220kV宜興智能變電站過程層網絡設計

王曉虎

(1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市102206;2.江蘇省電力設計院，南京市211102)

0 引言

智能變電站通信網絡一般分為過程層、間隔層和站控層。過程層設備主要包括變壓器、斷路器、隔離開關、電流和電壓互感器等一次設備及其所屬的智能組件以及獨立的智能電子裝置。一次設備的選擇和基于此選擇的過程層網絡配置直接關系到變電站保護、測控、遠動功能的可靠實現。本文將結合220kV宜興智能變電站工程建設，進行過程層網絡設計。

1 建設規模

主變壓器:遠期3×240 MVA，電壓等級為220/110/10kV。本期建設2×180 MVA。

220kV線路側:選用戶內GIS設備，遠期8回，本期建設4回，本期及遠景均采用雙母線接線。

110kV線路側:選用戶內GIS設備，遠期14回，本期建設8回，本期及遠景均采用雙母線接線。

10kV線路側:遠期36回，本期20回，本期采用單母線4分段接線，遠景采用單母線6分段接線。

2 設備配置

2.1 一次設備

(1)電流互感器(current transformer，CT)。220kV間隔、110kV間隔及主變高、中壓側采用全光纖型CT;10kV間隔及主變套管采用常規CT。

(2)電壓互感器(potential transformer，PT)。220、110kV母線均采用電容分壓型電子式PT;10kV母線采用常規PT，并采用帶模擬量插件的合并單元進行數字轉換。

2.2 二次設備

(1)保護、測控設備。每臺主變配置2套保護設備，1套測控設備;每回220kV線路(母聯)配置2套保護設備，1套測控設備;每回110kV線路(母聯)配置1套保護、測控合一裝置;220kV線路配置2套母線保護設備，110kV線路配置1套母線保護設備。

(2)故障錄波器。主變配置2套故障錄波器，220kV線路配置2套故障錄波器，110kV線路配置1套故障錄波器。

(3)合并單元。1)根據保護雙重化的需求，220kV線路、母聯，主變各側合并單元按2套配置。2)110kV線路、母聯合并單元按1套配置。3)10kV線路、電容器、接地變CT不配置合并單元。4)220、110kV電壓等級母線PT合并單元按2套配置，含PT并列功能;10kV母線采用常規PT，分段開關聯接的2段母線配置雙套合并單元，要求合并單元帶模擬量采集插件，含PT并列功能。

(4)智能終端。220kV GIS設備:設置2套智能終端(母線間隔單套配置)，統一控制間隔內斷路器、隔離開關、接地開關。110kV GIS設備:設置1套智能終端，統一控制間隔內斷路器、隔離開關、接地開關。主變低壓側分支:每個分支設置2套智能終端，統一控制間隔內斷路器、手車、接地開關等。主變本體:每臺主變本體配置1臺智能終端。

3 過程層網絡設計

根據國家電網公司對智能變電站信息傳輸“直采直跳”的要求，宜興變電站采樣值信息采用點對點方式傳輸，GOOSE信息采用網絡方式傳輸，保護出口采用直跳方式。

3.1 GOOSE網絡拓撲

3.1.1 星型結構

星型拓撲結構因交換機連接的各連接節點呈星狀分布而得名。在這種結構的網絡中有中央節點(公用交換機)和其他節點(二次設備交換機)，后者都與中央節點直接相連，這種結構以中央節點為中心。

優點:網絡簡單，易于布線;擴展容易;便于維護，任一臺間隔交換機故障，都可以方便隔離，不影響其他間隔;公用交換機故障，僅影響公用智能電子設備，不影響間隔智能電子設備;傳輸環節少、速度快，從任一設備到另一設備至多經過3臺交換機;報文延時固定;結構上無廣播風暴的風險。

缺點:公用交換機負擔較大，檢修時將影響公用智能電子設備;交換機數量較多，成本相對較高，但間隔交換機所需端口最少，而端口數量影響交換機價格，整個網絡成本應結合工程具體情況分析確定。

3.1.2 環型結構

環型拓撲結構由各交換機互相連接成閉環。

優點:網絡冗余度好，網線或光纖故障時采用快速生成樹協議(rapid spanning tree protocol，RSTP)自動重新組態，不影響交換機及設備運行;交換機數量較少，成本相對較低，但間隔交換機所需端口最多，而端口數量影響交換機價格，整個網絡成本應結合工程具體情況確定。

缺點:網絡結構較復雜，網絡協議復雜;擴展困難，增加交換機設備時，需要將網絡打開重新組環;維護、隔離比較困難，任一交換機檢修，網絡變為總線結構;報文延時不固定，網絡中交換機數量多時影響網絡速度;使用公有協議時自愈時間可能達到數百ms，將影響保護功能;使用私有協議時自愈時間減少到數10 ms，但不同廠家設備不能組網;結構上存在廣播風暴的風險。

星型結構過程層網絡在技術性能上顯著占優，但該方案將導致交換機數量明顯增多;考慮到該方案中單臺交換機端口數與環型共享交換機相比略有減少，可免去網絡管理這部分軟、硬件成本并降低人員維護方面的成本。綜合來看，星型網的網絡設備綜合價未必會增加，推薦采用星型結構構建宜興變電站的過程層 GOOSE 網絡［1-2］。

GOOSE報文心跳間隔為系統配置的T0，對于保護，取 T0=0.5 s。Qgoose=6 016 字節/幀 × 8 bit/字節 × (1/0.5)/s=0.96 Mbit/s，其中，6 016 字節/幀是歸一化后的GOOSE數據包的長度。

可見，每個間隔流量一般不超過1 Mbps。宜興變電站最大的數據流量將出現在110kV過程層中心交換機母差的端口。110kV母差保護遠景間隔數量為14(線路)+3(主變)+1(母聯)+2(母線PT)=20，GOOSE總帶寬不大于1 MB×20=20 MB，選用100 MB交換機可保證總帶寬在安全范圍(40%)內。

3.2 采樣值傳輸

目前，智能變電站采樣值傳輸協議主要有2種設計方案［3-8］，方案1:基于點對點方式的IEC 60044-7/8標準(FT3)方案;方案2:基于網絡方式的IEC 61850-9-2標準方案。

方案1的優點是采樣值傳輸延遲固定，可以在接收端實現插值同步(不需要全站集中同步源)且通過FPGA實現硬件并行處理;缺點是不同廠家互操作困難(廠家可私有擴展且使用專用硬件實現)，不符合整體的IEC 61850智能變電站通信發展趨勢。

方案2采用以太網傳輸方式，它是從IEC 61850模型配置的角度出發而制定的采樣數據共享協議，其優勢在于采樣值數據的自由配置和共享，但合并單元與保護測控裝置之間的數據匹配過程復雜，網絡帶寬和CPU編解碼的開銷較大，具有一定的實現難度(靈活性和效率之間的固有矛盾)。本方案體現了IEC 61850的復雜、通用和建模等方面的特點，代表了技術發展的趨勢。

推薦宜興變電站采樣值傳輸協議采用IEC 61850-9-2標準。

3.3 方案實施

3.3.1 總體方案

采樣值信息采用點對點方式傳輸，采樣值傳輸協議采用IEC61850－9－2標準。圖1為本工程采樣值信息傳輸示意(以1號主變220kV側A網為例)。

圖1 1號主變220kV側采樣值信息傳輸示意(A網)Fig.1 Sampling value transmission of No.1 transformer at 220kV side(network A)

GOOSE網絡按電壓等級分別組網:220kV過程層GOOSE網絡按2套物理獨立的單網配置;110kV過程層GOOSE網絡按單網配置;主變110kV側、10kV側過程層GOOSE網絡按2套物理獨立的單網配置，其中1套與110kV過程層網絡共網;其余10kV不設獨立的過程層網絡，其GOOSE信息利用站控層網絡傳輸。

過程層交換機采用面向間隔的原則配置，采用多間隔共用交換機方式，全站過程層GOOSE網絡均采用100 MB星型以太網。

3.3.2 過程層交換機及網絡配置

(1)220kV過程層交換機。

220kV過程層中心交換機:雙網配置(A、B網)。冗余配置4臺100 MB以太網交換機(A、B網各2臺)，每臺帶16個100 MB多模光口(間隔過程層交換機級聯口8個，中心交換機級聯口1個，母線智能終端2個，母線EVT合并單元、母線保護裝置、母線測控裝置、220kV故障錄波器、主變故障錄波器各1個)。交換機本期及遠景共計4臺。

220kV線路、母聯間隔交換機:雙網配置(A、B網)。每2個間隔冗余配置2臺100 MB以太網交換機，每臺帶16個100 MB多模光口(每間隔保護裝置、測控裝置、光學電流互感器(optical current transducers，OCT)合并單元、電子式電壓互感器(electronic voltage transformer，EVT)合并單元、智能終端各占1個光口，2個間隔共計10個光口，交換機級聯口占1個光口)。交換機本期共計6臺，遠景共計10臺。

主變220kV側間隔交換機:雙網配置(A、B網)。每間隔冗余配置2臺100 MB以太網交換機(A、B網)，每臺帶16個100 MB多模光口(每間隔保護裝置、220kV側和本體測控裝置、220kV側OCT合并單元、本體繞組合并單元、EVT合并單元、220kV側智能終端、本體智能終端各占1個光口，交換機級聯口占1個光口)。交換機本期共4臺，遠景共6臺。

(2)220kV過程層網絡。按照宜興變電站遠景規模，共需配置220kV過程層交換機20臺(A、B網各10臺)。以A網為例，220kV過程層網絡如圖2所示。

圖2 220kV過程層網絡示意(A、B網同)Fig.2 220kV process-level network(network A＆B)

(3)110kV過程層交換機。

110kV過程層中心交換機:雙網配置(A、B網)，A網用于110kV線路、母聯;B網僅用于主變110kV側。A網配置1臺100 MB以太網交換機，帶16個100 MB多模光口(間隔過程層交換機級聯口8個，母線智能終端2個，母線EVT合并單元、母線保護裝置、母線測控裝置、110kV故障錄波器各1個)。B網配置1臺100 MB以太網交換機，帶16個100 MB多模光口(間隔過程層交換機級聯口3個，母線智能終端2個，母線EVT合并單元、母線和母聯測控裝置各1個)。交換機本期及遠景共計2臺。

110kV線路、母聯間隔交換機:單網配置(A網)，每3個間隔配置1臺100 MB以太網交換機，每臺帶16個100 MB多模光口(每間隔保護測控裝置、OCT合并單元、EVT合并單元、智能終端各占1個光口，3個間隔共計12個光口，交換機級聯口占1個光口)。交換機本期共計3臺，遠景共計5臺。

主變110kV側間隔交換機:雙網配置(A、B網)。每間隔冗余配置2臺100 MB以太網交換機(A、B網各1臺)，每臺帶16個100 MB多模光口(每間隔保護裝置、110kV側測控裝置、10kV分支1測控裝置、10kV分支2測控裝置、110kV側OCT合并單元、10kV分支1合并單元、10kV分支2合并單元、110kV側智能終端、10kV分支 1智能終端、10kV分支2智能終端各占1個光口，交換機級聯口占1個光口)。交換機本期共計4臺，遠景共計6臺。

(4)110kV過程層網絡。按照宜興變電站遠景規模，共需配置110kV過程層交換機13臺(A網9臺、B網 4臺)。110kV過程層 A、B網絡如圖3所示。

圖3 110kV過程層網絡示意Fig.3 110kV process-level network

3.3.3 二次設備過程層網絡光口配置及要求

(1)光口配置。雙重化配置的二次設備，如主變保護裝置、220kV線路保護裝置、220kV故障錄波裝置、主變故障錄波裝置、智能終端、合并單元等分別采用單光口接入對應的2套過程層網絡交換機。

單套配置的220kV測控(線路、主變220kV側、主變本體、母聯、母線)、220kV母線智能終端需具備雙光口，分別接入對應的220kV過程層A、B網絡交換機。接入220、110kV 2個電壓等級過程層網絡的主變保護裝置需具備雙光口，分別接入對應的220、110kV過程層網絡交換機。

單套配置的110kV故障錄波裝置、110kV保護測控裝置(線路、母聯)、110kV母線智能終端、110kV合并單元等分別采用單光口接入對應的110kV過程層A網絡交換機。單套配置的110kV母聯智能終端、110kV母線測控需具備雙光口，分別接入對應的110kV過程層A、B網絡交換機。

(2)單裝置跨雙網要求。對于上述情形中涉及單裝置具備雙光口跨接雙網的，為防止其中一個光口發生網絡風暴時影響到另一個光口，該裝置的A、B網口需進行物理隔離。同時對信息上送和控制下行做以下處理，以確保上傳信息、下行控制、防誤閉鎖的唯一性和完整性［9-10］。

信息上送:雙機雙工，接收2臺過程層設備裝置上送數據，依靠人工設定以1臺數據為主，比對發現2臺數據不一致時告警;比對數據不一致應采用穩態時的數值(若干s之內無變化);1臺設備故障、1臺設備正常時，自動屏蔽故障設備數據，以正常設備數據為準。

控制下行:不管采用哪一種切換方式，遙控均只下發1次，如果控制不成功也不會自動在另外一臺上重試，而是把遙控權切換到另外一套過程層設備裝置上，等待操作人員下次重新操作。

4 結語

過程層組網方案的選擇對智能變電站的安全性、可靠性和經濟性有重要影響。本文對多種組網方案的利弊進行了分析比較，結合具體工程給出合適的過程層網絡配置實例，為今后智能變電站過程層網絡的構建提供參考。

［1］黃皓，余臻，游曄.數字化變電站低壓母線保護的GOOSE通信研究［J］.華東電力，2011，39(2):221-226.

［2］范建忠，馬千里.GOOSE通信與應用［J］.電力系統自動化，2007，31(19):85-90.

［3］國家電網公司.IEC 61850工程應用深化研究技術報告［R］.北京:國家電網公司，2010.

［4］邱志勇，陳健民，朱炳銓.基于IEC 61850標準的500kV三層結構數字化變電站建設［J］.電力系統自動化，2009，33(12):103-107.

［5］萬博，蘇瑞.遵循IEC 61850-9-2實現變電站采樣值傳輸［J］.電網技術，2009，33(19):199-203.

［6］殷志良，劉萬順，楊奇遜，等.基于IEC 61850標準的采樣值傳輸模型構建及映射實現［J］.電力系統自動化，2004，28(21):38-42.

［7］魏勇，羅思需，施迪，等.基于IEC 61850-9-2及GOOSE共網傳輸的數字化變電站技術應用與分析［J］.電力系統保護與控制，2010，38(24):146-152.

［8］孔曉峰，杜浩良.基于IEC 61850標準的數字化繼電保護運行方式［J］.中國電力，2010，43(4):28-32.

［9］梁國堅，段新輝，高新華.數字化變電站過程層組網方案［J］.電力自動化設備，2011，31(2):94-98.

［10］王銳，曹麗璐，楊東海，等.數字化變電站網絡化二次系統研究與應用［J］.電力系統保護與控制，2010，38(12):59-64.