智能化變電站的兩種建設模式探討

胡子侯

（廣東電網公司茂名供電局，廣東茂名 525000）

智能化變電站的兩種建設模式探討

胡子侯

（廣東電網公司茂名供電局，廣東茂名 525000）

智能電網是電網未來發展的趨勢，而智能化變電站的建設是智能電網實現的基礎，就建設智能化變電站的兩種模式進行探討，同時對其優缺點進行分析，提出今后智能化變電站的建設建議。

智能化變電站；建設模式；探討

0 引言

智能化變電站的建設仍在摸索階段，國內主流建設模式有兩種：一種是保護裝置GOOSE組網跳閘方式建設模式，另一種是保護裝置直采直跳建設模式。保護裝置GOOSE組網跳閘方式，即保護裝置、智能終端均引接至過程層GOOSE網交換機，跳閘、繼電保護之間的聯跳閉鎖信息、失靈啟動等GOOSE信號通過過程層GOOSE網絡傳輸，其他信號通過過程層SV網傳輸；保護裝置直采直跳方式，即保護采樣機跳閘信號通過直跳光纜傳輸，繼電保護之間的聯跳閉鎖信息、失靈啟動等GOOSE信號通過過程層GOOSE網絡傳輸，此外，還有一些信號傳輸是在SV網絡的協助下傳輸的。無論是組網跳閘方式建設模式還是直采直跳建設模式都有各自的優缺點，文章主要對這兩種方式進行分析，提出相應的解決方案。

1 智能化變電站建設模式分析

保護裝置GOOSE組網跳閘方式建設模式在南方電網各智能化變電站被廣泛采用。除此之外，保護裝置GOOSE組網跳閘方式建設模式在國家電網試點智能化變電站也被采用，保護裝置直采直跳新型建設模式在智能化變電站裝置中使用主要受到國家電網公司實施和發布的一些電網技術規范的影響。

2 保護裝置直采直跳建設模式

該模式通過光纖引導的方式將智能化變電站保護裝置的出口跳閘引至智能終端，也可以直接將保護采樣引至合并單元，對于保護采樣和跳閘信號的傳輸可以通過直跳光纜進行傳輸。繼電保護之間的聯跳閉鎖信息、失靈啟動等GOOSE信號通過過程層GOOSE網絡傳輸，其他信號通過過程層SV網傳輸，其系統圖見圖1。

2.1 保護裝置直采直跳方式智能化變電站的優點

（1）該方式采用點對點傳輸，不依賴網絡，因此，網絡出現故障的情況下不會影響到保護裝置的跳閘出口。利用點對點的傳輸方式一定程度上能夠避免交換機帶來的問題，可以解決交換機延時帶來的保護誤動，另外，在受到電磁干擾的情況下交換機采樣值會出現閉鎖現象，點對點傳輸能夠解決閉鎖保護。

圖1 保護裝置直采直跳方式智能化變電站系統圖

（2）與傳統變電站相比，此模式在變電站結構上沒有發生根本性變化，基層繼保人員容易適應。

（3）在保護定檢或變電站擴建時，試驗措施與傳統變電站相似，容易實施，風險相對容易控制。

2.2 保護裝置直采直跳方式智能化變電站的缺點

（1）對保護裝置的硬件要求高。點對點模式下，保護裝置的數據接口大幅增加，同一時間多個接口的數據都需要利用CPU進行處理，一定程度上增加了處理量。對于CPU的選擇上還需要采用性能高的CPU，這樣處理的數據才更具有實用性。

（2）增加了現場施工的工作量。與網絡傳輸模式相比，點對點的傳輸模式下的裝置間光纜接線相對較多，從而使得現場施工的工作量增加，此外，增加熔接點一定程度上會影響到數據傳輸的穩定性。

（3）增加了裝置出現故障的頻率。在裝置設置過程中，增加保護裝置端口的數量，就會使得其CPU的發熱量隨著增加并且有可能大于常規CPU發熱量，使得裝置的運行環境受到嚴重影響，這時的裝置在運行中就會頻繁發生故障，若裝置中光纖的熔接點較多時也會增加故障的發生概率。

（4）故障不易排查，維護難度大。由于光纜接線和光纖熔接點較多，在發生回路異常時，較難排查安全隱患。

（5）不方便進行故障分析。在采用點對點傳輸時，跳閘出口的設備連接都是采用一對一的直接連接方式，對數據報文的流程不能很好地進行檢測，從而阻礙了故障分析的渠道。

3 GOOSE的組網跳閘方式建設模式

該模式智能化變電站保護裝置、智能終端均引接至過程層GOOSE網交換機，跳閘、繼電保護之間的聯跳閉鎖信息、失靈啟動等GOOSE信號通過過程層GOOSE網絡傳輸，其他信號通過過程層SV網傳輸，其系統圖見圖2。

圖2 保護裝置GOOSE組網跳閘方式智能化變電站系統圖

3.1 保護裝置GOOSE組網跳閘方式智能化變電站的優點

（1）對保護裝置的硬件要求較低。該模式下，保護裝置的數據接口較少，CPU不需同時處理各個端口的數據，CPU性能較易滿足數據處理的實時性要求。

（2）現場施工工作量小。網絡化傳輸方式在保護裝置的出口設置中被采用，其優勢在于鋪設的光纖數量和網絡構架相對較少，一定程度上使得設備互聯調試的工作量適當的減輕了，工程建設時間也快速縮短了。

（3）方便進行故障分析。利用網絡傳輸方式對過程層的數據進行傳輸，這樣可以方便網絡報文對設備監控過程中的信息進行交互，能夠快速地發現網絡設備中的故障，同時能夠清楚地劃分設備廠商的責任。

3.2 保護裝置GOOSE組網跳閘方式智能化變電站的劣勢

（1）交換機在使用過程中對性能的要求相對較高。交換機的性能是網絡化傳輸的最大瓶頸。數據在傳輸的過程中會出現延時問題，因此，需要對網絡數據進行合理分配，這樣不僅能夠提高交換機硬件質量，還能夠使其穩定地運行，這種網絡化傳輸方式是需要解決的重點問題。

（3）GOOSE組網跳閘方式智能化變電站采樣時間較長。通過網絡進行傳輸的過程中采樣值會出現延時，為了能夠使得間隔數據同步進行，需要利用對時系統。

（4）適應周期長。與傳統變電站相比，此模式在變電站結構上發生根本性變化，基層繼保人員適應周期較長。

（5）試驗風險控制難度增加。在保護定檢特別是變電站擴建試驗時，由于保護跳閘信息需走公用GOOSE網絡，在試驗時很難控制對運行設備的影響，風險控制措施執行難度大。

3.3 分析GOOSE組網跳閘的可靠性和速動性

3.3.1 GOOSE組網跳閘的可靠性分析

GOOSE在智能變電的過程中信息流量相對較少，當出現的故障比較嚴重時，對間隔流量會有一定的要求，一般不能超過2 Mbit／s，這樣不容易造成網絡堵塞。此外，GOOSE可靠性相對較高，主要因為其采用的網絡模式是雙網結構模式。

3.3.2 對GOOSE組網跳閘的速動性探索

本項目為EPC項目，較傳統項目而言，各參建方可以提前介入廣義裝配式的策劃和實施。業主參與裝配式專項工作全過程的組織、統籌與決策，同時負責督促檢查各參建單位的落實情況與過程審核；工程監理為裝配式專項工作的總體協調單位，負責協助業主對參建單位的裝配式方案進行審核，并對落實情況過程監督與把關；總承包單位牽頭實施裝配式專項工作，組織專業單位資源，編制裝配式實施方案。

交換機網絡傳輸延時組成不要分為以下幾點：

（1）交換機存儲轉發延時（簡稱TSF）

現代變換機的設計原理一般都是存儲轉發，通常情況下，利用幀長除以傳輸速度就能算出單臺交換機的存儲轉發延時。百兆端口存儲轉發延時122 μs，千兆端口存儲轉發延時12 μs。

（2）交換機交換延時（簡稱TSW）

通常情況下，見到的交換機交換延時的數據都是固定的，其大小往往取決于交換機芯片處理MAC地址表、VLAN、優先級。而交換延時比較短的是工業以太網交換機，其延時一般不超過10 μs。

（3）光纜傳輸延時（簡稱TWL）

光纜傳輸延時通常是光速的2／3倍，其計算是利用光纜長度除以光纜光速。以1 km為例，光纜傳輸延時約5 μs。

（4）交換機幀排隊延時簡稱TQ

利用順序傳送的方式解決交換機幀沖突就會給交換機延時帶來一些不確定的因素，嚴重的情況下會影響到交換機借口報文的發送，如果在計算中忽略交換機幀沖突中間隔的時間，就會出現媜排隊延時問題。其中幀排隊的最短延時一般為0。

根據以上分析．可以得出經過N臺變換機的最長報文傳輸延時TALL=N（TSF+TSW+TQ）+TWLA

其中，TALL表示報文經過N臺交換機的光纜傳輸總延時。

星形結構形式下的轉發文需要的交換機臺數最大為3臺。

評估TQ時一般都是借助于平均排隊延時方式，當延時比較長時，目的端口或交換機級聯端口接受的最長報文是通過所有交換機其他端口發送來的。

以3臺交換機、每臺交換機16個100 Mbit／s光口、光纜總長1 km、級聯端口采用千兆端口為例，下面是網絡傳輸中延時最長的計算值：

實際運行中，當繼電保護傳輸的字節減少時，GOOSE報文不超過300 B，這種情況下也會使得網絡延時減少。計算GOOSE報文的傳輸延時必須滿足IEC 61850規定的3 ms的延時要求，才能夠獲得準確的結果。

除此之外，在實際使用過程中可以通過一系列方式縮短網絡延時，利用IEEE 802．1Q優先級標志和虛擬LAN就可以達到縮短網絡延時的目的，更好地提升報文傳輸的實效性。鑒于對VLAN的特點的研究，如果一個VLAN內部的廣播和單播流量都不會轉發到其他VLAN，這樣就可以控制流量的流失，一定程度上降低設備投資，方便網絡管理，也使得網絡的安全性能有所提升。可以協助保護裝置GOOSE組網跳閘方式的改進，又能夠滿足繼電保護速動性的要求。

4 兩種建設模式探討

通過比較兩種建設模式的系統結構和優缺點，可以看出：

（1）直采直跳方式，需要更多的接口。網跳方式下，每個間隔的電流信息通過合并單元直接上過程層SV網供所有保護（包括線路或主變保護、母差保護、失靈保護等）共享，而直采直跳方式下，合并單元需向每個保護直接提供采樣，因此合并單元需增加網絡接口。網跳方式下，所有保護的跳閘信息都是通過過程層GOOSE網到一次設備智能終端進行跳閘，而直采直跳方式下，需要每個保護通過光纖直接接到一次設備智能終端進行跳閘，需要增加智能終端的網絡接口，對于500 kV線路保護，需增加1個跳中開關網絡接口，而對于母差失靈保護，需要有滿足跳所有間隔開關的網絡接口，網絡接口數量相比增加幅度最大。直采直跳方式下由于網絡接口的大量增加導致硬件成本大增，同時由于需要更多網口的信息，也不利于保護的運行。

（2）直采直跳方式，需要更多光纜和光纜熔接。由于直采直跳方式，需要每個保護通過光纖直接接到一次設備智能終端進行跳閘，所以光纜數量大大增加，同時光纜熔接量也增大，因此，光纜成本以及施工成本大增。

通過分析可知，采用直采直跳方式的保護裝置具有多重優勢，但是光口數量和熔接點多，光纜用量大，基于這些優勢的影響，直采直跳方式下的造價投資高于網跳投資。

5 結語

智能化變電站無論采用直采直跳方式還是采用GOOSE組網跳模式，這些模式一定程度上都能夠滿足繼電保護的需要和要求，此外，保護裝置GOOSE組網跳閘方式在多個方面都優于直跳方式，它的全壽命周期投資造價低，不僅綠色環保，還能夠實現信息共享功能，同時還能對故障進行分析，能夠滿足智能電網全站信息數字化、通信平臺網絡化的發展。因此，建議以后智能化變電站建設中采用GOOSE組網跳閘方式建設模式。

Discussion on Two Kinds of Construction Mode of Intelligent Substation

HU Zi-hou
（Maoming Power Supply Bureau，Maoming525000，China）

The smart grid is the trend of future development of power grid，and the construction of intelligent substation is the foundation of realization of smart grid， the construction of the two modes of intelligent substation are discussed， and the advantages and disadvantages are analyzed，then put forward proposals of intelligent substation construction in the future.

intelligent substation；construction modes；discuss

TM727

A

1009－9492(2015)10－0039－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.10.010

胡子侯，男，1982年生，湖北武穴人，大學本科，工程師。研究領域：變電站繼保設備運行及檢修。已發表論文1篇。

(編輯：阮 毅)

2015－04－30