特高壓變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

張志鵬，郭朝云，朱 萍（河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050031）

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特高壓變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

張志鵬，郭朝云，朱 萍
（河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050031）

摘要：論述了500 kV及750 kV智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)方案和交換機(jī)配置方案。 分析了特高壓變電站特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，提出了特高壓變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)設(shè)計(jì)原則：高可靠性原則和技術(shù)統(tǒng)一性原則?；趦蓚€(gè)設(shè)計(jì)原則，提出四個(gè)1000 kV過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，推薦SV和GOOSE共同組網(wǎng)、雙重化保護(hù)各設(shè)置獨(dú)立的雙網(wǎng)。分析了冗余信息的應(yīng)用層處理方案和鏈路層處理方案，提出1000 kV過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)可采用基于FPGA的應(yīng)用層處理方案，也可采用基于PRP的鏈路層處理方案。

關(guān)鍵詞：特高壓變電站；智能變電站；過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)；冗余方案；并行冗余協(xié)議。

構(gòu)建以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)是國(guó)家電網(wǎng)公司的戰(zhàn)略目標(biāo)，智能變電站是統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐。目前，國(guó)網(wǎng)公司110（66）～750 kV新建變電站均按照智能變電站設(shè)計(jì)。

對(duì)于已投運(yùn)和在建的特高壓變電站，智能化相關(guān)技術(shù)也得到了一定應(yīng)用，如一次設(shè)備在線監(jiān)測(cè)、智能輔助控制系統(tǒng)、站控層與間隔層之間基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的信息交換、信息綜合分析與智能告警等?；诳煽啃院图夹g(shù)成熟度考慮，智能變電站的關(guān)鍵技術(shù)-過(guò)程層數(shù)字化，未在特高壓變電站中應(yīng)用。隨著過(guò)程層數(shù)字化技術(shù)的日益成熟，建設(shè)特高壓智能變電站將成為發(fā)展目標(biāo)，這也是建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的必然要求。

建設(shè)特高壓智能變電站，構(gòu)建高可靠性的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)是關(guān)鍵。目前特高壓變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究較少，更無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。本文擬結(jié)合特高壓變電站的地位和特點(diǎn)，吸收500 kV及750 kV智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出一種高可靠性和具有一定經(jīng)濟(jì)性的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)方案，保障特高壓智能變電站的可靠運(yùn)行。

1 500 kV及750 kV智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)方案

1.1 配置原則

文獻(xiàn)［1］提出了500 kV及750 kV變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)配置原則如下：

（1）采用一個(gè)半斷路器接線時(shí)，分別設(shè)置SV和GOOSE星形雙網(wǎng)；SV和GOOSE每網(wǎng)按串配置交換機(jī)。

（2）雙重化保護(hù)與雙重化網(wǎng)絡(luò)按照一一對(duì)應(yīng)的方式連接。

基于上述原則的500 kV及750 kV電壓等級(jí)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)示意圖見圖1。

圖1 3/2斷路器接線過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)示意圖

1.2 交換機(jī)配置方案

在智能變電站工程應(yīng)用中，過(guò)程層交換機(jī)可選擇如下規(guī)格：

8光口（百兆）、16光口（百兆） 、22光口（百兆20，千兆2） 、22光口（百兆18，千兆4）。

1.2.1 GOOSE交換機(jī)

以A網(wǎng)為例，串內(nèi)交換機(jī)端口需求如下：

（1）串內(nèi)不帶電抗器時(shí)端口需求見表1。

（2） 串內(nèi)帶2組（1組）電抗器時(shí)端口需求見表2。

表1 串內(nèi)GOOSE交換機(jī)端口需求情況1

表2 串內(nèi)GOOSE交換機(jī)端口需求情況2

（3）小結(jié)

串內(nèi)不帶或帶1組電抗器時(shí)，每串每個(gè)GOOSE網(wǎng)可配置1臺(tái)22口交換機(jī)；串內(nèi)帶2組電抗器時(shí)，每串每個(gè)GOOSE網(wǎng)需配置2臺(tái)16口或22口交換機(jī)。

1.2.2 SV交換機(jī)

所有IED均按照80點(diǎn)采樣率考慮，每臺(tái)合并單元SV數(shù)據(jù)流量約為8 Mbit/s。按照百兆網(wǎng)絡(luò)流量不超過(guò)40%考慮，每個(gè)百兆交換機(jī)允許接入5臺(tái)合并單元，超過(guò)5臺(tái)合并單元時(shí)，宜采用千兆端口級(jí)聯(lián)。

以A網(wǎng)為例，串內(nèi)交換機(jī)端口需求如下：

（1）串內(nèi)不帶電抗器時(shí)端口需求見表3。

表3 串內(nèi)SV交換機(jī)端口需求情況1

（2） 串內(nèi)帶2組（1組）電抗器時(shí)端口需求見表4。

表4 串內(nèi)SV交換機(jī)端口需求情況2

（3）小結(jié)

串內(nèi)不帶電抗器時(shí)，每串每個(gè)SV網(wǎng)可配置1臺(tái)16口或22口交換機(jī)；串內(nèi)帶2組或1組電抗器時(shí)，每串每個(gè)SV網(wǎng)需配置1臺(tái)22口交換機(jī)（帶千兆口）。

1.2.3 交換機(jī)數(shù)量需求

根據(jù)上述分析，串內(nèi)不帶或帶1組電抗器時(shí)，每串需配置4臺(tái)過(guò)程層交換機(jī)；串內(nèi)帶2組電抗器時(shí)，每串需配置6臺(tái)過(guò)程層交換機(jī)。

2 特高壓變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1 特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求

（1）特高壓電網(wǎng)正處于起步階段，相對(duì)薄弱，對(duì)特高壓變電站的可靠性要求極高。

（2）站內(nèi)一般設(shè)置1000 kV、500 kV和110 kV三個(gè)電壓等級(jí)。1000 kV和500 kV均采用3/2斷路器接線，110 kV采用單母線接線；

（3）站內(nèi)500 kV等級(jí)二次設(shè)備配置原則與500 kV變電站相同；1000 kV等級(jí)除每套線路保護(hù)需采用雙通道外，其余配置原則同500 kV等級(jí)。

2.2 過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原則

2.2.1 高可靠性原則

特高壓變電站在電網(wǎng)中的地位要求1000 kV過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)具有比750 kV和500 kV過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)更高的可靠性。具體要求如下：

（1）應(yīng)采用可靠性高的星形結(jié)構(gòu)。

根據(jù)文獻(xiàn)［3］的分析，與總線型和環(huán)形結(jié)構(gòu)相比，星形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展方便、協(xié)議簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)小、無(wú)廣播風(fēng)暴風(fēng)險(xiǎn)，是過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的首選結(jié)構(gòu)。

（2）交換機(jī)N-1故障不應(yīng)影響保護(hù)信息傳輸。

文獻(xiàn)［4］要求智能變電站繼電保護(hù)保護(hù)直采直跳，啟動(dòng)失靈/重合閘、失靈聯(lián)跳等信息通過(guò)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)傳輸，特高壓智能變電站仍應(yīng)貫徹此原則。

當(dāng)保護(hù)與過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)一一對(duì)應(yīng)連接時(shí)，交換機(jī)N-1故障將造成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息交換中斷，某些重要功能（失靈聯(lián)跳等）可靠性降低50%，對(duì)特高壓電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)不利影響。因此，1000 kV過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)必須考慮交換機(jī)N-1方式下的保護(hù)信息傳輸可靠性問(wèn)題，要求保護(hù)設(shè)備采用冗余連接方式。

（3）交換機(jī)N-2故障應(yīng)盡量減少對(duì)兩套保護(hù)的影響。

雖然過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)發(fā)生N-2故障概率很低，但1000 kV過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮減少此種故障的影響，提高極端情況下抵御風(fēng)險(xiǎn)的能力。

2.2.2 技術(shù)統(tǒng)一性原則

特高壓變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原則應(yīng)與相應(yīng)等級(jí)保護(hù)裝置的技術(shù)原則統(tǒng)一，體現(xiàn)二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的統(tǒng)一性?；诖嗽瓌t，特高壓變電站各等級(jí)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原則如下：

（1）站內(nèi)500 kV等級(jí)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)采用500 kV智能變電站相應(yīng)等級(jí)設(shè)計(jì)原則，雙重化保護(hù)與雙重化網(wǎng)絡(luò)按照一一對(duì)應(yīng)的方式連接，與保護(hù)的配置和通道組織原則統(tǒng)一。

（2）站內(nèi)110 kV等級(jí)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)采用220 kV智能變電站110 kV等級(jí)設(shè)計(jì)原則，主進(jìn)配置雙重化網(wǎng)絡(luò)，無(wú)功配置單套網(wǎng)絡(luò)。

（3）站內(nèi)1000 kV等級(jí)建議每套保護(hù)均與雙重化網(wǎng)絡(luò)連接，既體現(xiàn)了高可靠性原則，又與1000 kV線路保護(hù)雙通道的技術(shù)原則保持了統(tǒng)一。

2.3 1000 kV過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)方案論證

基于2.3確立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原則，提出以下4種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案。

2.3.1 方案1

SV、GOOSE分別組網(wǎng)，雙重化保護(hù)各設(shè)置獨(dú)立的雙網(wǎng)，示意圖見圖2。

圖2 方案1過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)示意圖

方案特點(diǎn)：

（1）每串需設(shè)置8個(gè)網(wǎng)絡(luò)，配置8臺(tái)或12臺(tái)交換機(jī)。

（2）雙重化的A、B套裝置過(guò)程層信息相互獨(dú)立傳輸，交換機(jī)負(fù)載較輕。

（3）交換機(jī)N-1故障不影響保護(hù)信息傳輸，N-2故障最多影響一套保護(hù)的信息交換，不影響第二套保護(hù)功能。

（4）中心交換機(jī)需求數(shù)量多，至少配置8臺(tái)。中心交換機(jī)與串內(nèi)子交換機(jī)級(jí)聯(lián)端口有可能只需采用百兆口。

2.2.2 方案2

SV、GOOSE分別組網(wǎng)，雙重化保護(hù)接入統(tǒng)一雙網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)示意圖見圖3。

圖3 方案2過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)示意圖

方案特點(diǎn)：

（1）每串需設(shè)置4個(gè)網(wǎng)絡(luò)，配置6臺(tái)或10臺(tái)交換機(jī)。

（2）雙重化的A、B套裝置過(guò)程層信息共網(wǎng)傳輸，交換機(jī)負(fù)載較重。

（3）交換機(jī)N-1故障不影響保護(hù)信息傳輸，N-2故障有可能影響兩套保護(hù)的信息交換。

（4）中心交換機(jī)至少配置4臺(tái)。中心交換機(jī)與串內(nèi)子交換機(jī)級(jí)聯(lián)端口需采用千兆口。

2.2.3 方案3

SV、GOOSE共同組網(wǎng)，雙重化保護(hù)各設(shè)置獨(dú)立的雙網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)示意圖見圖4。

圖4 方案3過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)示意圖

方案特點(diǎn)：

（1）基于共網(wǎng)共端口技術(shù)，SV、GOOSE共網(wǎng)傳輸。

（2）每串需設(shè)置4個(gè)網(wǎng)絡(luò)，配置4臺(tái)或8臺(tái)交換機(jī)。

（3）雙重化的A、B套裝置過(guò)程層信息相互獨(dú)立傳輸，交換機(jī)負(fù)載較輕。

（4）交換機(jī)N-1故障不影響保護(hù)信息傳輸，N-2故障最多影響一套保護(hù)的信息交換，不影響第二套保護(hù)功能。

（5）中心交換機(jī)至少配置4臺(tái)。中心交換機(jī)與串內(nèi)子交換機(jī)級(jí)聯(lián)端口需采用千兆口。

2.2.4 方案4

SV、GOOSE共同組網(wǎng)，每套保護(hù)接入統(tǒng)一的雙網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)示意圖見圖5。

圖5 方案4過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)示意圖

方案特點(diǎn)：

（1）基于共網(wǎng)共端口技術(shù)，SV、GOOSE共網(wǎng)傳輸；

（2）每串需設(shè)置2個(gè)網(wǎng)絡(luò)，配置4臺(tái)或6臺(tái)交換機(jī)；

（3）雙重化的A、B套裝置過(guò)程層信息共網(wǎng)傳輸，交換機(jī)負(fù)載較重。

（4）交換機(jī)N-1故障不影響保護(hù)信息傳輸，N-2故障有可能影響兩套保護(hù)的信息交換。

（5）中心交換機(jī)至少配置2臺(tái)。中心交換機(jī)與串內(nèi)子交換機(jī)級(jí)聯(lián)端口需采用千兆口。

2.3.5 網(wǎng)絡(luò)方案選擇

上述4個(gè)方案均能滿足交換機(jī)N-1故障時(shí)不影響保護(hù)信息傳輸，其中方案1和方案3在交換機(jī)N-2故障下的網(wǎng)絡(luò)可靠性更高。

方案1 與方案3相比，優(yōu)點(diǎn)是各子網(wǎng)絡(luò)功能明確，管理方便；缺點(diǎn)是交換機(jī)用量多、裝置端口多、網(wǎng)絡(luò)利用率低，需占用較多屏位?？紤]到在智能變電站工程實(shí)踐中，SV、GOOSE信息共網(wǎng)傳輸技術(shù)已十分成熟，工程應(yīng)用較多，利用VLAN技術(shù)可保證SV和GOOSE信息傳輸?shù)南鄬?duì)獨(dú)立和網(wǎng)絡(luò)可靠性，推薦方案3作為1000 kV過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)方案。

3 冗余信息處理方案

推薦的1000 kV過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)方案要求每個(gè)IED裝置均接入冗余雙網(wǎng)，必然帶來(lái)冗余信息的處理問(wèn)題。目前存在兩種冗余信息處理方案，即應(yīng)用層處理方案、鏈路層處理方案。

3.1 應(yīng)用層處理方案

應(yīng)用層冗余方案又可分為雙網(wǎng)雙工方式和雙網(wǎng)熱備方式。雙網(wǎng)熱備方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但存在網(wǎng)絡(luò)切換通信中斷問(wèn)題（切換時(shí)間為秒級(jí)），適用于MMS網(wǎng)絡(luò)；對(duì)于可靠性和實(shí)時(shí)性要求高的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)，必須采用雙網(wǎng)雙工方式。

文獻(xiàn)［9-10］提出了一種基于應(yīng)用層的GOOSE雙網(wǎng)接受機(jī)制，通過(guò)判斷收到的GOOSE事件序號(hào)和報(bào)文序號(hào)，實(shí)現(xiàn)冗余信息的處理。SV雙網(wǎng)接收機(jī)制與GOOSE類似。

GOOSE雙網(wǎng)接受機(jī)制流程圖見圖6。

圖6 GOOSE雙網(wǎng)接收機(jī)制

基于雙網(wǎng)雙工方式的應(yīng)用層處理方案特點(diǎn)如下：

（1）IED提供2個(gè)獨(dú)立的MAC地址或IP地址的網(wǎng)口，采用通用的以太網(wǎng)報(bào)文及網(wǎng)絡(luò)控制器。

（2）可實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)信息的零延時(shí)切換。

（3）應(yīng)用層處理實(shí)現(xiàn)方式上有軟件方式和硬件方式兩種。為減少裝置CPU的負(fù)擔(dān)，宜采用基于FPGA的硬件方式處理冗余信息。

3.2 鏈路層處理方案

IEC62439提出了一系列網(wǎng)絡(luò)冗余標(biāo)準(zhǔn)，其中IEC62439-3規(guī)定的并行冗余協(xié)議（Parallel Redundancy Protocol， PRP）適用于各種變電站通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

基于PRP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)要求每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)（IED設(shè)備）設(shè)置鏈路層冗余單元（LRE），在鏈路層的LRE實(shí)現(xiàn)報(bào)文的雙發(fā)雙收和冗余信息的處理。LRE收到發(fā)送節(jié)點(diǎn)上層應(yīng)用傳來(lái)的發(fā)送報(bào)文，將報(bào)文加上標(biāo)識(shí)后復(fù)制成2份同時(shí)從兩個(gè)網(wǎng)口發(fā)出，接收節(jié)點(diǎn)從兩個(gè)網(wǎng)口先后收到該報(bào)文，LRE對(duì)標(biāo)識(shí)判別后丟棄后到的報(bào)文，而先到的報(bào)文去除標(biāo)識(shí)后傳送給上層應(yīng)用。PRP終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 PRP終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

基于PRP的鏈路層處理方案特點(diǎn)如下：

（1）IED的2個(gè)并行兩個(gè)以太網(wǎng)卡具有相同的MAC地址和IP地址，其冗余對(duì)于應(yīng)用層是透明的，但需采用專用的PRP網(wǎng)絡(luò)控制器；

（2）發(fā)送端在每個(gè)數(shù)據(jù)幀后增加4 字節(jié)的冗余控制跟蹤位，以處理重復(fù)報(bào)文、實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)信息的零延時(shí)切換，但需要交換機(jī)能夠處理非標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)報(bào)文。

3.3 方案選擇

在國(guó)內(nèi)智能變電站工程實(shí)踐中，國(guó)內(nèi)廠家對(duì)于過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)均采用了基于FPGA的雙網(wǎng)雙工應(yīng)用層處理方案，并制定了規(guī)范的雙網(wǎng)接受機(jī)制，能夠滿足可靠性和實(shí)時(shí)要求，但工程配置較為復(fù)雜。

基于PRP協(xié)議的鏈路層處理方案工程配置相對(duì)簡(jiǎn)單，但需采用專用硬件接口，國(guó)內(nèi)廠家IED產(chǎn)品目前尚不支持。

兩種方案均能滿足1000 kV過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)方案要求，實(shí)際應(yīng)用時(shí)宜根據(jù)技術(shù)發(fā)展和IED產(chǎn)品支持情況進(jìn)行選擇。

4 結(jié)論

本文對(duì)特高壓變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案和冗余信息處理方案進(jìn)行了詳細(xì)論證，提出了特高壓變電站各電壓等級(jí)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)實(shí)施方案，結(jié)論如下：

（1）提出了特高壓變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)設(shè)計(jì)原則：高可靠性原則和技術(shù)統(tǒng)一性原則。

（2）基于交換機(jī)N-1和N-2故障方式下網(wǎng)絡(luò)可靠性原則，1000 kV過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)方案推薦如下：SV、GOOSE共同組網(wǎng)，雙重化保護(hù)各設(shè)置獨(dú)立的雙網(wǎng)，按串配置交換機(jī)。

（3）基于技術(shù)統(tǒng)一性原則，特高壓變電站500 kV等級(jí)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)采用500 kV智能變電站相應(yīng)等級(jí)設(shè)計(jì)原則，110 kV等級(jí)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)采用220 kV智能變電站相應(yīng)等級(jí)設(shè)計(jì)原則。

（4）冗余信息處理方案可采用基于FPGA的雙網(wǎng)雙工應(yīng)用層處理方案或基于PRP的鏈路層處理方案。

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號(hào)：TM63

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-9913（2016）01-0069-06

* 收稿日期：2015-07-06

作者簡(jiǎn)介：張志鵬（1977- ），男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、自動(dòng)化及二次方面的設(shè)計(jì)研究。

Network Design of Process Layer for UHV Substation

ZHANG Zhi-peng， GUO chao-yun， ZHU Ping
（Hebei Electric Power Design & Research Institute， Shijiazhuang 050031， China）

Abstract:This article discusses the process layer network scheme and switch configuration scheme in 500kV and 750kV Smart Substation. Analyses the characteristic and design requirements in UHV Substation， put forward two design principles of process layer network in UHV Substation， the principles are high reliability principle and technology unity principle. Based on the two design principles， put forwards four design schemes of 1000kV process layer network， the recommended scheme is that SV and GOOSE should set up the network together， each one of double protections should set up independent dual network. Analyses the application layer treatment scheme and the link layer treatment scheme for redundant information， put forwards that 1000kV process layer network can use the application layer treatment scheme based on the FPGA， and 1000kV process layer network also can use the link layer treatment scheme based on the PRP.

Key words:UHV substation； smart substation；process layer network； redundancy scheme； PRP.