基于IEC61850的智能變電站網絡技術研究

張英

摘 要： 隨著智能變電站的大規模試點建設以及對IEC61850標準體系的深入研究，有必要對已經在工程應用中存在通信網絡結構進行剖析，以便對智能變電站大規模建設中的系統網絡結構選型提供理論支持。從IEC61850在變電站過程層應用的角度出發對網絡結構進行分析，對不同的組網方案進行分析，并根據工程應用實際提出一種新型的過程層混合組網方案。該方案采用靈活的組網方法，把已經存在的幾種組網方案進行了有機的統一，有效地提高了全站網絡系統的可靠性和安全性，實現了經濟和安全的統一。

關鍵字： 智能變電站； IEC61850； 網絡結構； 混合組網方案

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0151?04

0 引 言

智能變電站的建設是國家推進統一、堅強智能電網的重要一環，也是堅強智能電網的重要節點，關系著整個電網的安全、可靠。當前，以太網通信網絡技術在智能變電站領域中得到了廣泛應用。為了確保智能變電站自動化系統安全、可靠運行，通常會采用不同的網絡結構來提高其通信網絡的可靠性和安全性。在前期的智能變電站試點建設中，積累了大量的科研資料和工程經驗，但是由于對變電站通信系統的網絡結構沒有嚴格的、統一的規范和標準，造成在數字化系統中對于采用何種的網絡結構連接智能電子設備（Intelligent Electronic Devices，IED）存在比較多的類型和不同網絡結構性能好壞的爭論，這也成為了IEC61850標準在實際應用過程中碰到的突要問題。因此，在智能變電站試點建設前期有必要對已經在工程應用中存在的多種通信網絡結構進行簡單的剖析，以便對智能變電站通信系統將來更大規模的建設中的網絡結構的選取提供理論支持和技術支撐。

1 IEC61850標準與智能變電站通信網絡

作為智能變電站自動化系統中樞神經系統的通信網絡，其安全性、可靠性決定了智能變電站系統運行的適用性。本文著重從一下兩點分析IEC61850與通信網絡之間的關系：一是基于IEC61850標準的智能變電站通過哪種通信網絡結構進行信息傳輸與共享；二是采用IEC61850標準規定的哪種協議棧機制來滿足變電站內多種類型信息及時、可靠的傳輸。對IEC61850規約通信方式的研究在文獻[1]中有比較詳細的介紹：IEC61850標準借鑒了工業以太網標準通信模型定義，這在一定程度上避免了網絡結構的雙重規定并且保證了網絡結構定義的一致性，但是給工程應用過程和解決通信冗余帶來了復雜多樣性?？傮w來說，智能變電站建設中通過引用工業以太網標準，使得IEC61850標準更好地保障了其可擴充性，以及對將來通信技術發展需求的適應性。由于國內的多種類型的數據信息對實時性和準確性的要求不同，需要采用不同的協議棧機制來滿足需求，文獻[2]中對此有詳細的論述。IEC61850的映射機制如圖1所示[3]。

2 網絡通信結構分析

在IEC61850 標準中，智能變電站自動化系統從邏輯上從上而下劃分為站控層、間隔層、過程層，并通過高速網絡通信實現各層之間及各層內部數據傳輸，各層電氣設備信息的共享與互動操作通過分層分布式實現[2]。結合國家電網公司頒布的關于智能變電站的技術導則規范以及前期試點工程應用實踐，當下智能變電站網絡通信結構主要存在以下四種方案：

（1） 采用光纖點對點與GOOSE網絡相結合的方式；

（2） 采用光纖點對點、采樣值MSV網絡與 GOOSE網絡相結合的方式；

（3） 采用過程總線方式；

（4） 采用完全過程總線方式[4]。

其中方案（2）與方案（3）在整體運行結構上基本相似，只是方案（2）采用國際流行的B碼對時，而方案（3）采用IEEE1588進行對時處理。

2.1 采用光纖點對點與GOOSE網絡相結合的方式

該網絡結構與傳統變電站的過程層網絡結構基本是一致的，只是用IEC61850規約替換了IEC60870規約。該方案中的過程層網絡采用光纖點對點與GOOSE網絡相結合的方式，即采樣點與合并單元采用點對點的方式把交流采樣的實時數據通過光纖介質傳輸到保護、測控、計量、錄波等裝置，而GOOSE網絡則傳輸由智能操作箱產生的跳合閘等開關量信息，兩者通過光纖統一鏈接，這樣既能保持采樣數據的獨立傳輸又能保證GOOSE信號及時傳輸；另外，必須按照雙網方式組建GOOSE網來保證信息傳輸的冗余，且雙網組建必然要采用同時工作于主機的方式來保證保護動作的可靠性。目前，100M工業以太網技術應用比較成熟，其采樣數據能保證獨立傳輸且能夠保證數據響應實時性，但是仍然需要敷設大量光纜來滿足點對點的傳輸，具體結構如圖2所示。

優點：利于傳統變電站升級改造，采樣數據獨立傳輸且能保證響應實時。

缺點：由于采樣信息傳輸是點對點方式，造成工程應用中需要鋪設大量光纜設備，造成人力、物力、財力的很大浪費。

2.2 采用采樣值MSV網絡與GOOSE網絡相結合的方式

該方案與方案一相似，其中采樣值到合并單元是通過光纖點對點連接，而保護、測控、電能表計量、故障錄波信息是通過獲??；該方案不需要配置網絡交換機，同時也不用擔心網絡上的數據流量對于其他設備信息傳輸的影響；該方案的MSV采樣值網絡與GOOSE網絡均是單獨組網，沒有形成共享網絡，所以只要選取能滿足數據傳送的帶寬、接收方CPU處理數據能力的光纖介質即可，具體網絡結構如圖3所示。

優點：組網方式簡單可靠，具有開關量信息和采樣信息共享能力。

缺點：在實際工程應用中光纖組網連線工作繁雜，安裝方式不靈活且無法在標準范圍內實現跨間隔保護和信息共享。

2.3 過程總線方式

該方案的特點在于采樣值數據MSV網和開關量信號GOOSE網通過同一條過程總線組成二合一網，通過總線把采樣數據和開關信息傳輸給保護、測控、電能表計量、故障錄波等設備，有效的實現了數據信息的網絡化、共享化。該方案中引用多播報文技術有虛擬局域網（VLAN）技術將變電站系統網絡劃分為功能子網，對每個子網配置具有信息分級服務和優先傳輸機制的高性能網絡交換機，能有效地解決報文信息優先級及網絡延時問題。其具體結構如圖4所示。

優點：采用虛擬局域網技術和用交換機分級服務，解決了網絡延時并提高了系統處理報文的能力；實現采樣值MSV網與GOOSE網信息共享。

缺點：需要精確計算網絡上的數據傳輸流量，并需要采用報文過濾技術抑制廣播風暴，保證數據的安全、有序、高效傳輸。

2.4 完全過程總線方式

該方案實現了交流采樣MSV網、GOOSE網和IEEE 1588對時網通過一條過程總線共同組網，其中IEEE 1588網絡對時技術很好的解決了三網合一中的時間同步問題，并在理論上實現了真正意義上的的共享網絡信息平臺，但該方案需要配置高性能網絡交換機。具體組網方案：采樣值采用IEC61850?9?2協議標準組成MSV網、開關信息量按照GOOSE通信協議組成GOOSE網 、對時信息采用IEEE1588標準網，這三個網絡共用一條過程總線傳輸數據到保護、測控、電能表計量、故障錄波等設備。具體結構如圖5所示。

優點：實現了三網合一即GOOSE網、MSV網、IEEE 1588標準對時網共同組網，很好地實現了站內信息共享，其通信網絡結構層次清晰，鏈接方便，可以節省大量的光纜，便于設計、維護、施工，是未來技術發展的方向。

缺點：共網傳輸中的精確對時難度較大，且對網絡交換機的處理能力要求太高，現階段該款交換機國產化較低且性能不穩定，在實際應用中其可靠性受到不少質疑。

以上所述幾種網絡結構組網方案都是從理論的角度出發分析其不同網絡結構之間的差異，但是在智能變電站自動化系統的實際應用中，根據工程可以采用靈活的組網方案把上述幾種方式進行有機的統一，以形成一種新型的混合組網方案。

該方案具體組網方法：計量采樣為點對點方式、繼電保護與智能控制箱之間的開關量控制也是點對點方式、故障錄波、測控等通過組網方式實現；由于保護裝置采用點對點方式，所以要加強對保護裝置可靠性、安全性的檢測并選取可靠性高的保護裝置，防止因系統網絡信號錯誤造成系統保護功失效[4]。相比較前面介紹的4種方案，該方案中的智能控制箱、合并單元、母線合并單元和備自投保護設備等需要更多的光纖接口，其中智能控制箱與合并單元至少需要8個光纖接口來滿足點對點直連和組網需求[5]。

該組網方案既能滿足智能變電站自動化系統對信息數字化、通信協議標準化和信息傳輸網絡化的具體要求，同時也滿足了國家電網公司頒布的智能變電站相關技術標準。在實際應用中，該組網方案也更加安全、可靠、實用，必將成為智能變電站組網方式的首選。圖6所示為結構示意圖。

3 結 語

在智能變電站自動化系統邏輯分層中，過程層起著承上啟下的作用。現在，通信網絡在智能變電站自動化系統中扮演著中樞神經的角色，而過程層網絡又是總站網絡的基礎和支撐，承擔了一、二次設備繼電保護信號、跳閘開關信號和全站電壓電流等數據信息的采集傳輸工作[6]，所以過程層網絡性能的好壞直接決定了整站自動化系統的安全性、可靠性和穩定性。

總之，隨著國家堅強智能電網的建設和智能變電站試點工作的持續展開，在實際應用中必須堅持以可靠、安全為主，經濟、實用為輔的原則，以滿足電力系統生產需求為出發點，根據具體情況來確定智能變電站自動化系統的網絡結構。

參考文獻

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[9] 錢科軍，梁鋒.分布式狀態估計技術在智能變電站的應用[J].電網與清潔能源，2013（9）：27?31.

優點：采用虛擬局域網技術和用交換機分級服務，解決了網絡延時并提高了系統處理報文的能力；實現采樣值MSV網與GOOSE網信息共享。

缺點：需要精確計算網絡上的數據傳輸流量，并需要采用報文過濾技術抑制廣播風暴，保證數據的安全、有序、高效傳輸。

2.4 完全過程總線方式

該方案實現了交流采樣MSV網、GOOSE網和IEEE 1588對時網通過一條過程總線共同組網，其中IEEE 1588網絡對時技術很好的解決了三網合一中的時間同步問題，并在理論上實現了真正意義上的的共享網絡信息平臺，但該方案需要配置高性能網絡交換機。具體組網方案：采樣值采用IEC61850?9?2協議標準組成MSV網、開關信息量按照GOOSE通信協議組成GOOSE網 、對時信息采用IEEE1588標準網，這三個網絡共用一條過程總線傳輸數據到保護、測控、電能表計量、故障錄波等設備。具體結構如圖5所示。

優點：實現了三網合一即GOOSE網、MSV網、IEEE 1588標準對時網共同組網，很好地實現了站內信息共享，其通信網絡結構層次清晰，鏈接方便，可以節省大量的光纜，便于設計、維護、施工，是未來技術發展的方向。

缺點：共網傳輸中的精確對時難度較大，且對網絡交換機的處理能力要求太高，現階段該款交換機國產化較低且性能不穩定，在實際應用中其可靠性受到不少質疑。

以上所述幾種網絡結構組網方案都是從理論的角度出發分析其不同網絡結構之間的差異，但是在智能變電站自動化系統的實際應用中，根據工程可以采用靈活的組網方案把上述幾種方式進行有機的統一，以形成一種新型的混合組網方案。

該方案具體組網方法：計量采樣為點對點方式、繼電保護與智能控制箱之間的開關量控制也是點對點方式、故障錄波、測控等通過組網方式實現；由于保護裝置采用點對點方式，所以要加強對保護裝置可靠性、安全性的檢測并選取可靠性高的保護裝置，防止因系統網絡信號錯誤造成系統保護功失效[4]。相比較前面介紹的4種方案，該方案中的智能控制箱、合并單元、母線合并單元和備自投保護設備等需要更多的光纖接口，其中智能控制箱與合并單元至少需要8個光纖接口來滿足點對點直連和組網需求[5]。

該組網方案既能滿足智能變電站自動化系統對信息數字化、通信協議標準化和信息傳輸網絡化的具體要求，同時也滿足了國家電網公司頒布的智能變電站相關技術標準。在實際應用中，該組網方案也更加安全、可靠、實用，必將成為智能變電站組網方式的首選。圖6所示為結構示意圖。

3 結 語

在智能變電站自動化系統邏輯分層中，過程層起著承上啟下的作用?，F在，通信網絡在智能變電站自動化系統中扮演著中樞神經的角色，而過程層網絡又是總站網絡的基礎和支撐，承擔了一、二次設備繼電保護信號、跳閘開關信號和全站電壓電流等數據信息的采集傳輸工作[6]，所以過程層網絡性能的好壞直接決定了整站自動化系統的安全性、可靠性和穩定性。

總之，隨著國家堅強智能電網的建設和智能變電站試點工作的持續展開，在實際應用中必須堅持以可靠、安全為主，經濟、實用為輔的原則，以滿足電力系統生產需求為出發點，根據具體情況來確定智能變電站自動化系統的網絡結構。

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優點：采用虛擬局域網技術和用交換機分級服務，解決了網絡延時并提高了系統處理報文的能力；實現采樣值MSV網與GOOSE網信息共享。

缺點：需要精確計算網絡上的數據傳輸流量，并需要采用報文過濾技術抑制廣播風暴，保證數據的安全、有序、高效傳輸。

2.4 完全過程總線方式

該方案實現了交流采樣MSV網、GOOSE網和IEEE 1588對時網通過一條過程總線共同組網，其中IEEE 1588網絡對時技術很好的解決了三網合一中的時間同步問題，并在理論上實現了真正意義上的的共享網絡信息平臺，但該方案需要配置高性能網絡交換機。具體組網方案：采樣值采用IEC61850?9?2協議標準組成MSV網、開關信息量按照GOOSE通信協議組成GOOSE網 、對時信息采用IEEE1588標準網，這三個網絡共用一條過程總線傳輸數據到保護、測控、電能表計量、故障錄波等設備。具體結構如圖5所示。

優點：實現了三網合一即GOOSE網、MSV網、IEEE 1588標準對時網共同組網，很好地實現了站內信息共享，其通信網絡結構層次清晰，鏈接方便，可以節省大量的光纜，便于設計、維護、施工，是未來技術發展的方向。

缺點：共網傳輸中的精確對時難度較大，且對網絡交換機的處理能力要求太高，現階段該款交換機國產化較低且性能不穩定，在實際應用中其可靠性受到不少質疑。

以上所述幾種網絡結構組網方案都是從理論的角度出發分析其不同網絡結構之間的差異，但是在智能變電站自動化系統的實際應用中，根據工程可以采用靈活的組網方案把上述幾種方式進行有機的統一，以形成一種新型的混合組網方案。

該方案具體組網方法：計量采樣為點對點方式、繼電保護與智能控制箱之間的開關量控制也是點對點方式、故障錄波、測控等通過組網方式實現；由于保護裝置采用點對點方式，所以要加強對保護裝置可靠性、安全性的檢測并選取可靠性高的保護裝置，防止因系統網絡信號錯誤造成系統保護功失效[4]。相比較前面介紹的4種方案，該方案中的智能控制箱、合并單元、母線合并單元和備自投保護設備等需要更多的光纖接口，其中智能控制箱與合并單元至少需要8個光纖接口來滿足點對點直連和組網需求[5]。

該組網方案既能滿足智能變電站自動化系統對信息數字化、通信協議標準化和信息傳輸網絡化的具體要求，同時也滿足了國家電網公司頒布的智能變電站相關技術標準。在實際應用中，該組網方案也更加安全、可靠、實用，必將成為智能變電站組網方式的首選。圖6所示為結構示意圖。

3 結 語

在智能變電站自動化系統邏輯分層中，過程層起著承上啟下的作用。現在，通信網絡在智能變電站自動化系統中扮演著中樞神經的角色，而過程層網絡又是總站網絡的基礎和支撐，承擔了一、二次設備繼電保護信號、跳閘開關信號和全站電壓電流等數據信息的采集傳輸工作[6]，所以過程層網絡性能的好壞直接決定了整站自動化系統的安全性、可靠性和穩定性。

總之，隨著國家堅強智能電網的建設和智能變電站試點工作的持續展開，在實際應用中必須堅持以可靠、安全為主，經濟、實用為輔的原則，以滿足電力系統生產需求為出發點，根據具體情況來確定智能變電站自動化系統的網絡結構。

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