220kV宜興智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

王曉虎

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京市102206;2.江蘇省電力設(shè)計院，南京市211102)

0 引言

智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)一般分為過程層、間隔層和站控層。過程層設(shè)備主要包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電流和電壓互感器等一次設(shè)備及其所屬的智能組件以及獨立的智能電子裝置。一次設(shè)備的選擇和基于此選擇的過程層網(wǎng)絡(luò)配置直接關(guān)系到變電站保護(hù)、測控、遠(yuǎn)動功能的可靠實現(xiàn)。本文將結(jié)合220kV宜興智能變電站工程建設(shè)，進(jìn)行過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

1 建設(shè)規(guī)模

主變壓器:遠(yuǎn)期3×240 MVA，電壓等級為220/110/10kV。本期建設(shè)2×180 MVA。

220kV線路側(cè):選用戶內(nèi)GIS設(shè)備，遠(yuǎn)期8回，本期建設(shè)4回，本期及遠(yuǎn)景均采用雙母線接線。

110kV線路側(cè):選用戶內(nèi)GIS設(shè)備，遠(yuǎn)期14回，本期建設(shè)8回，本期及遠(yuǎn)景均采用雙母線接線。

10kV線路側(cè):遠(yuǎn)期36回，本期20回，本期采用單母線4分段接線，遠(yuǎn)景采用單母線6分段接線。

2 設(shè)備配置

2.1 一次設(shè)備

(1)電流互感器(current transformer，CT)。220kV間隔、110kV間隔及主變高、中壓側(cè)采用全光纖型CT;10kV間隔及主變套管采用常規(guī)CT。

(2)電壓互感器(potential transformer，PT)。220、110kV母線均采用電容分壓型電子式PT;10kV母線采用常規(guī)PT，并采用帶模擬量插件的合并單元進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。

2.2 二次設(shè)備

(1)保護(hù)、測控設(shè)備。每臺主變配置2套保護(hù)設(shè)備，1套測控設(shè)備;每回220kV線路(母聯(lián))配置2套保護(hù)設(shè)備，1套測控設(shè)備;每回110kV線路(母聯(lián))配置1套保護(hù)、測控合一裝置;220kV線路配置2套母線保護(hù)設(shè)備，110kV線路配置1套母線保護(hù)設(shè)備。

(2)故障錄波器。主變配置2套故障錄波器，220kV線路配置2套故障錄波器，110kV線路配置1套故障錄波器。

(3)合并單元。1)根據(jù)保護(hù)雙重化的需求，220kV線路、母聯(lián)，主變各側(cè)合并單元按2套配置。2)110kV線路、母聯(lián)合并單元按1套配置。3)10kV線路、電容器、接地變CT不配置合并單元。4)220、110kV電壓等級母線PT合并單元按2套配置，含PT并列功能;10kV母線采用常規(guī)PT，分段開關(guān)聯(lián)接的2段母線配置雙套合并單元，要求合并單元帶模擬量采集插件，含PT并列功能。

(4)智能終端。220kV GIS設(shè)備:設(shè)置2套智能終端(母線間隔單套配置)，統(tǒng)一控制間隔內(nèi)斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)。110kV GIS設(shè)備:設(shè)置1套智能終端，統(tǒng)一控制間隔內(nèi)斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)。主變低壓側(cè)分支:每個分支設(shè)置2套智能終端，統(tǒng)一控制間隔內(nèi)斷路器、手車、接地開關(guān)等。主變本體:每臺主變本體配置1臺智能終端。

3 過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

根據(jù)國家電網(wǎng)公司對智能變電站信息傳輸“直采直跳”的要求，宜興變電站采樣值信息采用點對點方式傳輸，GOOSE信息采用網(wǎng)絡(luò)方式傳輸，保護(hù)出口采用直跳方式。

3.1 GOOSE網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

3.1.1 星型結(jié)構(gòu)

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因交換機(jī)連接的各連接節(jié)點呈星狀分布而得名。在這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中有中央節(jié)點(公用交換機(jī))和其他節(jié)點(二次設(shè)備交換機(jī))，后者都與中央節(jié)點直接相連，這種結(jié)構(gòu)以中央節(jié)點為中心。

優(yōu)點:網(wǎng)絡(luò)簡單，易于布線;擴(kuò)展容易;便于維護(hù)，任一臺間隔交換機(jī)故障，都可以方便隔離，不影響其他間隔;公用交換機(jī)故障，僅影響公用智能電子設(shè)備，不影響間隔智能電子設(shè)備;傳輸環(huán)節(jié)少、速度快，從任一設(shè)備到另一設(shè)備至多經(jīng)過3臺交換機(jī);報文延時固定;結(jié)構(gòu)上無廣播風(fēng)暴的風(fēng)險。

缺點:公用交換機(jī)負(fù)擔(dān)較大，檢修時將影響公用智能電子設(shè)備;交換機(jī)數(shù)量較多，成本相對較高，但間隔交換機(jī)所需端口最少，而端口數(shù)量影響交換機(jī)價格，整個網(wǎng)絡(luò)成本應(yīng)結(jié)合工程具體情況分析確定。

3.1.2 環(huán)型結(jié)構(gòu)

環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由各交換機(jī)互相連接成閉環(huán)。

優(yōu)點:網(wǎng)絡(luò)冗余度好，網(wǎng)線或光纖故障時采用快速生成樹協(xié)議(rapid spanning tree protocol，RSTP)自動重新組態(tài)，不影響交換機(jī)及設(shè)備運行;交換機(jī)數(shù)量較少，成本相對較低，但間隔交換機(jī)所需端口最多，而端口數(shù)量影響交換機(jī)價格，整個網(wǎng)絡(luò)成本應(yīng)結(jié)合工程具體情況確定。

缺點:網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議復(fù)雜;擴(kuò)展困難，增加交換機(jī)設(shè)備時，需要將網(wǎng)絡(luò)打開重新組環(huán);維護(hù)、隔離比較困難，任一交換機(jī)檢修，網(wǎng)絡(luò)變?yōu)榭偩€結(jié)構(gòu);報文延時不固定，網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)數(shù)量多時影響網(wǎng)絡(luò)速度;使用公有協(xié)議時自愈時間可能達(dá)到數(shù)百ms，將影響保護(hù)功能;使用私有協(xié)議時自愈時間減少到數(shù)10 ms，但不同廠家設(shè)備不能組網(wǎng);結(jié)構(gòu)上存在廣播風(fēng)暴的風(fēng)險。

星型結(jié)構(gòu)過程層網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)性能上顯著占優(yōu)，但該方案將導(dǎo)致交換機(jī)數(shù)量明顯增多;考慮到該方案中單臺交換機(jī)端口數(shù)與環(huán)型共享交換機(jī)相比略有減少，可免去網(wǎng)絡(luò)管理這部分軟、硬件成本并降低人員維護(hù)方面的成本。綜合來看，星型網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備綜合價未必會增加，推薦采用星型結(jié)構(gòu)構(gòu)建宜興變電站的過程層 GOOSE 網(wǎng)絡(luò)［1-2］。

GOOSE報文心跳間隔為系統(tǒng)配置的T0，對于保護(hù)，取 T0=0.5 s。Qgoose=6 016 字節(jié)/幀 × 8 bit/字節(jié) × (1/0.5)/s=0.96 Mbit/s，其中，6 016 字節(jié)/幀是歸一化后的GOOSE數(shù)據(jù)包的長度。

可見，每個間隔流量一般不超過1 Mbps。宜興變電站最大的數(shù)據(jù)流量將出現(xiàn)在110kV過程層中心交換機(jī)母差的端口。110kV母差保護(hù)遠(yuǎn)景間隔數(shù)量為14(線路)+3(主變)+1(母聯(lián))+2(母線PT)=20，GOOSE總帶寬不大于1 MB×20=20 MB，選用100 MB交換機(jī)可保證總帶寬在安全范圍(40%)內(nèi)。

3.2 采樣值傳輸

目前，智能變電站采樣值傳輸協(xié)議主要有2種設(shè)計方案［3-8］，方案1:基于點對點方式的IEC 60044-7/8標(biāo)準(zhǔn)(FT3)方案;方案2:基于網(wǎng)絡(luò)方式的IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)方案。

方案1的優(yōu)點是采樣值傳輸延遲固定，可以在接收端實現(xiàn)插值同步(不需要全站集中同步源)且通過FPGA實現(xiàn)硬件并行處理;缺點是不同廠家互操作困難(廠家可私有擴(kuò)展且使用專用硬件實現(xiàn))，不符合整體的IEC 61850智能變電站通信發(fā)展趨勢。

方案2采用以太網(wǎng)傳輸方式，它是從IEC 61850模型配置的角度出發(fā)而制定的采樣數(shù)據(jù)共享協(xié)議，其優(yōu)勢在于采樣值數(shù)據(jù)的自由配置和共享，但合并單元與保護(hù)測控裝置之間的數(shù)據(jù)匹配過程復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)帶寬和CPU編解碼的開銷較大，具有一定的實現(xiàn)難度(靈活性和效率之間的固有矛盾)。本方案體現(xiàn)了IEC 61850的復(fù)雜、通用和建模等方面的特點，代表了技術(shù)發(fā)展的趨勢。

推薦宜興變電站采樣值傳輸協(xié)議采用IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 方案實施

3.3.1 總體方案

采樣值信息采用點對點方式傳輸，采樣值傳輸協(xié)議采用IEC61850－9－2標(biāo)準(zhǔn)。圖1為本工程采樣值信息傳輸示意(以1號主變220kV側(cè)A網(wǎng)為例)。

圖1 1號主變220kV側(cè)采樣值信息傳輸示意(A網(wǎng))Fig.1 Sampling value transmission of No.1 transformer at 220kV side(network A)

GOOSE網(wǎng)絡(luò)按電壓等級分別組網(wǎng):220kV過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)按2套物理獨立的單網(wǎng)配置;110kV過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)按單網(wǎng)配置;主變110kV側(cè)、10kV側(cè)過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)按2套物理獨立的單網(wǎng)配置，其中1套與110kV過程層網(wǎng)絡(luò)共網(wǎng);其余10kV不設(shè)獨立的過程層網(wǎng)絡(luò)，其GOOSE信息利用站控層網(wǎng)絡(luò)傳輸。

過程層交換機(jī)采用面向間隔的原則配置，采用多間隔共用交換機(jī)方式，全站過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)均采用100 MB星型以太網(wǎng)。

3.3.2 過程層交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)配置

(1)220kV過程層交換機(jī)。

220kV過程層中心交換機(jī):雙網(wǎng)配置(A、B網(wǎng))。冗余配置4臺100 MB以太網(wǎng)交換機(jī)(A、B網(wǎng)各2臺)，每臺帶16個100 MB多模光口(間隔過程層交換機(jī)級聯(lián)口8個，中心交換機(jī)級聯(lián)口1個，母線智能終端2個，母線EVT合并單元、母線保護(hù)裝置、母線測控裝置、220kV故障錄波器、主變故障錄波器各1個)。交換機(jī)本期及遠(yuǎn)景共計4臺。

220kV線路、母聯(lián)間隔交換機(jī):雙網(wǎng)配置(A、B網(wǎng))。每2個間隔冗余配置2臺100 MB以太網(wǎng)交換機(jī)，每臺帶16個100 MB多模光口(每間隔保護(hù)裝置、測控裝置、光學(xué)電流互感器(optical current transducers，OCT)合并單元、電子式電壓互感器(electronic voltage transformer，EVT)合并單元、智能終端各占1個光口，2個間隔共計10個光口，交換機(jī)級聯(lián)口占1個光口)。交換機(jī)本期共計6臺，遠(yuǎn)景共計10臺。

主變220kV側(cè)間隔交換機(jī):雙網(wǎng)配置(A、B網(wǎng))。每間隔冗余配置2臺100 MB以太網(wǎng)交換機(jī)(A、B網(wǎng))，每臺帶16個100 MB多模光口(每間隔保護(hù)裝置、220kV側(cè)和本體測控裝置、220kV側(cè)OCT合并單元、本體繞組合并單元、EVT合并單元、220kV側(cè)智能終端、本體智能終端各占1個光口，交換機(jī)級聯(lián)口占1個光口)。交換機(jī)本期共4臺，遠(yuǎn)景共6臺。

(2)220kV過程層網(wǎng)絡(luò)。按照宜興變電站遠(yuǎn)景規(guī)模，共需配置220kV過程層交換機(jī)20臺(A、B網(wǎng)各10臺)。以A網(wǎng)為例，220kV過程層網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 220kV過程層網(wǎng)絡(luò)示意(A、B網(wǎng)同)Fig.2 220kV process-level network(network A＆B)

(3)110kV過程層交換機(jī)。

110kV過程層中心交換機(jī):雙網(wǎng)配置(A、B網(wǎng))，A網(wǎng)用于110kV線路、母聯(lián);B網(wǎng)僅用于主變110kV側(cè)。A網(wǎng)配置1臺100 MB以太網(wǎng)交換機(jī)，帶16個100 MB多模光口(間隔過程層交換機(jī)級聯(lián)口8個，母線智能終端2個，母線EVT合并單元、母線保護(hù)裝置、母線測控裝置、110kV故障錄波器各1個)。B網(wǎng)配置1臺100 MB以太網(wǎng)交換機(jī)，帶16個100 MB多模光口(間隔過程層交換機(jī)級聯(lián)口3個，母線智能終端2個，母線EVT合并單元、母線和母聯(lián)測控裝置各1個)。交換機(jī)本期及遠(yuǎn)景共計2臺。

110kV線路、母聯(lián)間隔交換機(jī):單網(wǎng)配置(A網(wǎng))，每3個間隔配置1臺100 MB以太網(wǎng)交換機(jī)，每臺帶16個100 MB多模光口(每間隔保護(hù)測控裝置、OCT合并單元、EVT合并單元、智能終端各占1個光口，3個間隔共計12個光口，交換機(jī)級聯(lián)口占1個光口)。交換機(jī)本期共計3臺，遠(yuǎn)景共計5臺。

主變110kV側(cè)間隔交換機(jī):雙網(wǎng)配置(A、B網(wǎng))。每間隔冗余配置2臺100 MB以太網(wǎng)交換機(jī)(A、B網(wǎng)各1臺)，每臺帶16個100 MB多模光口(每間隔保護(hù)裝置、110kV側(cè)測控裝置、10kV分支1測控裝置、10kV分支2測控裝置、110kV側(cè)OCT合并單元、10kV分支1合并單元、10kV分支2合并單元、110kV側(cè)智能終端、10kV分支 1智能終端、10kV分支2智能終端各占1個光口，交換機(jī)級聯(lián)口占1個光口)。交換機(jī)本期共計4臺，遠(yuǎn)景共計6臺。

(4)110kV過程層網(wǎng)絡(luò)。按照宜興變電站遠(yuǎn)景規(guī)模，共需配置110kV過程層交換機(jī)13臺(A網(wǎng)9臺、B網(wǎng) 4臺)。110kV過程層 A、B網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 110kV過程層網(wǎng)絡(luò)示意Fig.3 110kV process-level network

3.3.3 二次設(shè)備過程層網(wǎng)絡(luò)光口配置及要求

(1)光口配置。雙重化配置的二次設(shè)備，如主變保護(hù)裝置、220kV線路保護(hù)裝置、220kV故障錄波裝置、主變故障錄波裝置、智能終端、合并單元等分別采用單光口接入對應(yīng)的2套過程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。

單套配置的220kV測控(線路、主變220kV側(cè)、主變本體、母聯(lián)、母線)、220kV母線智能終端需具備雙光口，分別接入對應(yīng)的220kV過程層A、B網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。接入220、110kV 2個電壓等級過程層網(wǎng)絡(luò)的主變保護(hù)裝置需具備雙光口，分別接入對應(yīng)的220、110kV過程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。

單套配置的110kV故障錄波裝置、110kV保護(hù)測控裝置(線路、母聯(lián))、110kV母線智能終端、110kV合并單元等分別采用單光口接入對應(yīng)的110kV過程層A網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。單套配置的110kV母聯(lián)智能終端、110kV母線測控需具備雙光口，分別接入對應(yīng)的110kV過程層A、B網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。

(2)單裝置跨雙網(wǎng)要求。對于上述情形中涉及單裝置具備雙光口跨接雙網(wǎng)的，為防止其中一個光口發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴時影響到另一個光口，該裝置的A、B網(wǎng)口需進(jìn)行物理隔離。同時對信息上送和控制下行做以下處理，以確保上傳信息、下行控制、防誤閉鎖的唯一性和完整性［9-10］。

信息上送:雙機(jī)雙工，接收2臺過程層設(shè)備裝置上送數(shù)據(jù)，依靠人工設(shè)定以1臺數(shù)據(jù)為主，比對發(fā)現(xiàn)2臺數(shù)據(jù)不一致時告警;比對數(shù)據(jù)不一致應(yīng)采用穩(wěn)態(tài)時的數(shù)值(若干s之內(nèi)無變化);1臺設(shè)備故障、1臺設(shè)備正常時，自動屏蔽故障設(shè)備數(shù)據(jù)，以正常設(shè)備數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

控制下行:不管采用哪一種切換方式，遙控均只下發(fā)1次，如果控制不成功也不會自動在另外一臺上重試，而是把遙控權(quán)切換到另外一套過程層設(shè)備裝置上，等待操作人員下次重新操作。

4 結(jié)語

過程層組網(wǎng)方案的選擇對智能變電站的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性有重要影響。本文對多種組網(wǎng)方案的利弊進(jìn)行了分析比較，結(jié)合具體工程給出合適的過程層網(wǎng)絡(luò)配置實例，為今后智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供參考。

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