基于智能變電站三層一網的新型保護裝置研制

竇乘國，張宏波，陸征軍

（上海思弘瑞電力控制技術有限公司南京分公司，江蘇南京210012）

基于智能變電站三層一網的新型保護裝置研制

竇乘國，張宏波，陸征軍

（上海思弘瑞電力控制技術有限公司南京分公司，江蘇南京210012）

隨著通信技術的發展，為智能變電站間隔層、過程層、站控層間的采樣值（SV）網、面向通用對象的變電站事件（GOOSE）網、制造商信息規范MMS網合而為一（三層一網）的工程實踐提供可能。基于此新研制的一種保護裝置，可以實現網絡數據分級分流處理，同時，與相應的交換機配合組網，可以解決以往三層一網組網時數據難以同步的弊端，從而解決保護裝置的數據可靠性和可用性問題。在智能站三層一網的架構下，該裝置能滿足保護控制要求，通過參與相關的試驗驗證了裝置的可靠性。

三層一網；網關；組網；點對點

在智能變電站的應用過程中，智能變電站的二次設備以其可簡化電纜施工及連接、實現信息共享等巨大前景吸引著行業內相關技術和應用朝之發展，智能變電站的技術日趨成熟和穩定，其組網方式一直影響著智能變電站的可靠性、經濟性，正因為組網通信環節的瓶頸，實際的智能變電站發展未能盡如人意，光纜鋪設復雜，二次設備發熱嚴重且故障率高，變電站信息共享困難，進而影響智能變電站的實施、運行和推廣［1］。智能變電站實現了信息采集和傳輸的數字化，并通過網絡化得以實現高度的信息共享，不同的組網方式，對于智能變電站的信息共享有著不同的約束和限制。結合當前三層一網組網方式的新技術條件，研制了基于智能變電站三層一網組網方式的新型保護裝置，可以有效保證網絡信息數據的實時性、可靠性，以及采樣值（SV）數據的同步。

1　組網的技術發展

目前主流的智能化變電站中，一般采用三層兩網的組網方式。即按照裝置設備安裝位置可劃分為：間隔層、過程層和站控層，而通信網絡結構劃分為：過程層網絡、站控層網絡。其中，過程層網絡大多以面向通用對象的變電站事件（GOOSE）加SV這樣的組網方式進行信息采集和數據傳輸。而站控層網絡中主要依靠制造商信息規范（MMS）實現間隔層設備和變電站監控系統、遠動系統之間的信息交互。過程層網絡、站控層網絡各自通過獨立的交換機進行組網，在物理上相互獨立。其中，過程層網絡一般有2種組網方式，即點對點方式和網采網跳方式。

過程層點對點的組網方式就是間隔裝置通過專用光纖與合并單元或智能終端連接，其優點是組網原則簡單可靠，出故障后影響范圍小，最大限度地保證數據傳輸的及時性、可靠性。其不足主要有：組網光纖錯綜復雜，尤其在規模較大的變電站，施工復雜程度變高，而且調試起來比較復雜；點對點的連接方式不利于智能站數據共享；增加了光纖、設備光口等的硬件投資。

過程層網采網跳的組網方式是將過程層的SV網和GOOSE網共口組網聯接，即間隔層裝置、合并單元、智能終端通過交換機聯接，實現采樣數據網絡傳輸、跳閘命令等控制信息網絡傳輸。網采網跳的優勢是：可減少通信光纜的鋪設聯接，組網方式簡單，數據共享容易。其不足在于網絡數據傳輸的及時性、可靠性難以保障，尤其是對于利用跨間隔SV數據的間隔層裝置如母差保護、變壓器保護等，時鐘丟失時，數據的同步性難以保障，給網采網跳方式的應用帶來障礙。

為了最大限度實現數據資源共享、減少現場施工調試工作量，還有三層一網的組網模式，即將間隔層、過程層、站控層間的MMS網、SV網、GOOSE網合而為一，實現共網傳輸，也稱為三網合一，進一步簡化了網絡架構，降低了網絡組網復雜程度，網絡上的數據信息更加豐富。

近年來，相關人員一直在研究和探索形成三層一網的組網方式［2，3］，在裝置的研制、保護方案的配置方面也有相關研究和和探索提出了很好的方案［4，5］，然而如何劃分網絡上不同數據報文的優先級確保重要數據優先處理、以及時鐘丟失時SV數據的同步，一直是三層一網組網方式需要解決的問題。隨著通信技術的發展，目前困擾三層一網組網方式的兩大障礙技術分別有所突破。

（1）不同業務報文間的相互隔離。三層兩網是通過獨立組網的方式分流業務報文；采用三層一網方式組網時，網絡上傳遞各種數據，如何對不同重要程度的數據進行分流，重要的數據優先處理是保障數據實時性和可靠性的關鍵。虛擬局域網（VLAN）技術是當前經過實際檢驗的一種有效的數據分流技術，在站內可采用VLAN進行信息區分，MMS通過基于標記的VLAN和過程層SV、GOOSE隔離；過程層數據流通過靜態組播劃分實現精確控制，防止不同組播地址信號的相互影響，對未定義組播采用丟棄策略。

（2）時鐘源丟失時的數據同步。三層一網組網方式的另一個關鍵點是，解決好SV、GOOSE數據網采網跳問題，智能變電站繼電保護由直采直跳模式切換到網采網跳模式的最大障礙在于：跨間隔保護必須依賴于外部時鐘，以保證采樣數據同步性，當失去外部時鐘或外部時鐘出現故障時，跨間隔保護將退出運行。網采網跳模式中，采樣數據報文的傳輸依賴交換機，而報文在交換機內的傳輸延時是不確定的，因此當外部時鐘失去時，保護裝置無法判斷采樣數據是否同步。

隨著通信技術的進步，通過交換機報告傳輸延時的方法可以解決這個問題，原理是精確計算報文在交換機內的駐留延時（ΔT）并寫入SV報文內，保護裝置依賴本地時間基準，利用MU固有延時和鏈路駐留總延時ΔT還原收到的多個間隔的采樣數據的發生時刻，完成采樣值的同步處理，其原理等效直采模式，體現了采樣數據誰使用誰同步的基本原則。

2　三層一網裝置的研制

2.1設計思路

該保護裝置與通信交換機共同組網，實現三層一網的架構，其組網如圖1所示。

圖1　三層一網組網示意圖

在三層兩網的組網方式中，站控層和過程層分別組網，過程層設備之間的GOOSE接收和發送、SMV的接收一般是由裝置的專門數字化接口板完成的。而裝置站控層通信插件上的以太網口實現對監控系統等站控層設備的MMS通信。

從圖1可見，智能變電站三層一網的組網方式中，裝置可只通過一個插件上的網絡通信口實現與過程層設備、站控層設備信息的交互，不需要專門的數字化接口板再對外連接。實現GOOSE通信網、SV通信網、MMS通信網的三網合一通信連接。

實現三網合一的關鍵在于裝置能將通信板卡上以太網口接收的數據在裝置內部快速可靠分流，由專門的硬件、軟件模塊對數據進行分別處理，從而達到SV、GOOSE和MMS共網傳輸的目的。

基于這一思路，文中提出一種保護裝置研制思路：集中收發報文，按照裝置應用功能分別處理。對于一個典型的智能變電站內應用的保護裝置，其插件相關主要構成如圖2所示。

圖2　三層一網保護裝置硬件配置示意圖

其中，裝置通過中央處理器（CPU）插件完成對網絡接口功能，其從網絡接收SV、GOOSE、MMS報文，發送GOOSE、MMS報文。CPU插件提供電口和光口2種物理連接方式。數字信號處理器（DSP）插件完成保護邏輯運算。

CPU板卡接收到原始的3種報文后，僅保留站控層的MMS報文進行解包處理，而對于過程層的SV、GOOSE報文則通過總線背板數據線，轉發給SG插件，由SG插件完成數值處理功能，包括數據同步和數值重采樣功能。裝置內部的數據交互如圖3所示。

圖3　三層一網保護裝置數據交互示意圖

裝置的總線板（BUS）插件提供2種高速總線BUSA和BUSB。其中，BUSA用來共享CPU插件接收到的SV、GOOSE數據，SG插件對接收到的數據進行處理，處理完畢之后，通過BUSB進行共享。DSP插件可以用來進行邏輯運算、保護邏輯處理，最終的命令也通過BUSB傳遞到CPU插件，再發送到圖1中的A、B網中。

為了數據分流和可靠，裝置內部布置了BUSA、BUSB 2種總線。BUSA本質上相當于一個以太網總線，掛在其上的插件可以根據配置文件的情況，獲取需要的數據進行處理；BUSB則是裝置內部的高速總線，用于裝置內各個智能插件的數據交互。這樣的數據總線分配方式簡單可靠。

為滿足三層一網情況下網絡大容量數據可靠傳輸，百兆以太網速不能滿足實際需要，因此裝置CPU插件的網絡速率均設計為千兆網絡。

2.2技術細節及處理

根據設計思路，在硬件設計實現滿足三層一網的功能支持后，裝置內部通信軟件的實現在以下幾方面進行了特別的處理。

2.2.1報文分流

三層一網方式的一大弊端就是網絡上數據信息量太大，如果不能快速分流數據，勢必造成數據存儲資源的增大，保護邏輯處理的延遲，從而影響裝置整體性能。根據報文的類型和接收地址的不同，實現報文的快速檢測分流：CPU插件通過以太網幀頭識別出報文是否是站控層MMS報文后，通過其有效幀校驗的留給CPU板卡處理，其他報文則放置到裝置內部的BUSA總線上，這樣實現了報文類型分流。

在需要配置多塊SG插件的情況下，則將接收到的過程層數據幀解析幀頭部分，通過匹配以太網幀類型、報文鑒別碼（MAC）地址、APPID等方式，識別出該報文數據是否是本板卡需要處理的數據，以此實現多SG插件的數據分流處理。

2.2.2優先級控制技術

站在間隔層保護裝置從接收處理角度看，優先級依次為SV、GOOSE、MMS（SV優先于GOOSE的原因在于只有保護裝置有了正確的采樣數據，才能連續不斷的進行相關運算和處理）。故對于SV、GOOSE、MMS，該設計由SG板卡內部的現場可編程門陣列（FPGA）通過并行工作的方式，保證保護邏輯使用SV采樣、GOOSE數據時可盡快得到。從發送角度看，保護裝置需要發送GOOSE和MMS報文。對外網絡發送接口均優先判斷GOOSE的報文發送，MMS報文發送優先級最低。FPGA內部在發送數據包處理上是將這2類報文分布緩存在不同內存中，每次發送前均先判斷是否有GOOSE報文發送，再判斷是否有MMS報文發送；同時，為降低MMS報文發送過程中有發送GOOSE報文的可能，程序周期執行時也是GOOSE執行優先級高；而61850的MMS程序在執行過程中可以被GOOSE打斷執行從而進一步保證GOOSE報文的優先發送。

對于不同類型的裝置，優先級有所不同，對于過程層裝置合并單元而言，SV報文優先級則是最高，需保證SV數據發送的均勻性，而GOOSE報文則穿插在SV報文中間發送。

2.2.3網絡風暴抑制技術

三層一網的組網方式在簡化網絡架構的同時，增大了網絡的負擔，網絡流量比其他組網方式大，因此，裝置抵抗網絡風暴能力尤為重要。采用FPGA實現網絡風暴過濾，報文過濾分為2層：MAC層和解碼層。MAC層根據報文目標地址、報文類型、報文CRC進行過濾；解碼層通過報文幀數和報文參數進行過濾。

該裝置研制完成后參與了國網的新一代智能站三網合一測試，試驗過程中裝置的穩定性和可靠性以及抗網絡風暴能力均能達到相關要求［6］。

3　三層一網裝置的應用及體會

3.1裝置的應用

3.1.1站域保護控制系統

站域保護特別適用于網采網跳的組網方式，這方面也有不少的研究和應用［2，3］。文中所研制的110 kV站域保護控制系統基于前文所介紹的保護裝置，按照國網的相關要求，配置如下功能：

（1）冗余保護功能。按照110 kV變電站的一般規模，配置包括含2條110 kV線路重合閘功能的線路后備距離保護、線路后備零序方向過流保護及110 kV母聯分段過流保護，作為單套110 kV保護配置的冗余保護功能。

（2）優化后備保護功能。包括110 kV失靈保護、基于GOOSE信息的低壓簡易母線保護及加速主變低壓側過流保護。

（3）安全自動控制功能。包括低周減載、低壓減載、主變過負荷聯切及站域備自投功能。

該保護裝置繼承了網采網跳組網方式的優點，實現了網絡資源的共享，用最少的裝置、最簡的網絡架構，實現了全站后備保護冗余配置和優化以及低頻低壓減載、過負荷聯切、備自投功能的集成，提高了全站保護功能配置的可靠性和變電站運行的可靠性。試驗表明，站域保護控制系統裝置滿足相關規范的要求。

3.1.2 110 kV線路光纖差動保護

對于多間隔和線路縱差保護裝置而言，時鐘丟失時如何保證數據的同步是最大的問題。而在圖1系統中，由于網絡交換機已將報文在交換機內的駐留延時ΔT并寫入SV報文發出，保護裝置很容易依賴本地時間基準，利用MU固有延時和鏈路駐留總延時ΔT還原收到的各個間隔的采樣數據的發生時刻。可以根據各個間隔的最大延時進行對齊，從而實現數據同步。

文中所研制的110 kV線路光纖差動保護基于前文所介紹的保護裝置，在時鐘丟失的情況下也依舊能夠保證兩側裝置同步采樣，正常可靠運行。

3.2裝置開發應用過程中的體會

（1）交換機網絡風暴抑制。由于全部設備掛在交換機上，必須保證交換機的網絡風暴抑制功能，條件許可要模擬網絡風暴檢測交換機的抗風暴性能。

（2）雙網調試。三網合一應用下，還可考慮通過雙網來提高全網設備的穩定性，保證數據的正確交換。

（3）交換機流量控制。即便是千兆網絡，也需要評估全部設備接入后交換機的流量狀況，保證交換機的負載不能過重。

（4）VLAN確認。通過VLAN劃分，減少接收設備無效數據的接收，也減少交換機內部數據轉存，提高數據的有效流動。

（5）交換機延時標記確認。為盡可能提高保護的動作速度，對于網絡上各級交換機的SV數據包的延時時間需要正確統計，為網采需要設定采樣回退時間的保護、測控等設備提供參數。

4　結束語

隨著通信技術的發展，尤其是交換機技術的發展，三層一網的組網方式成為可能。文中研制的基于三層一網要求的保護裝置，在站域保護控制系統、110 kV線路保護等多間隔保護等方面取得了應用。相關測試試驗表明，裝置的性能指標滿足要求，在網絡風暴的環境和時鐘丟失的條件下，裝置依然能夠正常工作。隨著智能變電站的發展，三層一網的組網方式由于自身的優勢也會得到推廣應用，基于三層一網的保護裝置也會有廣闊的應用前景。

［1］陳磊，張侃君，夏勇軍，等.智能變電站站域保護研究綜述［J］.華東電力，2013，41（5）：0947-0952.

［2］杜振華，王建勇，羅奕飛，等.基于MMS與GOOSE網合一的數字化網絡保護設計［J］.電力系統保護與控制，2010，38（24）：178-181.

［3］和敬涵，李倍，劉琳，等.基于分布式功能的站域保護［J］.電力系統保護與控制，2014，42（6）：26-32.

［4］董新洲，丁磊.數字化集成保護與控制系統結構設計方案研究［J］.電力系統保護與控制，2009，37（1）：1-5.

［5］高東學，智全中，朱麗均.智能變電站保護配置方案研究［J］.電力系統保護與控制，2012，40（1）：68-71.

The Development of the New Protective Device Based on the Three-level-in-one-network Situation of Smart Substation

DOU Chengguo，ZHANG Hongbo，LU Zhengjun
（Shanghai SHR Electrical Power Technology Co.Ltd.Nanjing Branch，Nanjing 210012，China）

The development of the communication technology makes it possible of integrating the sampled value（SV）network，generic object oriented substation events（GOOSE）network and manufacturing message specification（MMS）network for the bay level，the process level，and the station level（three-level-in-one-network）.A new developed protective device for this integration can realize the grading and separate treatment of the network data.Meanwhile，this new device can networkwiththecorrespondingswitch，whichcansolvethedatasynchronizationproblemunderthe three-level-in-one-network condition，thus the problem of the data reliability and availability of the protective device can be solved.Under the three-level-in-one-network structure，this device can meet the requirements of protection and control in the smart substation.The reliability of this new developed protective device already has been verified by relevant tests.

three-level-in-one-network；gateway；networking；point-to-point

TM77

B

1009-0665（2015）01-0043-04

2014-08-20；

2014-10-11

竇乘國（1974），男，湖南永州人，工程師，從事繼電保護、智能變電站應用的相關研究工作；

張宏波（1975），男，吉林伊通人，高級工程師，從事嵌入式軟件在電力系統內應用、智能變電站應用的相關研究工作；

陸征軍（1973），男，江蘇張家港人，高級工程師，從事繼電保護、智能變電站應用的相關研究工作。