智能變電站自動化化網(wǎng)絡(luò)方案

馬洪凱 張大江

摘要：作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，電力網(wǎng)絡(luò)的組成離不開變電站的支持，近年來，我國在電網(wǎng)智能化建設(shè)、改造方面投入了大量的人力、物力和財力，當前我國智能化電網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)取得了顯著成績，尤其是智能變電站的投入使用，加快了我國智能電網(wǎng)建設(shè)的規(guī)模和速度。近年來，隨著變電站自動化系統(tǒng)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，我在智能電網(wǎng)建設(shè)方面的技術(shù)越發(fā)成熟，為適應(yīng)未來智能電網(wǎng)建設(shè)的要求，則需要在智能變電站自動化系統(tǒng)新的設(shè)計方案中綜合考慮功能分布、網(wǎng)絡(luò)冗余、信息共享、遠程交互等技術(shù)的應(yīng)用，從而促進我國智能電網(wǎng)的進一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智能變電站；自動化系統(tǒng)；方案

智能變電站是智能電網(wǎng)的核如、是連接發(fā)電和用電的樞紐、是整個電網(wǎng)安全可靠運行的重要環(huán)節(jié)。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展、變電站電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺的不斷完善、開發(fā)協(xié)議及電力接口標準等信息的不斷開放，促使變電站一、二次設(shè)備和技術(shù)的融合W及變電站運行方式的轉(zhuǎn)變，由此逐漸形成了完備的智能變電站技術(shù)體系。與傳統(tǒng)變電站相比，其技術(shù)更加具有先進性、安全可靠、占地少、成本低、維護少、環(huán)境友好等系統(tǒng)優(yōu)勢。因此，研究和建設(shè)智能變電站不僅是未來變電站發(fā)展的方向，也將是智能電網(wǎng)建立所需要的頓理基礎(chǔ)和要求。

1變電站自動化系統(tǒng)現(xiàn)狀及問題

隨著智能一次設(shè)備、電子互感器、設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測、變電站運行操作仿真培訓等技術(shù)日趨成熟并在實際工程中得到應(yīng)用，以及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在實時分布工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用，IEC61850變電站自動化系統(tǒng)建模及通信體系標準的推廣應(yīng)用，變電站自動化技術(shù)進入了以數(shù)字化建模及通信為基礎(chǔ)支撐的智能化時代。

智能變電站按照IEC61850標準，將變電站分成三層，即站控層、間隔層、過程層。站控層與間隔層之間稱為站控層網(wǎng)絡(luò)，過程層與間隔層之間稱為過程層網(wǎng)絡(luò)，即通常所說的“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)。過程層網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案較多，保護可采用直采直跳、直采網(wǎng)跳、網(wǎng)采網(wǎng)跳方式，GOOSE、SV可采用不組網(wǎng)、共網(wǎng)、獨立組網(wǎng)等方式，組網(wǎng)方式更加靈活。

2變電站自動化網(wǎng)絡(luò)分析

2.1變電站自動化體系各子系統(tǒng)組網(wǎng)方案

變電站自動化體系按安全分區(qū)由以下各系統(tǒng)構(gòu)成：安全I區(qū)：一體化監(jiān)控系統(tǒng)、相量測量系統(tǒng)。安全II區(qū)：繼電保護故障信息系統(tǒng)、電能量計量系統(tǒng)。安全III區(qū)：在線監(jiān)測系統(tǒng)、智能輔助控制系統(tǒng)。由于受安全分區(qū)的限制，已建智能變電站自動化體系按各安全分區(qū)獨立，根據(jù)《智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，各系統(tǒng)與站外安全III、IV區(qū)系統(tǒng)連接是通過正反向隔離裝置實現(xiàn)，因此其滿足變電站二次系統(tǒng)安全防護要求。

2.2網(wǎng)絡(luò)負載分析

2.2.1站控層網(wǎng)絡(luò)負載

智能變電站站控層網(wǎng)絡(luò)主要有故障信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流量、遙測、遙信、錄波等報文的數(shù)據(jù)流量，網(wǎng)絡(luò)負載量不大，據(jù)多數(shù)自動化系統(tǒng)廠家所作試驗的測試結(jié)果，最嚴重的故障情況下站控層網(wǎng)絡(luò)的負載量僅占到百兆帶寬的12%。

2.2.2過程層網(wǎng)絡(luò)負載

1）采樣值SV報文流量

過程層網(wǎng)絡(luò)采樣值報文傳輸采用IEC61850-9-2協(xié)議。IEC61850-9-2采樣值報文幀中存在一些不確定的長度，其具體值由配置和編碼來決定，為了便于分析，下面所有的數(shù)據(jù)流量分析都以保護數(shù)據(jù)每周波80點采樣率、計量數(shù)據(jù)每周波200點采樣率，每幀1個ASDU計算，可以算出，根據(jù)不同的配置和編碼風格，每幀數(shù)據(jù)的長度為169～226字節(jié)。針對數(shù)據(jù)流量分析，數(shù)據(jù)長度取最大的226字節(jié)參與估算。

用于保護、測控等采樣值帶寬為：

226byte/合并單元8bits/byte 80點/周波50周波=7.2Mbits。

用于電能計量、PMU等采樣值帶寬為：226byte/合并單元8bits/byte 200點/周波50周波=18.1Mbits。

2）GOOSE報文

GOOSE報文主要實現(xiàn)保護裝置間配合命令、間隔聯(lián)閉鎖信號的網(wǎng)絡(luò)傳輸。當采用交換式光纖以太網(wǎng)和報文優(yōu)先級設(shè)置時，大量實驗證明GOOSE報文連續(xù)丟失的幀數(shù)最多不超過2。在正常情況下，GOOSE網(wǎng)絡(luò)僅維持一些必要的狀態(tài)查詢報文，這也是在定義GOOSE方面，IEC61850較之UCA2.0的一個靈活之處，其網(wǎng)絡(luò)流量幾乎可以忽略不計，而在事故狀態(tài)下，針對不同的事故狀況，多涉及到的二次設(shè)備間配合命令的不同，GOOSE報文的大小也是各不相同，大部分的GOOSE報文在200字節(jié)左右，也有少量GOOSE報文達到300甚至600字節(jié)（如主變本體智能終端的開關(guān)量信號）。

2.3網(wǎng)絡(luò)方案研究

針對變電站數(shù)據(jù)流特點，為避免網(wǎng)絡(luò)風暴等問題，推薦智能變電站站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)均選用雙星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。智能變電站的站控層網(wǎng)絡(luò)相對過程層網(wǎng)絡(luò)而言在實時性方面要求沒有那么苛刻，通過流量計算以及多年來的運行經(jīng)驗也表明，百兆快速以太網(wǎng)能滿足站控層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸要求，站控層網(wǎng)絡(luò)推薦選用100Mbps以太網(wǎng)。

接入過程層網(wǎng)絡(luò)單間隔二次設(shè)備流量一般不超過40Mbps，且二次設(shè)備以太網(wǎng)口處理能力也小于40Mbps，二次設(shè)備1000Mbps端口尚未成熟，同時考慮測試過程中，當過程層網(wǎng)絡(luò)流量小于40Mbps情況基本不會丟包，因此本工程過程層網(wǎng)絡(luò)選用100M以太網(wǎng)絡(luò)，同時裝置接入交換機的流量不大于40Mbps。對于交換機級聯(lián)端口，由于流量有可能超過100Mbps，因此選用1000Mbps端口。智能變電站的過程層網(wǎng)絡(luò)承擔著電流電壓采樣值（SV）、一次設(shè)備狀態(tài)信息以及二次設(shè)備保護、控制信號GOOSE報文的傳輸工作，較之站控層網(wǎng)絡(luò)，要求更高的實時性和更強的報文處理能力。智能交換機需滿足智能變電站對所內(nèi)信息實時性、高效性及精確對時的要求，支持IEC61588協(xié)議。

3結(jié)束語

智能變電站是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要內(nèi)容，是發(fā)、輸、變、配、用電和調(diào)度等智能電網(wǎng)各環(huán)節(jié)信息交互的關(guān)鍵支撐點，站內(nèi)信息網(wǎng)絡(luò)基于IEC61850標準，滿足保護、測控、計量等功能裝置信息交互需求。網(wǎng)絡(luò)通信在智能變電站自動化系統(tǒng)中起著重要作用。

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（作者單位：國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司）