淺析層組網在高電壓等級智能變電站使用分析

摘要：智能站內網絡系統的運行狀況對智能變電站的可靠、安全運行影響尤為重要。過程層網絡作為智能變電站的基礎網絡，直接關系到全站數據采集和保護運行的可靠性和實時性。在數字化變電站發展過程中，獨立組網到全站共網再到直采直跳模式等網絡結構在GOOSE組網應用中各存優缺點，文章針對不同電壓等級變電站配置情況，利用網絡記錄分析對網絡數據流量及延時等重要因素進行了詳細的對比分析，比較了各組網模式下的適用情況。

關鍵詞：智能變電站;直采直跳;組網模式

一 引言

智能變電站由智能化一次設備和網絡化二次設備分層構建，一、二次設備的互聯、互通是以集成通信技術為基礎的，而要實現集成通信，必須使用通用的標準。以IEC61850標準為基礎的通信體系，具有突出的技術特點：使用面向對象建模技術，使用分布、分層體系，使用ACSI、SCSM技術，使用MMS技術，具有互操作性，具有面向未來的開放的體系結構，因此能夠實現數字化變電站內智能電氣設備間信息共享和互操作。

在實際工程應用時，應根據電壓等級、網絡負載量、網絡通信介質、經濟性、安全性等因素確定GOOSE 的組網方式^[1，2]。

二 簡介常見組網形式

1.“多網融合”模式

全站三層設備設置一層網絡，單網結構，并按照IEC61850協議進行系統建模及信息傳輸，通信介質采用光纖。站控層設備、智能組件及主變保護測控裝置均接入該層網絡。采用MMS、GOOSE、SV和IEEE1588四網合一方式。

MMS、GOOSE、SV和1588全部在一個以太網中傳輸，簡化了網絡及交換機配置。保護仍然采用直采直跳方式，即保護所需模擬量、開關量和跳閘信息均通過專用光纖直聯，通信規約采用IEC61850-9-2。閉鎖信息、母線保護所需數據通過網絡方式傳輸。GOOSE是一種突發式的高實時低帶寬流量，在間隔內和最大情況下只有10%負載，與采樣值交換機共網運行完全不會影響GOOSE的實時性。交換機技術和VLAN技術的不斷發展，使得“四網”合一變得可能。

1）網絡延時不穩定，對保護快速動作造成不利影響;

2）對交換機的依賴性較強，當交換機發生故障時存在造成保護誤動的風險;

3）對GPS的同步信號依賴性很強，當同步信號丟失后，可能會造成各側的采樣不同步，對保護運行帶來極大風險。

由于過程層采樣均為80點采樣，數據運算量較大，因此高電壓等級變電站中對網絡穩定性、可靠性要求較高，網絡造價十分龐大。

2.單獨組網模式

站內各層網絡內部以及層次之間采用高速通信網絡。圖圖2-1展示了一個典型智能變電站結構方案。

a.GOOSE 獨立組網。基于GOOSE 傳送的信息對實時性以及可靠性的要求，GOOSE 網絡采用獨立組網，IED 裝置具備獨立的GOOSE 通信口。獨立組網優點在于：避免了與不同優先級數據的同網傳輸，保證了數據傳輸的可靠性;數字化變電站內部網絡之間基于物理隔離，某一網絡故障不會影響到另一網絡的運行，提高了數字化變電站的安全性。

b.SMV單獨組網

數字化變電站內共用網絡方式。隨著網絡通信技術的發展，采樣報文基于IEC61850-9-2 標準，過程層網絡與變電站層網絡合并是數字化變電站組網方式發展的目標。這種組網方式的優點在于：間隔層智能設備僅需一個通信口，降低了智能設備的成本，同時降低了數字化變電站的網絡建設成本。

3.GOOSE組網+直采直跳模式

針對IEC61850-9-2模式存在的不利因素，出于電網安全可靠性的要求，智能變電站技術導則提出了直采直跳模式（即點對點模式），直接采樣是指智能電子設備間不經過以太網交換機而是以點對點光纖直聯方式進行采樣值傳輸，直接跳閘是指智能電子設備間不經過以太網交換機而以點對點光纖直聯方式進行跳合閘信號的傳輸，而繼電保護之間的聯閉鎖信息、失靈啟動等信息宜采用GOOSE網絡傳輸方式。

相對于傳統的基于IEC61850-9-2組網接入方式，SV直采方式省去了間隔交換機，MU的數據經光纖接入保護裝置，且MU為保護提供的電流數據不再需要同步脈沖信號，所以就降低了對外部同步脈沖信號的依賴性，同時由于過程層采樣數據運算量較大，對合并單元硬件設備要求較高，目前以220kV云會變實際應用來看，采用400MHz采樣CPU可以達到理想效果。

全站時鐘源采用GPS和“北斗”雙時鐘源配置，對時方式采用B碼或IEEE1588網絡對時，使對時精度達到毫秒級以上，滿足計量和故障測距及PMU的要求。

三 網絡對比分析

直采直跳方案采用了設備分層（站控層、間隔層和過程層）、網絡分開（GOOSE、SV和MMS）、對時分類（站控層采用SNTP對時，過程層采用B碼對時），各保護與合并單元和智能終端交換數據沒有采用網絡方式，但各裝置對時大量采用IRIG-B碼串口對時，導致增加大量光纜和電纜，且由于各層網絡的獨立設置，必須為此增加更多的網絡交換機。使得變電站設備冗余，投資增加，在電壓更高等級的變電站中，出于電網安全和可靠性的考慮，增加這些設備和投資顯得必要。

SMV點對點+GOOSE網易于實現，點對點的光纖網絡布線過于復雜，且信息共享程度較低，IEC60044-8和IEC61850-9-1已被國際電工委員會廢除。SMV網、GOOSE分別單獨組網，交換機投資較大，而且實際上對于保護來說即使單獨組網，其任何采樣值（輸入）還是GOOSE（輸入輸出）故障都將影響保護的判別，因此單獨組網意義不大。SMV與GOOSE共網，主要取決于網絡的流量，需根據變電站的電壓等級、規模合理組網。

表3-1 各種組網形式優缺點分析

組網方式

描" 述

優" 點

缺" 點

SMV點對點+GOOSE網

采樣值點對點

技術上易于實現

采樣值數據無法共享，跨間隔功能實現困難，不符合智能電網的標準化、開放性要求。

SMV網+ GOOSE網

采樣值數據與GOOSE信號完全獨立傳輸

技術上易于實現，SMV數據與GOOSE信號傳輸完全獨立。

網絡結構復雜，運行維護不方便，交換機數量多，若再考慮網絡冗余方式，交換機的投資巨大。

SMV、GOOSE時鐘同步共網

采樣值數據、GOOSE和時鐘同步信號在同一物理網絡上傳輸

網絡結構簡單，SMV、GOOSE、同步信號共網，運行簡單，維護方便，交換機投資少。

對交換機、合并單元、智能單元、保護測控等裝置數據處理能力要求高，需支持IEC6 1588，對網絡結構和交換機的配置方式要求較高，尤其是故障錄波器、母差等全站式應用裝置需要具備多個百兆流量處理能力。

四 實際工程樣例

220kV云會變220kV部分為四進線雙母接線，110kV單母分段五條出線，遠景11條，采用過程層GOOSE組網+直采直跳模式，每個間隔配置100M MOXA工業交換機，對時采用光纖B碼對時，采樣值傳輸協議采用IEC61850-9-2LE標準。對于保護用數據（線路保護、母差保護測控、故障錄波、計量、報文記錄分析）采用雙A/D，80 點/周波采樣率，對于同步測量分析用數據（PMU、電能質量分析等）采用200點/周波采樣率，兩種采樣率數據在合并單元共網口輸出。通過報文數據分析儀監測，單間隔采樣數據在900～980kb/s，網絡延遲在幾個ms級，即使在動態過程中，由于采樣網與GOOSE跳閘為直連模式，在過程層GOOSE網流量增加并不明顯。

五 結語

本文對智能化變電站及IEC61850的應用情況進行了概述，對目前國內常見智能變電站過程層組網形式進行了總結。

（1）著重對直采直跳組網模式網絡運行情況加以分析，共同組網模式較適用于低電壓等級采樣數據較少變電站;直采直跳模式試點的成功，更適用于高電壓等級變電站，較好地兼顧了實時性與成本預算，220kV及以上電壓等級變電站若采用SV組網模式，必須考慮使用千兆交換機及組播技術，且還要兼顧變電站擴建帶來的瓶頸限制，成本難以控制。

（2）針對杭州220kV云會變的工程實例，對各種組網形式進行了對比分析，現場運行情況良好且日后擴建較為容易。本工程的實施對高電壓等級傳統變電站智能化改造中網絡系統設計應用具有一定的參考意義。

參考文獻：

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[2]曹海歐，嚴國平，徐 寧，李 澄.數字化變電站GOOSE組網方案[J].電力自動化設備，2011，31（4）：143-150.

[3]徐成斌，孫一民.數字化變電站過程層GOOSE[J].電力系統自動化，2007，31（19）：91-94.