基于IEC61850標準的智能變電站過程層組網(wǎng)技術研究

李 鵬，李洪凱，樸在林，張 靜

（1.國網(wǎng)朝陽供電公司，遼寧 朝陽 122000；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學，遼寧 沈陽 110161）

基于IEC61850標準的智能變電站過程層組網(wǎng)技術研究

李 鵬1，李洪凱1，樸在林2，張 靜1

（1.國網(wǎng)朝陽供電公司，遼寧 朝陽 122000；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學，遼寧 沈陽 110161）

選擇適當?shù)闹悄茏冸娬具^程層組網(wǎng)方式，采用虛擬局域網(wǎng)技術對過程層交換機進行合理的VLAN劃分，可大大提高交換機的使用效能，避免產(chǎn)生網(wǎng)絡阻塞。介紹了智能變電站系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)技術，研究了智能變電站的過程層網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，并根據(jù)VLAN技術，探討了網(wǎng)絡的VLAN劃分方案，同時結(jié)合工程實例提出了220 kV智能變電站具體的組網(wǎng)方案及VLAN劃分實現(xiàn)方式。通過220 kV馬山變電站的實例應用證明，獨立星型雙單網(wǎng)方式及基于端口的VLAN劃分能有效地保證智能變電站過程層網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。

智能變電站；過程層；組網(wǎng)方式；VLAN劃分

智能變電站是由電子式互感器、智能化一次設備及網(wǎng)絡化二次設備在IEC61850通信標準基礎上分層構(gòu)建而成，具有智能電子設備間的信息共享性和互操作性。由于高速以太網(wǎng)和IEC61850標準的應用，智能變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在繼承分層分布式變電站結(jié)構(gòu)優(yōu)點的同時，又有了不同于常規(guī)變電站的革新性變化。目前，相關設備運行業(yè)績少、時間短，相關方案尚未完全達成共識，對安全性和可靠性的擔憂也不能忽視［1］。本文在介紹智能變電站系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)技術的基礎上，研究了智能變電站的過程層網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，并根據(jù)VLAN技術，探討了網(wǎng)絡的VLAN劃分方案，同時結(jié)合工程實例提出了220 kV智能變電站具體的組網(wǎng)方案及VLAN劃分實現(xiàn)方式。

1 過程層網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

1.1 優(yōu)點

相對于常規(guī)變電站，智能變電站過程層網(wǎng)絡化主要有如下優(yōu)點。

a.該網(wǎng)絡取代原來的二次接線，對實時性、安全性和可靠性要求較高。

b.該網(wǎng)絡的主要用戶是繼電保護裝置及測控裝置，根據(jù)《智能變電站設計規(guī)范》及《智能變電站技術導則》的相關規(guī)定，要求220 kV智能變電站的繼電保護需雙重化配置，要求2套保護的回路相互獨立。因此，取代二次回路的過程層網(wǎng)絡也必須是2個獨立的網(wǎng)絡［2］。

c.1個交換機的故障要盡可能減少影響保護的套數(shù)。

1.2 常見類型

目前較常見的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)有總線型網(wǎng)絡、環(huán)形網(wǎng)絡及星型網(wǎng)絡。總線型網(wǎng)絡的可靠性不能滿足過程層網(wǎng)絡的要求，因為1臺交換機故障有可能導致失去多套保護。環(huán)形網(wǎng)絡產(chǎn)生網(wǎng)絡風暴的可能性較高，出于安全性考慮，環(huán)形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)亦不適用于220 kV變電站的過程層網(wǎng)絡［3］。鑒于此，星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是較好的選擇，也是目前過程層網(wǎng)絡應用最多的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。另外，環(huán)形網(wǎng)絡中普遍采用快速生成樹技術實現(xiàn)網(wǎng)絡冗余，其網(wǎng)絡故障恢復時間是秒級的，若在此期間發(fā)生故障，將延緩故障切除時間，對電網(wǎng)極為不利。

典型的星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)有共享星型雙網(wǎng)、獨立星型單網(wǎng)和獨立星型雙網(wǎng)3種［4］。如圖1所示，共享星型雙網(wǎng)是保護測控裝置、合并單元和智能終端都接入A網(wǎng)和B網(wǎng)中，雙套裝置共用雙套網(wǎng)絡。獨立星型單網(wǎng)如圖2所示，2套裝置分別接入A網(wǎng)和B網(wǎng)中，1套裝置只能與1個網(wǎng)絡連接，2個網(wǎng)絡彼此獨立。獨立星型雙網(wǎng)如圖3所示，它是1套裝置與1個雙網(wǎng)相連，另1套裝置與另1個雙網(wǎng)連接，2個雙網(wǎng)彼此獨立。目前3種類型的星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)都有應用，但共享星型雙網(wǎng)和獨立星型雙網(wǎng)投資和工程量較大，而獨立星型單網(wǎng)造價低，工程量相對較小，且能滿足安全可靠性要求，完全能夠滿足工程實際應用，故應用較多［5］。

2 交換機VLAN劃分實現(xiàn)

虛擬局域網(wǎng)VLAN（Virtual Local Area Networ）技術充分體現(xiàn)了現(xiàn)代網(wǎng)絡技術的重要特征：高速、靈活、管理簡便和易擴展。是否具有VLAN功能是衡量局域網(wǎng)交換機的1項重要指標。VLAN技術是通過將局域網(wǎng)內(nèi)的設備邏輯地劃分成不同網(wǎng)段，從而實現(xiàn)組建虛擬工作組的技術，達到減少碰撞和廣播風暴、增強網(wǎng)絡安全性，并為802.1p協(xié)議的實現(xiàn)奠定了技術基礎，提供了實現(xiàn)手段［6］。

交換機在網(wǎng)絡中占據(jù)著絕對的位置，從某種意義上說，交換機的性能與成本決定了網(wǎng)絡的性能與成本［7］。目前10／100M自適應網(wǎng)絡交換機是市場的主流［8］。智能變電站網(wǎng)絡信息數(shù)據(jù)總量十分可觀，但大部分信息數(shù)據(jù)不需要橫向流通，在過程層網(wǎng)絡中采用VLAN技術，為100M以太網(wǎng)交換機在智能化變電站組網(wǎng)中的應用奠定了理論基礎，降低了組網(wǎng)成本，滿足了網(wǎng)絡的安全性及可靠性。

圖1 共享星型雙網(wǎng)

圖2 獨立星型單網(wǎng)

圖3 獨立星型雙網(wǎng)

2.1 傳輸流量計算

因為不同間隔間需要共享部分信息，而不是全部信息，因此將全站過程層交換機經(jīng)過主干交換機進行星形模式級聯(lián)［9］。如果不對間隔層交換機流出數(shù)據(jù)進行流量控制，交換機容易發(fā)生流量超負荷的情況，使網(wǎng)絡產(chǎn)生阻塞甚至癱瘓。對單間隔的SV數(shù)據(jù)流量及GOOSE數(shù)據(jù)流量進行理論計算和實際測試，結(jié)果與預期相一致。

IEC61850－9－2標準中最大報文長度（SVLD為變長量），單間隔SV計算流量如下。

按每幀1點（12個模擬量通道）計算，1個合并單元1 s的數(shù)據(jù)流量為

實際測試SV流量和理論計算數(shù)據(jù)相當。GOOSE在實際工程中的最大報文長度按T0＝10 s計算，智能終端1 s的數(shù)據(jù)流量為

交換機數(shù)據(jù)吞吐總量由流入交換機的數(shù)據(jù)決定，理論上流入數(shù)據(jù)都可以正確流出，只是數(shù)據(jù)流量的大小決定了網(wǎng)絡（延時）性能。

2.2 VLAN劃分方案

IEC61850標準對智能變電站網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)進行了詳細劃分，根據(jù)網(wǎng)絡信息的不同需求和要求，給予不同報文不同的優(yōu)先級［10］。VLAN劃分常用的模式有基于端口的VLAN劃分、基于MAC地址的VLAN劃分、基于路由的VLAN劃分及基于策略的VLAN劃分。其中基于端口的VLAN劃分模式是最簡單有效的方法，在智能變電站中得到大量應用。基于端口的VLAN劃分模式是從邏輯上把交換機按照端口劃分成不同的虛擬局域網(wǎng)絡，使其在所需的局域網(wǎng)絡中流通。

對于SV采樣數(shù)據(jù)，合并單元和其對應的裝置應劃分到1個VLAN，且全站唯一。合并單元應和其所在母線上全部需要采樣值的裝置劃分為1個VLAN且全站唯一。對于全站GOOSE信息，采用IEC61850－9－2標準時應統(tǒng)一分配1個VLAN，且全站唯一。對于對時報文，可統(tǒng)一分配1個VLAN。按間隔劃分VLAN是過程層組網(wǎng)的基本原則，典型變電站線路交換機配置如圖4所示，VLAN靜態(tài)配置如表1所示。

3 工程實例應用

根據(jù)《智能變電站繼電保護技術規(guī)范》的相關規(guī)定，220 kV馬山智能變電站過程層網(wǎng)絡采用混合組網(wǎng)方式，母線保護采用直采網(wǎng)跳方式，其他保護采用直采直跳方式，其余的測控、網(wǎng)絡分析及錄波等設備采用獨立星型雙單網(wǎng)的方式實現(xiàn)。實現(xiàn)了SV、GOOSE和IEEE1588標準對時共網(wǎng)，亦稱為“三網(wǎng)合一”。該站過程層雙單網(wǎng)網(wǎng)絡配置主干交換機2臺，主變交換機4臺，線路及其他間隔交換機6臺，主干交換機采用RUGGEDCOM交換機，其余采用北京東土交換機。馬山智能變電站的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖5所示。鑒于所有的合并單元、智能終端、IED設備都連接在過程層網(wǎng)絡上，數(shù)據(jù)量尤其是來自合并單元的SV采樣值巨大，龐大的數(shù)據(jù)傳輸會消耗網(wǎng)絡帶寬，使網(wǎng)絡延時，因此合理地利用VLAN劃分將相互間無數(shù)據(jù)交換的設備隔離起來，以提高交換機的數(shù)據(jù)交換性能，避免發(fā)生網(wǎng)絡阻塞。

在本工程中，通過帶有優(yōu)先級的VLAN來降低過程層網(wǎng)絡區(qū)域內(nèi)的負載，并通過VLAN把不相干的設備獨立出來。按照間隔和功能來劃分VLAN，把SV、GOOSE劃分到不同的VLAN，鑒于IEEE1588對時信息的特殊性，對時網(wǎng)不再劃分單獨的VLAN，而是采用交換機默認的VLAN方式。本文僅列出1個交換機的網(wǎng)絡接線方式和VLAN劃分，220 kV馬山變電站的主干A網(wǎng)交換機的網(wǎng)絡接線及VLAN劃分情況如圖6和表2所示。

圖4 線路間隔交換機配置

表1 VLAN靜態(tài)配置

表2 A網(wǎng)1號交換機VLAN靜態(tài)配置

圖5 220 kV馬山變電站網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

圖6 220 kV主干A網(wǎng)交換機網(wǎng)絡配置

4 結(jié)束語

選擇適當?shù)闹悄茏冸娬具^程層組網(wǎng)方式，采用虛擬局域網(wǎng)技術對過程層交換機進行合理的VLAN劃分，可大大提高交換機的使用效能，避免產(chǎn)生網(wǎng)絡阻塞。本文提出了3種過程層星型組網(wǎng)方案及VLAN劃分方式，根據(jù)變電站的結(jié)構(gòu)及規(guī)模等選用過程層組網(wǎng)方式和VLAN劃分方案。通過220kV馬山智能變電站的實例應用證明，獨立星型雙單網(wǎng)方式及基于端口的VLAN劃分能有效地保證智能變電站過程層網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。

［1］智能變電站技術導則：Q／GDW 383—2009［S］.

［2］智能變電站繼電保護技術規(guī)范：Q／GDW 44—2010［S］.

［3］劉振亞.智能電網(wǎng)技術［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［4］高浩清，康科飛，米雪松.基于智能數(shù)字化變電站進程通信組網(wǎng)技術應用［J］.中國高新技術企業(yè)，2010，17（12）：129－131.

［5］尹中華.數(shù)字化變電站現(xiàn)場組網(wǎng)應用.中國高新技術企業(yè)［J］.2010，17（8）：89－91.

［6］王曉晨，黃繼東.基于直采直跳模式的智能變電站的母線保護應用研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39（19）：150－154.

［7］黃少雄，張沛超.智能變電站GOOSE網(wǎng)配置方案研究［J］.東北電力技術，2010，31（10）：47－50.

［8］李兆祺，楊 貴.智能變電站通信網(wǎng)絡架構(gòu)研究［J］.東北電力技術，2014，35（4）：27－30.

［9］張幼明，高忠繼，黃 旭.智能變電站技術應用研究分析［J］.東北電力技術，2012，33（5）：1－3.

［10］楊 貴，王兆強，王文龍，等.智能變電站過程層交換機關鍵技術探討［J］.電氣技術，2012，13（1）：51－55.

Research on Process Layer Network Technology of Smart Substation Based on IEC61850

LI Peng1，LI Hong?kai1，PIAO Zai?lin2，ZHANG Jing1
（1.State Grid Chaoyang Power Electric Supply Company，Chaoyang，Liaoning 122000，China；2.Shenyang Agricultural University，Shenyang，Liaoning 110161，China）

By the appropriate process layer network in smart substation，using the VLAN technology and the rational VLAN partition，using efficiency of the switch is greatly improved and the network congestion is avoided.On the basis of the basic system structure and networking technology of smart substation，the process layer network topology structure is studied.The VLAN partition scheme of the network is discussed，the specific networking scheme of 220 kV smart substation and the implementation method of VLAN partition are proposed by the engineering examples，the real time and reliability of the process layer network data transmission in the smart substa?tion are ensured effectively by using the independent star double single network mode and the VLAN partition port－based.

Smart substation；Process layer network；Networking mode；VLAN partition

TM63

A

1004－7913（2016）03－0052－04

李 鵬（1979—），男，博士，高級工程師，從事繼電保護、智能變電站繼電保護關鍵技術研究。

2015－10－16）