智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)配置研究

劉韻韜 張洪濤 張子健 魏一汀

摘?要：智能變電站過程層組網(wǎng)通信質(zhì)量決定了站內(nèi)繼電保護及自動化等二次設(shè)備的安全、穩(wěn)定和可靠運行。目前主流使用虛擬局域網(wǎng)（Virtual?Local?Area?Network，以下稱VLAN）與靜態(tài)組播技術(shù)對智能變電站內(nèi)大量二次設(shè)備進行通信子網(wǎng)劃分，以提高組網(wǎng)通信質(zhì)量與安全水平。但是，高度安全的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)意味著維護改造更加困難，實際組網(wǎng)配置方案的優(yōu)劣還受到復(fù)雜的現(xiàn)場情況與其他人為因素影響。本文將結(jié)合在運智能變電站實際案例，分析討論VLAN和靜態(tài)組播兩種技術(shù)在過程層組網(wǎng)中的應(yīng)用，為智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)配置優(yōu)化方向提供參考。

關(guān)鍵詞：智能變電站；過程層網(wǎng)絡(luò)；VLAN；靜態(tài)組播

Abstract：The?communication?quality?of?process?layer?network?of?smart?substation?determines?the?safety，stability?and?reliable?operation?of?secondary?equipment?such?as?relay?protection?and?automation?in?the?station.At?present，the?mainstream?uses?Virtual?Local?Area?Network（VLAN）and?static?multicast?technology?to?divide?the?communication?subnets?of?a?large?number?of?secondary?devices?in?smart?substations?to?improve?the?communication?quality?and?security?level?of?the?Network.However，a?highly?secure?network?structure?makes?maintenance?and?renovation?more?difficult.The?actual?network?configuration?scheme?is?also?affected?by?complex?field?conditions?and?other?human?factors.This?paper?will?analyze?and?discuss?the?application?of?VLAN?and?static?multicast?technology?in?process?layer?networking?based?on?the?actual?case?of?Yunsmart?substation，so?as?to?provide?a?reference?for?the?optimization?direction?of?process?layer?network?configuration?in?smart?substation.

Keywords：intelligent?substation；process?layer?network；VLAN；static?multicast

目前距最早一批智能變電站投入實際運行已經(jīng)十余年，在新建變電站中智能變電站占比更多，占據(jù)了更重要的地位。智能變電站采用智能設(shè)備實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用數(shù)字通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將傳統(tǒng)繁雜的二次電纜簡化為光纖，使得系統(tǒng)更具穩(wěn)定性、互動性，變電二次設(shè)備的調(diào)試和運行維護等工作也變得更加高效。智能變電站采用IEC?61850中信息分層的概念，將二次網(wǎng)絡(luò)分為站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)。其中過程層網(wǎng)絡(luò)是變電站端二次設(shè)備正常運行不可或缺的重要聯(lián)系通道，它的運行情況會直接影響繼電保護與電能計量等設(shè)備的功能［12］。為保證過程層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝Х€(wěn)定，同時滿足網(wǎng)絡(luò)安全要求，需要對過程層網(wǎng)絡(luò)進行合理配置。

本文結(jié)合某110kV智能站改造工作和某110kV在運智能站檢修工作實例，對智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)VLAN劃分策略與靜態(tài)組播配置進行分析，探討兩種技術(shù)在實際應(yīng)用場景的優(yōu)劣性。

1?智能變電站組網(wǎng)概述

1.1?網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

智能變電站“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)是依照國際標準IEC?61850（電力行業(yè)標準編號DL/T860）提出的。“三層”是指將智能變電站二次系統(tǒng)按功能邏輯層劃分為間隔層、過程層、站控層，被廣泛應(yīng)用的“兩網(wǎng)”是指將組網(wǎng)按物理層劃分為過程層網(wǎng)絡(luò)與站控層網(wǎng)絡(luò)。通常將間隔層設(shè)備與過程層設(shè)備通過光纖組成同一物理網(wǎng)絡(luò)，且過程層和間隔層部分功能可能集成在一個裝置中［3］，所以通常將圖1中的邏輯接口8劃分到過程層網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，間隔層網(wǎng)絡(luò)不再單獨劃分。過程層網(wǎng)絡(luò)位于下層，它是智能變電站專有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，作用是對智能終端、合并單元等智能設(shè)備進行信息采集，再轉(zhuǎn)發(fā)到其他二次裝置與上層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（圖1接口4，5），部分二次設(shè)備功能性的通信需求也依賴于過程層網(wǎng)絡(luò)（圖1接口8）。站控層屬于上層網(wǎng)絡(luò)，包括監(jiān)控主機、遠動通信機等，它的主要作用是匯總?cè)緦崟r與非實時數(shù)據(jù)，交予監(jiān)控主機或傳給遠方主站來進行全站的監(jiān)控（圖1接口1，6）。

本文討論的范圍是過程層網(wǎng)絡(luò)。不同于站控層組網(wǎng)通常使用網(wǎng)線，過程層網(wǎng)絡(luò)均使用光纖光纜組網(wǎng)，是各個二次設(shè)備實現(xiàn)其基本功能不可或缺的通信網(wǎng)，其主要傳輸信息為面向通用對象的變電站事件（Generic?Object?Oriented?Substation?Event，以下稱GOOSE）和采樣值信息（Sampled?Measured?Value，以下稱SV）。所以，過程層網(wǎng)絡(luò)還可以分為GOOSE網(wǎng)絡(luò)與SV網(wǎng)絡(luò)。

1.2?過程層組網(wǎng)風(fēng)險抑制

過程層網(wǎng)絡(luò)的核心即過程層網(wǎng)絡(luò)交換機。幾乎智能變電站所有二次設(shè)備都要通過交換機接入過程層網(wǎng)絡(luò)，過程層網(wǎng)絡(luò)交換機再互相級聯(lián)，組成完整的過程層網(wǎng)絡(luò)。但不是每一個二次設(shè)備都需要完整的過程層網(wǎng)絡(luò)信息，一臺單間隔的保護裝置往往只需要與功能相關(guān)的公用間隔裝置通信，而不是與全站所有間隔的裝置通信。雖然末端接收設(shè)備可根據(jù)全站系統(tǒng)配置文件（Substation?Configuration?Description，以下稱SCD）進行數(shù)據(jù)塊篩選，但網(wǎng)絡(luò)異常造成的報文延時、報文丟失等情況仍會影響設(shè)備正常運行。因此，利用過程層交換機的網(wǎng)絡(luò)配置技術(shù)采取組網(wǎng)風(fēng)險抑制措施是必要的。根據(jù)站內(nèi)二次設(shè)備虛端子網(wǎng)絡(luò)對信息進行劃分，可避免無效、重復(fù)的數(shù)據(jù)占用通信帶寬，提高組網(wǎng)通信質(zhì)量，以降低網(wǎng)絡(luò)堵塞、網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴、交換機或光口故障等風(fēng)險發(fā)生的概率。

根據(jù)GOOSE與SV報文的特點與差異，也可以得出過程層組網(wǎng)的配置要素。GOOSE報文的內(nèi)容對應(yīng)傳統(tǒng)直流電纜線中的電位信號，例如繼電保護裝置之間的跳閘、閉鎖、啟失靈等開關(guān)量信號，這類功能性GOOSE報文更具重要性；SV報文的內(nèi)容對應(yīng)傳統(tǒng)交流電纜線中的電流電壓模擬量，它由合并單元進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后以數(shù)字量形式傳輸，但根據(jù)國家電網(wǎng)相關(guān)標準，具有重要功能的SV鏈路必須采用點對點直采方式，所以目前大多實際應(yīng)用場景中過程層網(wǎng)絡(luò)的SV報文優(yōu)先級不高。文獻［4］中指出，GOOSE報文在正常情況時每5s發(fā)送一幀，單組數(shù)據(jù)流量約0.2KB/s，在電網(wǎng)故障時按2ms、2ms、4ms、8ms遞增時間發(fā)送，單組數(shù)據(jù)流量不超過244.14KB/s；SV報文在任何情況下均實時傳輸，單組數(shù)據(jù)流量約為781.25KB/s。所以，分配電網(wǎng)正常情況的交換機負載時，SV報文流量比重遠大于GOOSE報文，同時也需要為GOOSE報文考慮電網(wǎng)故障時的帶寬余量。除此之外，還需要根據(jù)數(shù)據(jù)實時性要求、不同廠家型號交換機的百兆千兆光口配置情況、擴建預(yù)留與備用光口數(shù)量等實際情況綜合考慮。所以目前過程層組網(wǎng)無論是采用哪種風(fēng)險抑制技術(shù)，都需要現(xiàn)場人工配置，配置方案取決于具體現(xiàn)場情況與調(diào)試者經(jīng)驗和水平。

2?過程層組網(wǎng)VLAN與靜態(tài)組播實例

2.1?組網(wǎng)VLAN

VLAN技術(shù)可以將同一局域網(wǎng)劃分成多個不同邏輯子網(wǎng)，使得網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以按邏輯分組而不受限于物理接口。VLAN在智能變電站過程層組網(wǎng)應(yīng)用廣泛，它可以將數(shù)據(jù)報文以光口為單位進行標記（Tag），根據(jù)不同Tag劃入對應(yīng)VLAN［5］，不同VLAN各自獨立不互通，從而控制數(shù)據(jù)流，提高網(wǎng)絡(luò)安全性與可維護性。

110kV甲智能變電站已在運10年，現(xiàn)增加110kV備自投裝置一臺，過程層網(wǎng)絡(luò)交換機采用PVID（Portbase?VLAN?ID）進行VLAN劃分，設(shè)計初案如圖2所示。該站由于二次設(shè)備較多以及運行年份較長，部分交換機光口已損壞，改造前過程層交換機的接口已經(jīng)相當緊張。而本次改造新增的110kV備自投由于裝置本身原因，SV與GOOSE通信均只能通過組網(wǎng)方式接入。

基于PVID的VLAN劃分可以將數(shù)據(jù)流以端口為單位進行定向轉(zhuǎn)發(fā)，在設(shè)計初案中可以滿足基本通信安全需求。問題在于該方案新增設(shè)備占用了最后一個預(yù)留光口，在基于端口劃分的VLAN配置下，任一端口損壞或者改造等情況都可能導(dǎo)致掛載于本交換機的所有設(shè)備陪停，這臺110kV過程層中心交換機將完全沒有應(yīng)急處理空間，這顯然是不可靠的。根據(jù)上表所示的報文流向，假設(shè)GOOSE故障報文流量加SV報文流量之和為1MB/s，網(wǎng)絡(luò)分析儀的總接收流量為5MB/s。百兆光口帶寬速率為100Mbps/8=12.5MB/s，所以總接收流量占單個百兆光口的5/12.5*100%=40%。因此，若不需要劃分18、19兩個光口供網(wǎng)絡(luò)分析儀使用，可以多保留一個預(yù)留光口。再者，若新增110kV備自投從110kV母聯(lián)合并單元采集數(shù)據(jù)，需要從110kV過程層線路交換機級聯(lián)至110kV過程層主變交換機再級聯(lián)到本交換機，占用多臺設(shè)備資源，違背最簡化配置原則。

由此可總結(jié)出本次改造設(shè)計初案的問題有三。第一，交換機在用于預(yù)留光口數(shù)不合規(guī)。根據(jù)本地區(qū)電力企業(yè)驗收標準，每臺交換機的光纖接入數(shù)量不宜超過16對，且百兆口、千兆口應(yīng)分別配備適量的備用端口，上述兩條均不符合。第二，原過程層網(wǎng)絡(luò)硬件接口及VLAN配置不合理。原過程層網(wǎng)絡(luò)采用逐一串聯(lián)方式，使得本次改造中新舊設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸途徑三臺交換機，需要重新配置過程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。第三，缺少風(fēng)險預(yù)案與未來規(guī)劃。若采用該設(shè)計初案，新增備自投必須SV/GOOSE單纖共網(wǎng)接入交換機，但有可能出現(xiàn)不同廠家設(shè)備不支持SV/GOOSE單纖共網(wǎng)的情況，就算接入成功，交換機缺少調(diào)試光口，改造調(diào)試工作將非常困難。綜上，此次改造將新增一臺過程層交換機，將110kV備自投與相關(guān)的110kV線路1、線路3三個間隔掛載到新交換機上，以星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)替換原有串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對110kV過程層中心交換機重新進行了VLAN配置，如圖3所示。這樣在滿足各項要求及順利完成改造工程的前提下，優(yōu)化了原過程層網(wǎng)絡(luò)配置，也沒有占用其他備用口緊張的交換機，大大提高了設(shè)備運行可靠性與調(diào)試維護可行性。

2.2?靜態(tài)組播

靜態(tài)組播技術(shù)利用MAC地址對全廣播進行限制，以實現(xiàn)向目標節(jié)點定向傳輸?shù)墓δ埽?］。智能變電站虛端子網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)塊允許一發(fā)多收不允許多發(fā)一收，這剛好符合組播的數(shù)據(jù)傳輸方式。因此，實際過程層組網(wǎng)中有不少靜態(tài)組播技術(shù)的應(yīng)用實例。

MMS網(wǎng)絡(luò)中的組播地址采用的是局域網(wǎng)地址或物理地址，這是與設(shè)備硬件關(guān)聯(lián)的，隨著硬件更換而變更。而在智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)光纖鏈路中，靜態(tài)組播采用的組播地址是SCD中為每臺智能設(shè)備人工分配的。當智能設(shè)備更換時，SCD配置文件會下載到新設(shè)備中，其組播地址不會變更，即維修更替設(shè)備時不用重新設(shè)置組播地址。此外，由于SCD為同一設(shè)備不同控制塊分配了不同的組播地址，利用靜態(tài)組播可以從單一物理接口中對多個控制塊按邏輯接口分別進行組播。以上均是靜態(tài)組播在智能變電站過程層組網(wǎng)應(yīng)用的特殊優(yōu)勢。

110kV乙智能變電站已在運5年，其110kV過程層網(wǎng)絡(luò)僅采用靜態(tài)組播方式進行了網(wǎng)絡(luò)劃分，部分組播配置如圖4所示。該站僅對SV報文進行了靜態(tài)組播配置，其余GOOSE報文采用組網(wǎng)全轉(zhuǎn)發(fā)、接收端設(shè)備根據(jù)SCD識別篩選的方式。這種配置方案在基本滿足通信安全性、穩(wěn)定性的同時，也更易讀、易維護，但基于端口轉(zhuǎn)發(fā)的方式依舊需要合理安排交換機光口預(yù)留量，并且GOOSE報文全轉(zhuǎn)發(fā)更加依賴末端接收設(shè)備的可靠性。

可以看出，該交換機的靜態(tài)組播配置表中體現(xiàn)不出有哪些裝置接入，想獲取完整信息必須結(jié)合光口配置表。換言之，靜態(tài)組播只針對端口轉(zhuǎn)發(fā)指定地址的數(shù)據(jù)，不對接收數(shù)據(jù)進行處理。由于靜態(tài)組播詳細定義了GOOSE與SV控制塊中所有組播地址的數(shù)據(jù)流向，其過程層組網(wǎng)安全性不輸于VLAN組網(wǎng)，但前提是調(diào)試維護人員對靜態(tài)組播和本站SCD都熟練掌握。從后期維護角度講，靜態(tài)組播的報文解析難度比VLAN更高。因為解析靜態(tài)組播配置需要SCD、光口表、組播配置表三者對照，而VLAN僅是將設(shè)備劃分為不同子網(wǎng)，信息集成度較低，出現(xiàn)人為錯誤的風(fēng)險也就更低。

3?總結(jié)

其實結(jié)合甲智能變電站、乙智能變電站實例可見，智能變電站過程層組網(wǎng)方案中，VLAN與靜態(tài)組播都是針對端口進行配置。不同的是，VLAN在輸入端口進行Tag處理，根據(jù)輸出端口所屬VLAN進行選擇性轉(zhuǎn)發(fā)；靜態(tài)組播不在輸入端進行處理，僅根據(jù)組播地址以GOOSE與SV控制塊為單位，在指定輸出端口進行選擇性轉(zhuǎn)發(fā)。在SCD的支撐下，靜態(tài)組播與設(shè)備綁定的缺點也被消除，但VLAN比靜態(tài)組播更具可維護性。220kV及以上智能變電站采用雙套保護及AB雙網(wǎng)配置，二次設(shè)備數(shù)量龐大，此時過程層組網(wǎng)技術(shù)理應(yīng)采用VLAN而非靜態(tài)組播。

隨著智能變電站不斷發(fā)展，相關(guān)從業(yè)人員的技術(shù)水平提高、經(jīng)驗逐漸豐富，使用VLAN或靜態(tài)組播控制SV報文轉(zhuǎn)發(fā)，對GOOSE報文采取全轉(zhuǎn)發(fā)成為目前過程層組網(wǎng)的主流配置方案。未來智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)配置的方向可能有以下幾方面：第一，以這些實例方案作為樣本，或許可以形成科學(xué)算法來定量評價網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定與實際維護可用指數(shù)，從而獲得一個最優(yōu)配置方案，但由于計算因子隨現(xiàn)場條件波動較大，所以得到一個通用解法比較困難；第二，在網(wǎng)絡(luò)安全要求逐步提高的大背景下，目前不對GOOSE報文進行針對性劃分的策略可能即將被淘汰，利用更先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或者復(fù)合技術(shù)對過程層網(wǎng)絡(luò)進行配置或許是亟待解決的課題；第三，在研究先進網(wǎng)絡(luò)配置方案的同時，相應(yīng)提出高適應(yīng)性、高集成度的調(diào)試維護方案，解決安全性與可維護性互斥的問題。

參考文獻：

［1］韓本帥，王倩，孫中尉，等.智能變電站繼電保護跳閘實現(xiàn)方式研究［J］.中國電力，2012，45（8）：2427.

［2］蔡利敏，劉國華，王勇.智能變電站電能量計量系統(tǒng)方案設(shè)計［J］.中國電力，2011，44（4）：3134.

［3］DL/T860/IEC?61850.變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)［S］.

［4］黃天嘯，劉平，辛光明，等.智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的分析與處理［J］.中國電力，2014，47（11）：112115.

［5］劉景霞，田立猛.基于VLAN劃分的智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)方案研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（20）：173177.

［6］馮自權(quán)，趙景峰，陳羅飛.基于靜態(tài)組播搜索的電力交換機檢修技術(shù)研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2019，47（2）：182187.

作者簡介：劉韻韜（1995—?），男，漢族，四川武勝人，學(xué)士，初級職稱，研究方向：繼電保護。