智能變電站過程層組網方案研究

張曉偉++陳玉濤++楊輝++萬首豐++張靜怡

摘要：對智能變電站過程層網絡業務及數據流量分析，特別對智能變電站采樣數據SMV數據流量進行了分析統計，分析了過程層組網結構環形網絡和星型網絡結構的優缺點。提出了采用雙星形網絡冗余結構，在保證網絡實時性的同時提高網絡冗余性。

關鍵詞：過程層網絡；SMV；雙星型網絡

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0081-02

1 概述

隨著智能變電站網絡通信技術的發展， 智能變電站中數據傳輸在容量及實時性方面都有更高的需求，為了提高設備集成度、簡化網絡和節約建設成本GOOSE、采樣值、對時信號共網傳輸方案是可行且必須的。通過分析智能變電站過程層網絡業務流量及業務數據實時性需求，針對其大數據量、高實時性要求，提出適合于智能變電站網絡組網方案。

2 智能變電站過程層網絡業務流量分析

流入交換機的數據決定了智能變電站過程層交換機數據吞吐總量，數據流量的大小決定了網絡（延時）性能，理論上流入數據都可以正確流出。網交換機上流入的數據主要包括單間隔或跨間隔保護需要的數據，如失靈保護、母線保護等需要的數據和電能質量終端及計量終端需要的計量數據，另外根據《新一代智能變電站關鍵技術及設備技術方案》，還有一些設備狀態檢測數據。

根據IEC61850業務數據分類，過程層網絡傳輸的業務數據主要有3類，PTP1588/SNTP/NTP 對時報文、面向對象的變電站事件報文（GOOSE）、采樣值報文（SMV）。

（1）依據IEC61850-9-2 標準，智能變電站過程層網絡進行采樣報文SMV 傳輸。該標準是采樣數據組網的唯一報文格式。采樣值報文通過網絡傳輸實現了智能變電站采樣數據的數據共享。利用過程層網絡獲得采樣值，通常再通過組播、VLAN 等技術手段減少采樣值傳輸流量對過程層網絡通信性能的影響。

（2）面向對象的變電站事件報文（GOOSE）以發布者/訂閱者的模式在通信協議棧的數據鏈路層通信， 依據IEC61850-8-1 標準，GOOSE報文傳輸采用超時重傳機制， 突發GOOSE變位時產生瞬時GOOSE傳輸報文，平時無故障時數據流量較小，對采樣值SMV 的傳輸效率影響不大。

（3）PTP1588/SNTP/NTP 對時報文、狀態監測數據、網絡設備管理等信息流量很小，所以無需獨自物理組網，網絡簡單且便于運行維護。

3 采樣值業務數據分析

智能變電站采樣值報文大部分在間隔內傳輸，不同間隔間需要傳輸少量GOOSE報文，如果將全站過程層交換機經過主干交換機進行星型模式級聯。如果不對間隔層交換機流出數據進行流量控制，主干網交換機很容易流入流量超負荷的情況。下文分別對單個間隔的交換機和多個間隔的級聯主干交換機的 SMV 數據流量進行理論計算和實際測試。

3.1 單間隔采樣值業務流量分析

基于IEC61850-9-2 工程中實際報文長度（SVLD為變長量），依據采樣值報文格式如下圖1所示及變電站實際業務需求單間隔 SMV最大計算流量為：

變電站內一個間隔考慮3級母線級聯電壓3相電壓，總共9個電壓通道，另3相保護電流，總共12個通道，為保證保護數據的可靠性，一般都采用AD采樣。即12 * 2 = 24個通道，另外有三相測量電流及零序電流和間歇零序電流。總共29個通道。而電能質量等計量類裝置只需要電壓和電流，不可能超過29個通道，按照最大29個通道計算。如果每幀采樣值報文傳輸一組采樣值計算，那么采樣值報文的長度為302個字節。一個合并器每秒種的數據流量：

采樣頻率為每周波80個點：

Q=302字節×8bit/字節×50周波/s×80點/周波= 12.08Mbit/s；

采樣頻率為每周波256個點：

Q=302字節×8bit/字節×50周波/s×256點/周波= 30.9Mbit/s；

單個間隔SMV報文典型數據流量為：

按照每幀1組采樣值12個模擬量通道計算，一個合并器每秒種的數據流量：

采樣頻率為每周波80個點：

Q=159字節×8bit/字節×50周波/s×80點/周波= 5.088Mbit/s；

采樣頻率為每周波256個點：

S=159字節×8bit/字節×50周波/s×256點/周波= 16.2816Mbit/s。

3.2 跨間隔采樣值業務流量分析

根據保護業務需求，一些保護功能的實現只需要單個間隔的采樣值數據，而有些保護功能的實現則需要跨間隔的采樣值數據，就必須統計過程層主干網交換機流量，目前保護功能需要的多間隔采樣數據的最大個數為24個，例如母線差動保護。

國家電網2011年發布的《電能質量監測系統技術規范》中規定，電能質量監測系統宜進行主干電網電能質量監測、 配電網電能質量監測和特殊需求電能質量監測。根據不同監測要求，監測點的位置宜選擇在： 重要的供電母線及線路；向敏感和污染源用戶供電母線及線路；電源接入點，如發電廠（場、站）高壓母線及送出線路；其他特需監測點，如裝設 FACTS 設備的母線及線路、 直流輸電換流站等。

根據電能質量規范及現場工程的實施方案，過程層網絡中電能質量設備對跨間隔數據接入不可能超過24個，這里按照保護業務的最大需求24個間隔計算。

如果按照極限情況考慮，每個單間隔都按照最大流量計算：

采樣頻率為每周波80個點：

Q=12.08Mbit/s×24=289.92Mbit/s。

采樣頻率為每周波256個點：

Q=30.09Mbit/s×24=722.16Mbit/s。

從統計結果我們可以看出，如果采樣值頻率達到256點每周波，間隔內交換機采樣值流量達到容量的30%。跨間隔的采樣值如果按每個間隔都按照都達到最大30.09 Mbit/s流量，過程層交換機的最大數據流量達到了722.16 Mbit/s，而實際工程中，不存在每個間隔的數據都為最大數據流量的情況。

4 過程層網絡結構

過程層網絡結構主要有裝置交換機環形網和星形網，各有其優缺點：

（1）交換機環形網。智能變電站交換機之間采用實時環網進行組網的通信方式。環形網絡缺點是：網絡實時性差，環網中節點間的網絡通信延時比星型網絡要高；并且網絡可靠性比較差，環網通信的快速生成樹協議，通信故障時可能會引起網絡風暴問題；此外，環型網絡的投資成本明顯高于星形網，因為交換機需要的網口數要比星型網絡多。 環形網絡優點是：網絡冗余性最好，當交換機之間網絡發生故障的時候，可以通過環網自愈依然以保證網絡通信。

（2）交換機星形網。星形網是智能變電站交換機采用星型級聯方式組網。星型網絡的缺點是：網絡冗余性較差，星形網交換機之間網絡發生單點故障時，網絡通信將受到較大影響。但其優點在于：網絡實時性好，網絡延時最少，并且不會產生網絡風暴，符合智能變電站過程層網絡的需求。為了保證網絡實時性的同時提高網絡冗余性，當前智能變電站過程層的網絡結構可以采用雙星形冗余結構。

5 結語

對智能變電站過程層網絡業務及數據流量分析，特別對智能變電站采樣數據SMV數據流量進行了分析統計，分析了過程層組網結構環形網絡和星型網絡結構的優缺點。提出了采用雙星形冗余結構，在保證網絡實時性的同時提高網絡冗余性。

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