智能變電站過程層點(diǎn)對(duì)點(diǎn)與組網(wǎng)模式比較分析

秦建松，陳 瑛，呂 亮，俞永軍，傅三川

（國網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000）

智能變電站過程層點(diǎn)對(duì)點(diǎn)與組網(wǎng)模式比較分析

秦建松，陳 瑛，呂 亮，俞永軍，傅三川

（國網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000）

通過對(duì)智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)模式的比較分析，提出按功能區(qū)分過程層網(wǎng)絡(luò)模式，即主保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)其余組網(wǎng)模式。介紹了智能變電站過程層4種網(wǎng)絡(luò)模式，比較了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式和組網(wǎng)模式在造價(jià)成本和性能等方面的優(yōu)劣，論證組網(wǎng)模式網(wǎng)絡(luò)流量、延時(shí)的可行性；介紹了主保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)其余組網(wǎng)模式的光鏈路寄生回路，并提出解決辦法。最后介紹了主保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)其余組網(wǎng)模式的工程應(yīng)用情況，并展望全網(wǎng)合一的應(yīng)用前景。

智能變電站；過程層；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)；組網(wǎng)；寄生回路

0 引言

隨著智能變電站的全面推廣建設(shè)，2016年，智能電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)入引領(lǐng)提升階段。智能變電站采用過程層、間隔層、站控層的3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1]，其中，過程層作為智能變電站與常規(guī)變電站的主要區(qū)別而顯得十分重要，過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的合理性直接影響到變電站運(yùn)行的可靠性。

過程層一般有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式和組網(wǎng)模式2種方案。國家電網(wǎng)公司（以下簡(jiǎn)稱國網(wǎng)）在《110（66）-220kV智能變電站施工圖設(shè)計(jì)》中，對(duì)過程層組網(wǎng)方式進(jìn)行了適當(dāng)約定。其中，110kV過程層網(wǎng)絡(luò)描述為：

（1）單母線或雙母線接線的110kV變電站，當(dāng)110kV間隔層設(shè)備集中布置在二次設(shè)備室時(shí)，110kV過程層宜設(shè)置單星型以太網(wǎng)絡(luò)，GOOSE（面對(duì)通用對(duì)象的變電站事件）及SV（采樣值）報(bào)文宜采用網(wǎng)絡(luò)方式傳輸，GOOSE網(wǎng)與SV網(wǎng)共網(wǎng)設(shè)置；當(dāng)110kV間隔層設(shè)備布置在配電裝置時(shí)，GOOSE及SV均不組網(wǎng)，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式傳輸。

（2）橋式接線、線變組接線的110kV變電站，110kV GOOSE報(bào)文及SV報(bào)文宜采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式傳輸，不宜組建過程層網(wǎng)絡(luò)[2]。

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式和組網(wǎng)模式已在各級(jí)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過多次動(dòng)模試驗(yàn)，有較多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以下根據(jù)工程實(shí)踐情況，從工程實(shí)際角度來比較分析智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)模式。

1 過程層網(wǎng)絡(luò)模式

1.1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式即“直采直跳”模式（如圖1所示），該模式保護(hù)測(cè)控等二次裝置通過光纖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接采樣，直接跳合閘。直接采樣最大的優(yōu)點(diǎn)在于傳輸途徑只經(jīng)過光纖，不采用交換機(jī)，無需考慮合并單元的采樣是否同步，考慮一個(gè)固定延時(shí)后采用插值法實(shí)現(xiàn)采樣同步，提高可靠性，避免網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)抖動(dòng)對(duì)保護(hù)的影響[3]。

圖1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式

1.2 “網(wǎng)采網(wǎng)跳”組網(wǎng)模式

組網(wǎng)模式包含“直采網(wǎng)跳”和“網(wǎng)采網(wǎng)跳”模式?！熬W(wǎng)采網(wǎng)跳”模式下SV和GOOSE數(shù)據(jù)均通過交換機(jī)傳輸（如圖2所示），合并單元需要全站同步，保護(hù)裝置收到采樣數(shù)據(jù)后通過序號(hào)方式進(jìn)行同步，完成保護(hù)計(jì)算[3]。該模式利用網(wǎng)絡(luò)信息共享的優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)化了裝置的硬件設(shè)計(jì)和光纖接線，繼電保護(hù)動(dòng)作可靠性受網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響。

圖2 “網(wǎng)采網(wǎng)跳”模式

1.3 按報(bào)文不同“直采網(wǎng)跳”組網(wǎng)模式

此模式根據(jù)報(bào)文類型選擇點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式還是組網(wǎng)模式，保護(hù)、測(cè)控等裝置與合并單元之間采用光纖直連方式傳輸SV數(shù)據(jù)，與所有裝置通過交換機(jī)傳輸GOOSE數(shù)據(jù)（如圖3所示），既利用了組網(wǎng)模式信息共享、布線簡(jiǎn)潔的優(yōu)勢(shì)，又充分考慮SV流量大而采用直連方式傳輸。

圖3 直采網(wǎng)跳模式

1.4 主保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)其余組網(wǎng)模式

此模式是根據(jù)裝置功能選擇不同的過程層網(wǎng)絡(luò)模式，即全站主要保護(hù)SV與GOOSE數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采集，其余保護(hù)、測(cè)控、記錄分析儀等設(shè)備過程層SV與GOOSE數(shù)據(jù)組網(wǎng)采集（如圖4所示）。110kV變電站多為終端變電站，全站主保護(hù)為主變壓器（以下簡(jiǎn)稱主變）保護(hù)，主變保護(hù)選擇點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，其余均選擇組網(wǎng)模式，既滿足了全站可靠性，又最大程度實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

圖4 主保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)其余組網(wǎng)模式

2 過程層網(wǎng)絡(luò)配置比較

2.1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式

以國網(wǎng)通用設(shè)計(jì)110kV內(nèi)橋接線變電站為例，根據(jù)以往工程統(tǒng)計(jì)得知，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式全站過程層約需光纖4900 m，總計(jì)約140根光纖，每根光纖平均長(zhǎng)度約35 m。配套的24口光纖配線架約需52臺(tái)，各裝置端口要求詳見表1。可見，過程層點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式光纖、各裝置端口量及相關(guān)配套的光纖配線架需求均很大。

2.2 組網(wǎng)模式

組網(wǎng)模式只討論前文1.4所述主保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)其余組網(wǎng)模式（以下簡(jiǎn)稱組網(wǎng)模式4），結(jié)合工程實(shí)際，采用組網(wǎng)模式4，110kV內(nèi)橋接線變電站全站過程層約需光纖2500 m，總計(jì)約100根光纖。因過程層組網(wǎng)光纖可就近接入，每根光纖平均長(zhǎng)度約25 m，增加免熔接光纖尾纜的使用，而光纖總量減少，可減少光配的配置和光纖的熔接，24口光纖配線架只需約32臺(tái)。過程層網(wǎng)絡(luò)的增加，方便了各裝置特別是記錄分析儀的接入，各裝置端口要求詳見表2，其中，因增設(shè)過程層網(wǎng)絡(luò)，需配置16口100M過程層交換機(jī)4臺(tái)。

表1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式主要裝置端口要求

表2 主保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)其余組網(wǎng)模式主要裝置端口要求

3 過程層網(wǎng)絡(luò)性能比較

3.1 成本比較

上文所述2種網(wǎng)絡(luò)模式成本比較詳見表3。由表可知，主保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)其余組網(wǎng)模式在成本上節(jié)省約2.8萬元，對(duì)裝置減少了44%的端口需求，現(xiàn)場(chǎng)安裝鋪設(shè)光纜和光纖熔接的工程量也相應(yīng)減少，有較大的成本優(yōu)勢(shì)。

從技術(shù)層面分析可知，110kV內(nèi)橋接線因未配置主變110kV高壓側(cè)開關(guān)，相比110kV線路間隔較少的單母分段接線，過程層點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式接線更為復(fù)雜，組建過程層網(wǎng)絡(luò)更有必要。

表3 2種網(wǎng)絡(luò)配置成本比較

3.2 整體性能比較

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，全站配置簡(jiǎn)潔，但在數(shù)據(jù)共享、網(wǎng)絡(luò)整合方面缺乏靈活性，給記錄分析儀和備自投等跨間隔設(shè)備配置帶來較大難度，也不契合通信技術(shù)、信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

主保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)其余組網(wǎng)模式下，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全站主保護(hù)的簡(jiǎn)潔可靠配置，避免了網(wǎng)絡(luò)對(duì)主保護(hù)的影響，確保主保護(hù)的可靠性；組網(wǎng)模式實(shí)現(xiàn)全站其余功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高度共享，方便全站設(shè)備配置。

智能變電站SV數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生一個(gè)重要變化——數(shù)據(jù)同步。數(shù)據(jù)同步即采樣數(shù)據(jù)的時(shí)間同步，用以避免相位和幅值產(chǎn)生的誤差。在繼電保護(hù)、故障測(cè)距、故障分析、自動(dòng)控制以及電度采集等方面數(shù)據(jù)同步都十分重要，例如一般的傳輸線路保護(hù)，時(shí)間同步精度應(yīng)在4 μs以內(nèi)，即大于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难訒r(shí)，因此必須有可靠的同步機(jī)制來保證數(shù)據(jù)采集的同步性。解決時(shí)間同步問題有插值計(jì)算和使用公共時(shí)鐘脈沖同步2種方法。對(duì)于插值法，要求合并單元提供采樣的傳輸延時(shí)（一般是固定延時(shí)），保護(hù)測(cè)控設(shè)備通過減去延時(shí)來還原站內(nèi)實(shí)際采樣時(shí)刻，然后利用插值算法通過非同步樣本點(diǎn)來計(jì)算同步樣本點(diǎn)，適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式9-2傳輸SV數(shù)據(jù)。對(duì)于利用公共時(shí)鐘脈沖的同步方法，各合并單元必須有時(shí)鐘輸入，并具備依照時(shí)鐘輸入信號(hào)給定的時(shí)間狀態(tài)取得同步樣本，進(jìn)而取得符合實(shí)際的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，適用于組網(wǎng)方式9-2傳輸SV數(shù)據(jù)。

3.3 流量、延時(shí)分析

3.3.1 鏈路延時(shí)

數(shù)據(jù)位在光纖鏈路上的傳輸速度大約是光速的2/3，當(dāng)部署很長(zhǎng)距離的以太網(wǎng)線路時(shí)，才需要考慮這個(gè)延時(shí)。鏈路延時(shí)Lw1可以按式（1）計(jì)算：

式中：L表示鏈路長(zhǎng)度；V表示光纖鏈路上數(shù)據(jù)位的傳輸速率。

3.3.2 交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)

顯然，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式下，無需考慮網(wǎng)絡(luò)流量和交換延時(shí)。組網(wǎng)模式下，交換機(jī)收到數(shù)據(jù)直到最后一幀接收完畢，接著從相應(yīng)的端口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀出去，這個(gè)延時(shí)與被轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀的大小成正比，與速率成反比，按式（2）計(jì)算。

式中：Lsf是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)；FS是以位計(jì)算的幀大??；BR是以bit/s為單位的速率。

對(duì)于100 Mbps速率的交換機(jī)：最大的以太網(wǎng)幀1518字節(jié)的延時(shí)為1518×8/（100×106），即121 μs；最小的以太網(wǎng)幀64字節(jié)的延時(shí)為64×8/（100×106），即5 μs；IEC618509-1標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀111字節(jié)的延時(shí)為（111×8+96）/（100×106），即10 μs；IEC618509-2標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀159字節(jié)（80點(diǎn)）的延時(shí)為159×8/（100×106），即13 μs，目前工程應(yīng)用保護(hù)采用的就是IEC618509-2標(biāo)準(zhǔn)80點(diǎn)采樣率；256點(diǎn)采樣率以太網(wǎng)幀1037字節(jié)的延時(shí)為1037×8/（100×106），即83 μs；GOOSE的以太網(wǎng)幀752字節(jié)延時(shí)為752×8/（100×106），即60 μs。

3.3.3 交換機(jī)交換延時(shí)

以太網(wǎng)交換機(jī)的內(nèi)部是交換機(jī)制，交換機(jī)制由復(fù)雜的硬件電路執(zhí)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)引擎、MAC地址表、VLAN及CoS等，交換機(jī)制產(chǎn)生的延時(shí)用以執(zhí)行這些邏輯功能。各個(gè)廠商交換機(jī)制延時(shí)各不相同，如羅杰康產(chǎn)品的交換機(jī)制延時(shí)是3～7 μs[4]，國網(wǎng)物資招標(biāo)要求10 μs以下。

在110kV智能變電站，過程層最多經(jīng)過2級(jí)交換。IEC61850體系標(biāo)準(zhǔn)要求GOOSE報(bào)文延時(shí)小于4 ms，過程層100M交換機(jī)組網(wǎng)延時(shí)為（60+10×2）=80 μs，滿足延時(shí)要求。

3.3.4 網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷

通常網(wǎng)絡(luò)延時(shí)跟網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷成比例，因此仍需分析智能變電站組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，一般要求交換機(jī)負(fù)荷率在30%～40%。

SV報(bào)文數(shù)據(jù)流量按照采樣率80點(diǎn)/周波、每幀1點(diǎn)（12個(gè)模擬量通道）計(jì)算，1個(gè)合并單元數(shù)據(jù)流量為5.088 Mbit/s。GOOSE傳輸機(jī)制如圖5所示，突發(fā)傳輸機(jī)制下的突發(fā)GOOSE量很小，對(duì)流量影響不大。全站約50個(gè)智能設(shè)備傳送GOOSE，與SV流量相比，GOOSE流量對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的影響基本可以忽略。

圖5GOOSE傳輸機(jī)制

110kV智能變電站主變保護(hù)最多要連接6個(gè)合并單元（線路、內(nèi)橋、本體、母線、低壓側(cè)分支1和2），SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文的流量要求，對(duì)100M交換機(jī)來講負(fù)荷偏大。上文組網(wǎng)方式4主變保護(hù)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，很好地規(guī)避了這個(gè)問題。對(duì)組網(wǎng)設(shè)備來講，110kV備自投一般采集3個(gè)合并單元SV數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)交換機(jī)網(wǎng)口負(fù)荷率較輕，可滿足要求。全站記錄分析儀需要采集全站所有合并單元（110kV智能變電站為18個(gè)）的SV數(shù)據(jù)，對(duì)此可以通過劃分VLAN，記錄分析儀以3到4個(gè)口接入過程層交換機(jī)，有效解決這個(gè)問題。

另外，可能出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，其產(chǎn)生的原因有：某個(gè)裝置異常，多發(fā)報(bào)文；有非法裝置接入網(wǎng)絡(luò)，發(fā)出“未知單播地址”的報(bào)文；網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)大量異常廣播。對(duì)于第1種情況，組網(wǎng)模式交換機(jī)作為近似透明設(shè)備無法防護(hù)，同樣點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式也無法防范；對(duì)于第2種情況，交換機(jī)具有“未知單播地址抑制”功能，可以很好地防御此類現(xiàn)象；對(duì)于第3種情況，交換機(jī)具有“端口速率限制（單播/組播/廣播）”功能，可以進(jìn)行有效防御。

3.4 光鏈路分析

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式下，光鏈路清晰簡(jiǎn)潔，不會(huì)產(chǎn)生寄生回路。組網(wǎng)模式下，光鏈路相對(duì)復(fù)雜，如組網(wǎng)模式4中，主保護(hù)與對(duì)應(yīng)智能終端有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路和交換機(jī)鏈路2條鏈路同時(shí)接通，形成了并聯(lián)寄生回路（見圖4）。對(duì)此，需要在設(shè)計(jì)時(shí)明確智能終端網(wǎng)絡(luò)口不接受保護(hù)GOOSE，只接受測(cè)控GOOSE，完善各裝置GOOSE中斷信息邏輯，確保智能變電站光鏈路和保護(hù)動(dòng)作正確。

由于工程設(shè)計(jì)階段各廠家未提供相關(guān)配置信息，虛端子和ICD文件未區(qū)分裝置網(wǎng)絡(luò)口和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)端口的詳細(xì)信息，具體工程調(diào)試時(shí)各廠家實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的方法又各不相同，這些可能形成寄生回路的因素，需引起注意，應(yīng)逐步把光鏈路規(guī)范、端口規(guī)范納入智能通用設(shè)備規(guī)范，逐步約定各裝置的參數(shù)，真正實(shí)現(xiàn)IEC61850裝置的可互換性。

另外，主保護(hù)GOOSE的雙回路也可以認(rèn)為是一種雙重化，僅僅回路的雙重化與目前保護(hù)雙重化配置要求從源到終端的裝置與回路均獨(dú)立概念不一致，故不考慮利用光回路的雙重化?；蛟S在相關(guān)規(guī)范更新以后，智能變電站保護(hù)光回路雙重化可以逐步開展應(yīng)用，從另一個(gè)角度實(shí)現(xiàn)共享。

4 結(jié)語

通過對(duì)過程層網(wǎng)絡(luò)模式各方面的綜合比較分析和論證，可以看出主保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)其余組網(wǎng)模式有較大優(yōu)勢(shì)，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。目前，該模式已在國網(wǎng)紹興供電公司十多個(gè)工程實(shí)踐中得到應(yīng)用，未來隨著交換機(jī)帶寬、性能和穩(wěn)定性的提升、設(shè)備的集成化設(shè)計(jì)及保護(hù)裝置對(duì)同步問題處理能力的增強(qiáng)，全站點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式必然會(huì)被組網(wǎng)方式淘汰。

隨著智能變電站各項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，全站共網(wǎng)模式，即過程層、間隔層、站控層網(wǎng)絡(luò)和對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)融合，也將逐步展開應(yīng)用。國網(wǎng)紹興供電公司2010年投產(chǎn)的110kV大侶變電站試點(diǎn)工程已實(shí)現(xiàn)全站共網(wǎng)，并安全運(yùn)行5年多。大侶變電站已進(jìn)行多次動(dòng)模試驗(yàn)和短路試驗(yàn)，全站共網(wǎng)通過了實(shí)踐考驗(yàn)。當(dāng)然在逐步發(fā)展過程中，主保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)其余組網(wǎng)模式是一個(gè)值得推廣的過渡模式。

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（本文編輯：方明霞）

Comparative Analysis of Point-to-point and Networking Mode of Process Level in Smart Substation

QIN Jiansong，CHEN Ying，LYU Liang，YU Yongjun，F(xiàn)U Sanchuan
（State Grid Shaoxing Power Supply Company，Shaoxing Zhejiang31200，China）

Through comparative analysis on network mode of process level in smart substation，the paper suggests distinguishing network mode of process layer in accordance to the functions，namely point-to-point mode of main protection and other networking modes.This paper introduces four network modes of process level in smart substation and compares point-to-point mode and networking mode in terms of construction cost and performance；besides，it demonstrates the feasibility of the network flow and delay of networking mode and introduces parasitic of optical fiber link of this mode and proposes a solution.Finally,the paper introduces the engineering applications of this mode and prospects the application of an all-network combination.

smart substation；process level；point-to-point；networking；parasitic circuit

TM631

：B

：1007-1881（2016）09-0020-05

2016-04-21

秦建松（1979），男，高級(jí)工程師，主要從事智能變電站設(shè)計(jì)工作。