智能變電站網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性評價方法

呂 航 楊 貴 胡紹謙

智能變電站網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性評價方法

呂 航 楊 貴 胡紹謙

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

目前，智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程在不斷推進(jìn)，但智能站過程層網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性尚無量化評估方法。為了提高智能站組網(wǎng)的規(guī)范性和可靠性，迫切需要針對智能站過程層網(wǎng)絡(luò)提出一套完善的可靠性評價方法?？煽啃栽u價方法包含多個關(guān)鍵評判指標(biāo)，基于各評判指標(biāo)對網(wǎng)絡(luò)可靠性影響程度賦予不同權(quán)重值，實現(xiàn)對各種組網(wǎng)架構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸安全可靠性進(jìn)行客觀評價，考慮各電壓等級技術(shù)經(jīng)濟因素，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)方案的最優(yōu)選擇。

智能變電站；過程層網(wǎng)絡(luò)；傳輸可靠性；關(guān)鍵指標(biāo)；評價方法

0 引言

智能變電站采用過程層網(wǎng)絡(luò)替代常規(guī)電纜回路，支撐保護(hù)控制設(shè)備完成采樣跳閘及聯(lián)鎖等功能，所以過程層網(wǎng)絡(luò)的可靠性直接影響保護(hù)控制設(shè)備運行可靠性[1-5]。智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)影響因素眾多，如網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率、數(shù)據(jù)傳輸路徑、網(wǎng)絡(luò)異常類型等。目前，針對智能站過程層網(wǎng)絡(luò)方案，尚無易操作的可靠性評價標(biāo)準(zhǔn)量化評估方法，一般僅通過定性分析評估某種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特點，無法客觀、精確地進(jìn)行定量分析，不利于提高智能站組網(wǎng)的規(guī)范性和可靠性，迫切需要針對智能站過程層網(wǎng)絡(luò)提出一套完善可行的可靠性評價方法。

鑒于此，本文提出一種智能站網(wǎng)絡(luò)傳輸安全可靠性評價方法，從網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、傳輸路徑、網(wǎng)絡(luò)異常影響等方面實現(xiàn)對組網(wǎng)方案的定量評價，為智能站網(wǎng)絡(luò)方案的合理制定提供依據(jù)。

1 過程層網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀分析

1.1 過程層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

智能變電站二次設(shè)備主要的過程層信息包括采樣、跳閘信息，設(shè)備間配合信號、告警信號及聯(lián)閉鎖信號等。目前，二次設(shè)備采樣跳閘方式主要有直采直跳、直采網(wǎng)跳、網(wǎng)采網(wǎng)跳等，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要有采樣值（sample value, SV）與面向通用對象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）分網(wǎng)、SV與GOOSE共網(wǎng)、SV、GOOSE、制造報文規(guī)范（manufacturing message services, MMS）三網(wǎng)合一等，網(wǎng)絡(luò)配置方案有星形單網(wǎng)、星形雙網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)、并行冗余協(xié)議（parallel redundancy protocol, PRP）、高可用無縫環(huán)網(wǎng)協(xié)議（high- availability seamless redundancy, HSR）等。

目前，國網(wǎng)和南網(wǎng)均通過規(guī)范的方式規(guī)定了組網(wǎng)要求。根據(jù)Q/GDW 441《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》，“繼電保護(hù)設(shè)備與本間隔智能終端之間通信應(yīng)采用GOOSE點對點通信方式；繼電保護(hù)之間的聯(lián)閉鎖信息、失靈啟動等信息宜采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸方式”。事實上，這個網(wǎng)絡(luò)也傳輸SV數(shù)據(jù)，供測控及故障錄波器、網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備使用，因此目前國網(wǎng)智能站配置GOOSE、SV共網(wǎng)單網(wǎng)。

根據(jù)Q/CSG 1203005《南方電網(wǎng)電力二次裝備技術(shù)導(dǎo)則》，“應(yīng)優(yōu)先采用常規(guī)互感器，并通過二次電纜直接接入裝置實現(xiàn)采樣”，“110kV及以上電壓等級保護(hù)設(shè)備采用SV網(wǎng)絡(luò)采樣或GOOSE網(wǎng)絡(luò)跳閘時，應(yīng)采用雙網(wǎng)冗余方式”，“過程層宜按GOOSE、SV網(wǎng)合一配置”。因此，目前南網(wǎng)智能站保護(hù)采用常規(guī)電纜采樣、GOOSE跳閘方式，為提高跳閘可靠性，配置冗余雙網(wǎng)。

PRP和HSR是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余的兩種新型協(xié)議，其中，PRP技術(shù)采用完全獨立的雙套網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)報文熱備份，HSR技術(shù)實現(xiàn)了真正意義上的環(huán)網(wǎng)無縫切換[6-7]。

1.2 網(wǎng)絡(luò)運行風(fēng)險分析

過程層采用網(wǎng)采網(wǎng)跳方式簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但帶來了保護(hù)依賴外部時鐘實現(xiàn)采樣同步的問題，目前基于傳輸延時測量的網(wǎng)絡(luò)采樣同步方案已經(jīng)較好地解決了這一問題[8-9]，并得到了業(yè)內(nèi)認(rèn)可。

選擇采用SV、GOOSE報文共網(wǎng)傳輸方案，可顯著減少交換機數(shù)量，但每路SV報文之間、每路GOOSE報文之間、每路SV和每路GOOSE之間的相互干擾問題，使異常報文鏈路會擠占正常報文的帶寬。虛擬局域網(wǎng)（virtual local area network, VLAN）技術(shù)、靜態(tài)組播技術(shù)和GARP組播注冊協(xié)議（GARP multicast registration protocol, GMRP）技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)控制，但是均無法有效地解決GOOSE、SV報文間的干擾問題?；诮M播地址的流控技術(shù)通過限制每路SV、GOOSE 報文在交換機上的最大流量可以很好地解決報文間的干擾問題[10-12]。

為提高過程層網(wǎng)絡(luò)運行可靠性，GB/T 32901《智能變電站繼電保護(hù)通用技術(shù)條件》要求“雙重化配置保護(hù)的過程層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)遵循相互獨立的原則，當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)異常或退出時不應(yīng)影響另一個網(wǎng)絡(luò)的運行”。但在智能變電站某些應(yīng)用場景下，因單套配置的設(shè)備需要從雙套配置的設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，確實存在需要進(jìn)行跨網(wǎng)數(shù)據(jù)交換的需求，如備自投裝置接收冗余配置主變保護(hù)的閉鎖備投信號、110kV電壓等級母聯(lián)（或分段）智能終端接收冗余配置的主變保護(hù)跳閘信號。為方便地實現(xiàn)跨網(wǎng)數(shù)據(jù)交換，同時保證雙重化配置保護(hù)的過程層網(wǎng)絡(luò)相互獨立，可在跨網(wǎng)鏈路中采用基于組播地址的流控技術(shù)，限制異常報文的跨網(wǎng)影響[10]。

2 網(wǎng)絡(luò)可靠性評價

智能站過程層可靠性評價由各個關(guān)鍵評判指標(biāo)構(gòu)成，對于不同的評判指標(biāo)給出具體的影響范圍或權(quán)重值[13-14]，例如網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴或雪崩、單一設(shè)備異常等各種情況的影響范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)對各種組網(wǎng)架構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸安全可靠性進(jìn)行客觀評價，評價指標(biāo)只與組網(wǎng)方式的外特性相關(guān)，而與具體組網(wǎng)模式無關(guān)。

基于智能變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求及網(wǎng)絡(luò)運行風(fēng)險分析，結(jié)合保護(hù)控制設(shè)備的業(yè)務(wù)需求，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)可靠性評價指標(biāo)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)可靠性評價方法

評價結(jié)果滿分為100分，基本項體現(xiàn)了系統(tǒng)正常運行情況下網(wǎng)絡(luò)的基本特性，對于基本特性較差的設(shè)計，直接扣除懲罰分?jǐn)?shù)得到基本分；關(guān)鍵項主要包含典型網(wǎng)絡(luò)異常情況下的數(shù)據(jù)傳輸特性，體現(xiàn)了保護(hù)控制設(shè)備對異常情況下數(shù)據(jù)傳輸可靠性的要求，在基本分基礎(chǔ)上乘以各關(guān)鍵項系數(shù)，對于異常場景傳輸特性較差的設(shè)計，關(guān)鍵項系數(shù)較低，顯著拉低總的評價分?jǐn)?shù)。評價分?jǐn)?shù)計算公式為

式中：為評價分；D為基本項扣分；K為關(guān)鍵項系數(shù)；為基本項數(shù)目；為關(guān)鍵項數(shù)目。

下面詳細(xì)分析基本項及關(guān)鍵項設(shè)置的依據(jù)。

1）基本項主要包括網(wǎng)絡(luò)平均負(fù)載率及最長數(shù)據(jù)傳輸路徑?；卷椩u分原則見表1。

（1）網(wǎng)絡(luò)平均負(fù)載率

網(wǎng)絡(luò)平均負(fù)載率主要反映了系統(tǒng)正常運行情況下的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)流量，體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中的安全裕度。電力系統(tǒng)出現(xiàn)復(fù)雜故障的情況下，保護(hù)控制設(shè)備突發(fā)報文激增，若網(wǎng)絡(luò)平均負(fù)載率過高，則短時間內(nèi)出現(xiàn)的雪崩報文可能超過交換機的轉(zhuǎn)發(fā)能力，造成報文傳輸延時增加，甚至可能導(dǎo)致報文丟失。從另一個角度看，網(wǎng)絡(luò)平均負(fù)載率過低說明網(wǎng)絡(luò)的利用率偏低，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的經(jīng)濟性偏差。本文的評價技術(shù)只評估方案的技術(shù)特性：

表1 基本項評分原則

①網(wǎng)絡(luò)平均負(fù)載率＜40%，網(wǎng)絡(luò)安全裕度大，不扣分。

②網(wǎng)絡(luò)平均負(fù)載率在[40%, 60%]，網(wǎng)絡(luò)安全裕度偏小，扣10分。

③網(wǎng)絡(luò)平均負(fù)載率＞60%，網(wǎng)絡(luò)安全裕度小，扣30分。

（2）最長數(shù)據(jù)傳輸路徑

最長數(shù)據(jù)傳輸路徑體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)的數(shù)量，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)過多將造成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延時增加，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。為了縮短數(shù)據(jù)傳輸路徑，可能導(dǎo)致二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)端口數(shù)量增加，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也會降低設(shè)計的經(jīng)濟性。本文的評價技術(shù)只評估方案的技術(shù)特性：

①最長數(shù)據(jù)傳輸路徑＜4，數(shù)據(jù)傳輸路徑短，數(shù)據(jù)傳輸延時小，可靠性高，不扣分。

②最長數(shù)據(jù)傳輸路徑在[4, 6]，數(shù)據(jù)傳輸路徑偏長，數(shù)據(jù)傳輸延時偏大，可靠性偏低，扣10分。

③最長數(shù)據(jù)傳輸路徑＞6，數(shù)據(jù)傳輸路徑長，數(shù)據(jù)傳輸延時大，可靠性低，扣30分。

2）關(guān)鍵項主要包括幾種異常情況下的數(shù)據(jù)傳輸特性。關(guān)鍵項評分原則見表2。

（1）滿帶寬風(fēng)暴或雪崩異常報文對其他鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?/p>

出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴或雪崩異常情況下，需要特別關(guān)注數(shù)據(jù)傳輸是否受到影響，進(jìn)而影響保護(hù)控制設(shè)備的正常運行，需要設(shè)計合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，或應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)異常情況下網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

表2 關(guān)鍵項評分原則

①完全不受影響，如前所述，采用基于組播流量控制等相關(guān)技術(shù)，可以從機制上保證同一物理鏈路中不同數(shù)據(jù)鏈路間互不影響，所以可以保證滿帶寬異常報文情況下其他鏈路數(shù)據(jù)傳輸不受影響，關(guān)鍵項系數(shù)設(shè)置為1。

②部分影響，滿帶寬異常報文情況下其他鏈路數(shù)據(jù)傳輸部分受到影響，可能影響系統(tǒng)中的部分保護(hù)控制設(shè)備的功能，關(guān)鍵項系數(shù)設(shè)置為0.5，評價分大幅降低。

③數(shù)據(jù)傳輸完全中斷，導(dǎo)致系統(tǒng)中保護(hù)控制設(shè)備依賴網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)功能完全喪失，關(guān)鍵項系數(shù)設(shè)置為0.1，評價分將非常低。

（2）通信環(huán)節(jié)-1故障對相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?/p>

當(dāng)通信環(huán)節(jié)出現(xiàn)-1故障時，如單一光纖斷鏈、單一交換機損壞等，這種情況下，主要考察網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是否考慮冗余設(shè)計，以提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障情況下數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

①數(shù)據(jù)傳輸正常，當(dāng)采用冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案時，可以保證通信環(huán)節(jié)出現(xiàn)-1故障的情況下，數(shù)據(jù)傳輸完全不受影響，保證保護(hù)控制設(shè)備的可靠運行，關(guān)鍵項系數(shù)設(shè)置為1。

②數(shù)據(jù)傳輸中斷，當(dāng)通信環(huán)節(jié)出現(xiàn)-1故障時，如果相關(guān)鏈路的數(shù)據(jù)傳輸中斷，可能影響相關(guān)保護(hù)控制設(shè)備部分依賴網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的功能，關(guān)鍵項系數(shù)設(shè)置為0.5，評價分大幅降低。

（3）單一設(shè)備異常是否可能導(dǎo)致雙套配置網(wǎng)絡(luò)同時異常

單一設(shè)備異常的情況下，若網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不合理，如某設(shè)備直接跨接在雙重化保護(hù)控制設(shè)備對應(yīng)的兩套網(wǎng)絡(luò)上，一旦該設(shè)備因硬件缺陷或軟件運行異常導(dǎo)致大量異常報文注入兩套網(wǎng)絡(luò)，可能會造成雙套配置的網(wǎng)絡(luò)同時異常，給全站的運行帶來巨大安全隱患。

①不會，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能從機制上避免單一設(shè)備異常導(dǎo)致雙套網(wǎng)絡(luò)異常，關(guān)鍵項系數(shù)設(shè)置為1。

②有可能，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不合理，存在單一設(shè)備異常導(dǎo)致雙套網(wǎng)絡(luò)異常的風(fēng)險，關(guān)鍵項系數(shù)設(shè)置為0.5，評價分大幅降低。

2.2 評價方法應(yīng)用示例

下面以幾種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案為例，說明網(wǎng)絡(luò)可靠性評價方法的具體應(yīng)用。

1）示例1：環(huán)網(wǎng)、無流控、單套設(shè)備跨雙網(wǎng)示例1的網(wǎng)絡(luò)方案評分見表3。

表3 示例1網(wǎng)絡(luò)方案評分

由表3可得，示例1方案的可靠性評價得分為(100-10-20)×0.1×1×0.5=3.5，表明該方案可靠性很低。

2）示例2：星形單網(wǎng)、無流控、單套設(shè)備跨雙網(wǎng)示例2的網(wǎng)絡(luò)方案評分見表4。

表4 示例2網(wǎng)絡(luò)方案評分

由表4可得，示例2方案的可靠性評價得分為(100-10)×0.5×0.5×0.5=11.25，表明該方案可靠性 很低。

3）示例3：星形雙網(wǎng)+HSR（間隔內(nèi)）、有流控、雙套網(wǎng)絡(luò)間有流控

示例3的網(wǎng)絡(luò)方案評分見表5。

表5 示例3網(wǎng)絡(luò)方案評分

由表5可得，示例3方案的可靠性評價得分為(100-10-10)×1×1×1=80，表明該方案可靠性高。

4）示例4：星形雙網(wǎng)、有流控、雙套網(wǎng)絡(luò)間有流控

示例4的網(wǎng)絡(luò)方案評分見表6。

表6 示例4網(wǎng)絡(luò)方案評分

由表6可得，示例4方案的可靠性評價得分為(100-10)×1×1×1=90，表明該方案可靠性很高。

目前，國網(wǎng)、南網(wǎng)新一代智能變電站基本都采用示例4的網(wǎng)絡(luò)方案，方案具有很高的可靠性。

國網(wǎng)自主可控新一代變電站要求過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)共用站控層星形雙網(wǎng)，“應(yīng)采取流量和風(fēng)暴抑制等技術(shù)，降低異常報文對網(wǎng)絡(luò)的影響”，“每個端口的廣播和組播報文的流量限制門檻為2Mbit/s”，并需要配置“部署在變電站站控層網(wǎng)絡(luò)上專門用來網(wǎng)絡(luò)隔離的交換機”。

南網(wǎng)18版智能變電站要求“應(yīng)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”，“應(yīng)為每套保護(hù)、測控冗余配置雙網(wǎng)”，“交換機應(yīng)支持組播流量控制功能，根據(jù)組播MAC（media access control）地址自動識別不同的組播組并按設(shè)定的閾值進(jìn)行流量控制，避免異常組播對變電站網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生有害影響”，“任一套裝置不應(yīng)跨接雙重化配置的兩個過程層網(wǎng)絡(luò)；備自投裝置與其他設(shè)備交互數(shù)據(jù)時，均采用點對點方式實現(xiàn)”。

3 結(jié)論

基于對智能變電站主流網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求及各種網(wǎng)絡(luò)異常條件下報文傳輸性能量化指標(biāo)等的詳細(xì)分析，結(jié)合保護(hù)控制設(shè)備的業(yè)務(wù)需求，本文提出了網(wǎng)絡(luò)可靠性評價指標(biāo)，其中基本項體現(xiàn)了系統(tǒng)正常運行情況下網(wǎng)絡(luò)的基本特性，對于基本特性較差的設(shè)計，直接扣除懲罰分?jǐn)?shù)得到基本分；關(guān)鍵項主要包含典型網(wǎng)絡(luò)異常情況下的數(shù)據(jù)傳輸特性，體現(xiàn)了保護(hù)控制設(shè)備對異常情況下的數(shù)據(jù)傳輸可靠性的要求，在基本分基礎(chǔ)上乘以各關(guān)鍵項系數(shù)，對于異常場景傳輸特性較差的設(shè)計，關(guān)鍵項系數(shù)較低，顯著拉低總的評價分?jǐn)?shù)。

網(wǎng)絡(luò)方案的可靠性與經(jīng)濟性往往是一對矛盾，可靠性很高的方案可能需要配置更多的設(shè)備，導(dǎo)致方案的經(jīng)濟性下降。本文的評價方法僅針對網(wǎng)絡(luò)方案的可靠性，未計及方案的經(jīng)濟性。實際網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場景的可靠性需求，綜合考慮技術(shù)及經(jīng)濟因素。

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Evaluation method of network transmission reliability in smart substation

Lü Hang YANG Gui HU Shaoqian

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

At present, the process layer networking process of smart substation is constantly advancing, but there is no quantitative method to evaluate the transmission reliability of the process layer network of smart station. In order to improve the standardization and reliability of smart station networking, it is urgent to put forward a complete set of reliability evaluation methods for the process layer network. The reliability evaluation method includes several key evaluation indicators. Based on each evaluation indicator, different weight values are assigned to the influence degree of network reliability to objectively evaluate the security and reliability of network data transmission under various networking architectures. It is necessary to consider the technical and economic factors of each voltage level to realize the optimal selection of network scheme.

smart substation; process layer network; transmission reliability; key indicator; evaluation method

2022-11-01

2022-11-16

呂 航（1971—），男，江蘇金壇人，碩士，研究員級高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、智能變電站。