智能變電站自動化化網絡方案

馬洪凱 張大江

摘要：作為電力系統的重要組成部分，電力網絡的組成離不開變電站的支持，近年來，我國在電網智能化建設、改造方面投入了大量的人力、物力和財力，當前我國智能化電網建設已經取得了顯著成績，尤其是智能變電站的投入使用，加快了我國智能電網建設的規模和速度。近年來，隨著變電站自動化系統技術的不斷創新，我在智能電網建設方面的技術越發成熟，為適應未來智能電網建設的要求，則需要在智能變電站自動化系統新的設計方案中綜合考慮功能分布、網絡冗余、信息共享、遠程交互等技術的應用，從而促進我國智能電網的進一步發展。

關鍵詞：智能變電站；自動化系統；方案

智能變電站是智能電網的核如、是連接發電和用電的樞紐、是整個電網安全可靠運行的重要環節。網絡應用技術的不斷創新發展、變電站電力系統數據平臺的不斷完善、開發協議及電力接口標準等信息的不斷開放，促使變電站一、二次設備和技術的融合W及變電站運行方式的轉變，由此逐漸形成了完備的智能變電站技術體系。與傳統變電站相比，其技術更加具有先進性、安全可靠、占地少、成本低、維護少、環境友好等系統優勢。因此，研究和建設智能變電站不僅是未來變電站發展的方向，也將是智能電網建立所需要的頓理基礎和要求。

1變電站自動化系統現狀及問題

隨著智能一次設備、電子互感器、設備在線狀態監測、變電站運行操作仿真培訓等技術日趨成熟并在實際工程中得到應用，以及計算機網絡技術在實時分布工業環境下的應用，IEC61850變電站自動化系統建模及通信體系標準的推廣應用，變電站自動化技術進入了以數字化建模及通信為基礎支撐的智能化時代。

智能變電站按照IEC61850標準，將變電站分成三層，即站控層、間隔層、過程層。站控層與間隔層之間稱為站控層網絡，過程層與間隔層之間稱為過程層網絡，即通常所說的“三層兩網”結構。過程層網絡組網方案較多，保護可采用直采直跳、直采網跳、網采網跳方式，GOOSE、SV可采用不組網、共網、獨立組網等方式，組網方式更加靈活。

2變電站自動化網絡分析

2.1變電站自動化體系各子系統組網方案

變電站自動化體系按安全分區由以下各系統構成：安全I區：一體化監控系統、相量測量系統。安全II區：繼電保護故障信息系統、電能量計量系統。安全III區：在線監測系統、智能輔助控制系統。由于受安全分區的限制，已建智能變電站自動化體系按各安全分區獨立，根據《智能變電站一體化監控系統建設技術規范》規定，各系統與站外安全III、IV區系統連接是通過正反向隔離裝置實現，因此其滿足變電站二次系統安全防護要求。

2.2網絡負載分析

2.2.1站控層網絡負載

智能變電站站控層網絡主要有故障信息系統的數據流量、遙測、遙信、錄波等報文的數據流量，網絡負載量不大，據多數自動化系統廠家所作試驗的測試結果，最嚴重的故障情況下站控層網絡的負載量僅占到百兆帶寬的12%。

2.2.2過程層網絡負載

1）采樣值SV報文流量

過程層網絡采樣值報文傳輸采用IEC61850-9-2協議。IEC61850-9-2采樣值報文幀中存在一些不確定的長度，其具體值由配置和編碼來決定，為了便于分析，下面所有的數據流量分析都以保護數據每周波80點采樣率、計量數據每周波200點采樣率，每幀1個ASDU計算，可以算出，根據不同的配置和編碼風格，每幀數據的長度為169～226字節。針對數據流量分析，數據長度取最大的226字節參與估算。

用于保護、測控等采樣值帶寬為：

226byte/合并單元8bits/byte 80點/周波50周波=7.2Mbits。

用于電能計量、PMU等采樣值帶寬為：226byte/合并單元8bits/byte 200點/周波50周波=18.1Mbits。

2）GOOSE報文

GOOSE報文主要實現保護裝置間配合命令、間隔聯閉鎖信號的網絡傳輸。當采用交換式光纖以太網和報文優先級設置時，大量實驗證明GOOSE報文連續丟失的幀數最多不超過2。在正常情況下，GOOSE網絡僅維持一些必要的狀態查詢報文，這也是在定義GOOSE方面，IEC61850較之UCA2.0的一個靈活之處，其網絡流量幾乎可以忽略不計，而在事故狀態下，針對不同的事故狀況，多涉及到的二次設備間配合命令的不同，GOOSE報文的大小也是各不相同，大部分的GOOSE報文在200字節左右，也有少量GOOSE報文達到300甚至600字節（如主變本體智能終端的開關量信號）。

2.3網絡方案研究

針對變電站數據流特點，為避免網絡風暴等問題，推薦智能變電站站控層網絡和過程層網絡均選用雙星型網絡結構。智能變電站的站控層網絡相對過程層網絡而言在實時性方面要求沒有那么苛刻，通過流量計算以及多年來的運行經驗也表明，百兆快速以太網能滿足站控層網絡的數據傳輸要求，站控層網絡推薦選用100Mbps以太網。

接入過程層網絡單間隔二次設備流量一般不超過40Mbps，且二次設備以太網口處理能力也小于40Mbps，二次設備1000Mbps端口尚未成熟，同時考慮測試過程中，當過程層網絡流量小于40Mbps情況基本不會丟包，因此本工程過程層網絡選用100M以太網絡，同時裝置接入交換機的流量不大于40Mbps。對于交換機級聯端口，由于流量有可能超過100Mbps，因此選用1000Mbps端口。智能變電站的過程層網絡承擔著電流電壓采樣值（SV）、一次設備狀態信息以及二次設備保護、控制信號GOOSE報文的傳輸工作，較之站控層網絡，要求更高的實時性和更強的報文處理能力。智能交換機需滿足智能變電站對所內信息實時性、高效性及精確對時的要求，支持IEC61588協議。

3結束語

智能變電站是智能電網建設的重要內容，是發、輸、變、配、用電和調度等智能電網各環節信息交互的關鍵支撐點，站內信息網絡基于IEC61850標準，滿足保護、測控、計量等功能裝置信息交互需求。網絡通信在智能變電站自動化系統中起著重要作用。

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（作者單位：國電南瑞南京控制系統有限公司）