變電站自動化系統及網絡優化

耿英格

摘 要：在對220kV智能變電站自動化系統網絡結構的關鍵技術進行深入研究和嚴格論證后，關于變電站的自動化系統網絡結構更為清晰，并提出其總體配置方案。（1）變電站自動化系統采用三層設備站控層單層網絡結構。（2）站控層網絡MMS、GOOSE、SNTP三網合一、共網傳輸。站控層網絡采用100M雙星型以太網，采用雙網雙工方式實現無縫切換。（3）過程層保護采用直采直跳方式。（4）站控層交換機按設備布置方式配置MMS交換機，提高可靠性、安全性，便于擴建、檢修。

關鍵詞：變電站；自動化；網絡優化

1 概述

智能變電站是建設內容中必不可少的部分，因為它是智能電網不可或缺的基礎和重要的節點支撐。智能變電站可以將比常規變電站更深層次、更寬范圍、更復雜結構的信息采集起來并進行處理，如此，變電站內、站與站之間、站與調度和大用戶之間的信息互動能力就會更強，也促進了信息更方便、更快捷的交換與融合，且控制信息的手段也更靈活和可靠。比起常規變電站，智能變電站的設備具有更多的技術特征，如信息數字化、結構緊湊化、功能集成化和狀態的可視化，更符合現代工業化易改造、易擴展、易維護和易升級的使用要求。

2 智能變電站自動化系統的網絡構成

變電站自動化系統的功能要求設計與設備配置應該使用開放式和分層式的網絡結構，按照無人值班的模式，在邏輯上它是由站控層、過程層、間隔層和相關網絡設備共同構成的。站控層設備應依據變電站的遠景規模來配置，其間隔層以及過程層的設備配置則要依據工程的實際規模。站內監控和通訊均采用統一的DL/T860通信標準，保護統一組網和建模，通信規約實現站控層、間隔層和過程層的二次設備互操作，促進信息共享。變電站內的相關信息也應具有唯一性和共享性，變電站自動化系統的監控主機和遠動信息傳輸設備的資源共享。

3 智能變電站組網方案

智能變電站自動化系統整站的建立是以DL/T860通信技術規范為基礎的，依據分層分布式實現智能化變電站內的電氣設備之間互操作性與信息共享。整體來說應分為三層：站控層、間隔層、過程層。三層結構兩層網絡是現階段普遍采用的模式，此方案是比較成熟的，且國內智能變電站工程中已有應用。現今的互聯網通信技術與設備水平都在不斷提升，三層結構一層網絡也是實現信息完全共享的趨勢。

3.1 網絡分層結構的選擇

3.1.1 全站唯一網絡結構（四網合一結構）。IEC標準只是對互聯網通信的類型進行了相關邏輯分類，沒有明確說明網絡設置分層的要求。從三層結構的角度來看，信息的交換主要在間隔層和過程層、站控層和間隔層之間發生。而在常規變電站中，站控層與間隔層之間的設備通信已然存在，DL/T860標準中將智能一次設備和電子式互感器前瞻性的引入描述，因而促進了過程層網絡這一概念的產生，進而將通信擴展在間隔層和過程層之中，代替了電纜傳輸和強電通信。

從這個角度來看，變電站采用間隔層網絡/站控層、過程層網絡這兩種通信網方式是切合信息分層與分類的要求的；如此一來就會帶來網絡結構復雜、網絡設備投資大、數量多等問題。鑒于這種情況，新一代的智能變電站可以建立一個性能高、可靠性高且維護起來更簡單的“一體化網絡”，通過它來實現全站的覆蓋，從而在站內相應IED設備之間的MMS、SV、GOOSE和IEEE-1588網絡實現對通信業務進行共網傳輸，以此將智能變電站通信網絡的建設資金和維護成本大幅度降低。實現過程層和站控層網絡之間的合并，然后此網絡上將包括智能終端與合并單元在內的三層設備連接起來。

3.1.2 網絡結構選擇。鑒于變電站的重要性和現階段智能設備技術水平所限，本工程采用三層兩網結構，兩層網絡為站控層網絡和過程層網絡。全站采用統一標準的DL/T860通訊規約，各系統間可實現完全的互操作。

3.2 組網方案技術分析

3.2.1 MMS網絡。由于站控層的MMS網絡均采用的是TCP協議進行傳輸，因此在單播范疇內，從數據流向的角度來看，它的傳輸在邏輯上是“點對點”的，所以不會流動到其他的網絡接口上，因此我們不需要對MMS網絡進行VLAN的劃分。同時TCP的傳輸因為屬于流控傳輸，所以其數據量是很小的，幾乎不會對帶寬產生影響。除此之外，MMS網絡采用的是無優先級傳輸，這是因為其數據的重要性是最低的。

3.2.2 SV網絡。SV網絡相對而言更為持續和穩定，且數據流量大，其每個間隔的數據流量通常是4～6Mbps。同時，因為SV的數據量比較大，為了不占用其他接口的帶寬，可通過VLAN技術對SV數據的路由進行劃分。

3.2.3 GOOSE網絡。GOOSE網絡的每個端口即使其流量達到最大峰值也小于4Mbps，它的數據流量較小；而且它的流量只有在狀態發生變化時才會較大，若狀態未發生變化則流量就比較小。因此GOOSE報文的VLAN劃分也是通過類型方式來劃分。所有的GOOSE數據都必須要到達故障錄波及網絡記錄分析一體化裝置。所以所有的GOOSE的VLAN域都必須到達故障錄波及網絡記錄分析一體化裝置。

3.2.4 對時方式。SNTP是IEC61850中規定的時間同步協議是簡單時間同步協議，它能使用點對點的單播方式和點對多點的廣播方式進行操作，也可以用IP多播的方式進行操作。實現SNTP時間同步的過程可以分為兩大主要部分：客戶端（SntpClient）的實現、時間服務器端（SntpServer）的實現。一般來說，對于服務器或工作站，SNTP的時間精度可以達到1～10ms，但是SNTP的時間精度對于服務器和客戶端的網絡情況是比較依賴的。

針對過程層網絡主要有三種方式，基于硬接線的GPS秒脈沖或B碼時間同步方式，以及基礎網絡IEEE 1588協議的網絡對時方式。

（1）秒脈沖對時。秒脈沖對時方式需要在變電站過程層建設獨立的星型采樣同步網絡，網絡中心節點為時鐘源，通過多模光纖燈物理介質發送1HZ的秒沖對時信號給各合并單元。秒脈沖對時方式需要建立獨立的采用同步網，即增加投資，又將變電站的二次結構復雜化，增加大量故障節點。其次，不同廠家的合并單元對秒脈沖的處理機制未統一，將產生對時誤差。最后，這種同步機制只適合某些不需要絕對對時標簽的設備，如PMU裝置，并不能做到絕對時間同步。因此并不適合用于智能變電站對時。（2）B碼對時。B碼對時是目前常規站及智能站廣泛使用的對時方式，技術相對較成熟，依靠其可靠的精度獲得了大量的應用。B碼對時可以實現絕對時間同步，但是和秒脈沖對時一樣，也需要建立獨立的采樣同步網絡并增加故障節點，并不能作為智能變電站對時的最優選擇。（3）IEEE 1588網絡對時。IEEE 1588的全稱是“網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準”。IEEE 1588主要運用于將分布式總線系統中的執行器、傳感器和其它終端設備內的時鐘達到亞微秒級同步的精度。保持分布式網絡中最精確的時鐘與其它時鐘的同步是IEEE 1588最基本的功能。

3.2.5 計量網絡。在全站內統一配置一套電能量的遠方終端，用串口的方式對各電能表的信息進行采集；將主電能計量表和校核電能計量表設置在在關口計量點，220kV和110kV線路采用數字式電能表，10kV部分考慮采用“五合一”裝置實現電能結算。電能量數據的采集可以有兩種方式，一是采用串口方式采集所有電能表和裝置的信息；另一個是所有電能表和裝置接入現有過程層網絡。但是過程層網絡中加入電能量數據會增加網絡負載，而且電能量數據是II區數據可能會對實時監控I區數據有影響。因此本工程采用串口方式采集。

4 結束語

在對220kV智能變電站自動化系統網絡結構和關鍵技術進行深入的研究和嚴格的論證之后，更了解變電站的自動化系統網絡結構，并提出其總體配置方案。（1）變電站自動化系統采用三層設備兩層網絡結構。（2）站控層網絡MMS、GOOSE、SNTP三網合一、共網傳輸。站控層網絡采用100M雙星型以太網，采用雙網雙工方式實現無縫切換。過程層采用直采直跳方式。（3）站控層交換機按設備布置方式配置MMS交換機，提高可靠性、安全性，便于擴建、檢修。