可靠性和經(jīng)濟性的基礎上，智能化變電站站控層網(wǎng)絡以電以太網(wǎng)交換機為主。

3)GOOSE網(wǎng)絡、SV網(wǎng)絡、MMS網(wǎng)絡

GOOSE（Generic Object Oriented Substation Events），是為了解決網(wǎng)絡報文的快速和可靠傳輸而提出來的用在間隔層與過程層之間、不同間隔之間的報文傳輸。是信息快速傳輸和交換的重要基礎。

當變電站內一次設備的狀態(tài)發(fā)生變化時，或者是起動元件動作、繼電器接點動作時，IED設備能做出及時的響應，將事件報告高速上傳。報告能夠以一定的時間間隔進行重發(fā)。第一次重發(fā)的時間一般不固定。GOOSE報告?zhèn)鬏敵晒Ω怕矢?，能夠實現(xiàn)跳閘信號的可靠快速傳輸。

GOOSE網(wǎng)絡的傳輸時間如圖3所示。

圖3 GOOSE網(wǎng)絡傳輸時間圖

GOOSE網(wǎng)絡能夠實現(xiàn)裝置間快速信息通信以及網(wǎng)絡本身的在線檢測，不僅能夠傳送開關量，還可以傳遞變化不快的模擬量，實現(xiàn)了用網(wǎng)絡代替點對點的硬電纜，不僅能夠降低工程造價，又能縮短工期，在更改接線時也不需要配線，只需要更改配置文件，是變電站智能化改造實施的關鍵。

SV（Sampled Values），采樣值。是基于發(fā)布/訂閱機制，交換采樣數(shù)據(jù)集中的采樣值的相關模型對象和服務，以及這些模型對象和服務到ISO/IEC8802-3幀之間的映射。

MMS（ManufacturingMessageSpecification），是ISO/IEC9506標準所定義的一套用于工業(yè)控制系統(tǒng)的通信協(xié)議[5]。它規(guī)范了智能控制設備和智能電子設備（IED）等設備的通信行為，使不同廠商的設備具有互操作性[6]。

3 結束語

作為智能電網(wǎng)的節(jié)點和重要組成部分，與傳統(tǒng)變電站相比，智能變電站結構更加緊湊、系統(tǒng)集成度更高、信息能夠交互、運行更加安全可靠，智能變電站能夠在技術上更好地滿足智能電網(wǎng)信息化、自動化和互動化的要求，更好地支撐智能電網(wǎng)其他部分的建設，更好地服務于電網(wǎng)資源的優(yōu)化配置和提高資源的使用效率。

[1]IEC．IEC 61850:Communication networks and systems in substations[S].2004.

[2]高翔,張沛超.數(shù)字化變電站的主要特征和關鍵技術[J].電網(wǎng)技術,2006,30(23):67-71.

[3]孟凌峰,袁文廣,于泳.淺析數(shù)字化變電站的工程實施方案[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2009,37(8):86-88,92.

[4]鄧一鳴,熊華鋼,宋麗娜.交換式以太網(wǎng)的計算機建模與仿真[J]. 計算機工程與應用,2004，（4）：53-55.

[5]李紫龍,葉進,呂燕石.制造報文規(guī)范在變電站自動化系統(tǒng)中的研究與應用[J].低壓電器,2010,(12).

[6]Anderson L,Brunner C.Substation automation based on IEC 61850 with new process-close technology[C].IEEE PowerTech Conference,Bologna,Italy,2003.