智能變電站網絡傳輸可靠性評價方法

呂 航 楊 貴 胡紹謙

智能變電站網絡傳輸可靠性評價方法

呂 航 楊 貴 胡紹謙

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

目前，智能變電站過程層網絡化進程在不斷推進，但智能站過程層網絡傳輸可靠性尚無量化評估方法。為了提高智能站組網的規范性和可靠性，迫切需要針對智能站過程層網絡提出一套完善的可靠性評價方法。可靠性評價方法包含多個關鍵評判指標，基于各評判指標對網絡可靠性影響程度賦予不同權重值，實現對各種組網架構下的網絡數據傳輸安全可靠性進行客觀評價，考慮各電壓等級技術經濟因素，實現網絡方案的最優選擇。

智能變電站；過程層網絡；傳輸可靠性；關鍵指標；評價方法

0 引言

智能變電站采用過程層網絡替代常規電纜回路，支撐保護控制設備完成采樣跳閘及聯鎖等功能，所以過程層網絡的可靠性直接影響保護控制設備運行可靠性[1-5]。智能變電站過程層網絡影響因素眾多，如網絡負載率、數據傳輸路徑、網絡異常類型等。目前，針對智能站過程層網絡方案，尚無易操作的可靠性評價標準量化評估方法，一般僅通過定性分析評估某種網絡架構的特點，無法客觀、精確地進行定量分析，不利于提高智能站組網的規范性和可靠性，迫切需要針對智能站過程層網絡提出一套完善可行的可靠性評價方法。

鑒于此，本文提出一種智能站網絡傳輸安全可靠性評價方法，從網絡負載、傳輸路徑、網絡異常影響等方面實現對組網方案的定量評價，為智能站網絡方案的合理制定提供依據。

1 過程層網絡現狀分析

1.1 過程層網絡架構

智能變電站二次設備主要的過程層信息包括采樣、跳閘信息，設備間配合信號、告警信號及聯閉鎖信號等。目前，二次設備采樣跳閘方式主要有直采直跳、直采網跳、網采網跳等，網絡架構主要有采樣值（sample value, SV）與面向通用對象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）分網、SV與GOOSE共網、SV、GOOSE、制造報文規范（manufacturing message services, MMS）三網合一等，網絡配置方案有星形單網、星形雙網、環網、并行冗余協議（parallel redundancy protocol, PRP）、高可用無縫環網協議（high- availability seamless redundancy, HSR）等。

目前，國網和南網均通過規范的方式規定了組網要求。根據Q/GDW 441《智能變電站繼電保護技術規范》，“繼電保護設備與本間隔智能終端之間通信應采用GOOSE點對點通信方式；繼電保護之間的聯閉鎖信息、失靈啟動等信息宜采用GOOSE網絡傳輸方式”。事實上，這個網絡也傳輸SV數據，供測控及故障錄波器、網絡分析儀等設備使用，因此目前國網智能站配置GOOSE、SV共網單網。

根據Q/CSG 1203005《南方電網電力二次裝備技術導則》，“應優先采用常規互感器，并通過二次電纜直接接入裝置實現采樣”，“110kV及以上電壓等級保護設備采用SV網絡采樣或GOOSE網絡跳閘時，應采用雙網冗余方式”，“過程層宜按GOOSE、SV網合一配置”。因此，目前南網智能站保護采用常規電纜采樣、GOOSE跳閘方式，為提高跳閘可靠性，配置冗余雙網。

PRP和HSR是實現網絡冗余的兩種新型協議，其中，PRP技術采用完全獨立的雙套網絡實現報文熱備份，HSR技術實現了真正意義上的環網無縫切換[6-7]。

1.2 網絡運行風險分析

過程層采用網采網跳方式簡化了網絡結構，但帶來了保護依賴外部時鐘實現采樣同步的問題，目前基于傳輸延時測量的網絡采樣同步方案已經較好地解決了這一問題[8-9]，并得到了業內認可。

選擇采用SV、GOOSE報文共網傳輸方案，可顯著減少交換機數量，但每路SV報文之間、每路GOOSE報文之間、每路SV和每路GOOSE之間的相互干擾問題，使異常報文鏈路會擠占正常報文的帶寬。虛擬局域網（virtual local area network, VLAN）技術、靜態組播技術和GARP組播注冊協議（GARP multicast registration protocol, GMRP）技術可以實現數據轉發控制，但是均無法有效地解決GOOSE、SV報文間的干擾問題。基于組播地址的流控技術通過限制每路SV、GOOSE 報文在交換機上的最大流量可以很好地解決報文間的干擾問題[10-12]。

為提高過程層網絡運行可靠性，GB/T 32901《智能變電站繼電保護通用技術條件》要求“雙重化配置保護的過程層網絡應遵循相互獨立的原則，當一個網絡異常或退出時不應影響另一個網絡的運行”。但在智能變電站某些應用場景下，因單套配置的設備需要從雙套配置的設備獲取數據，確實存在需要進行跨網數據交換的需求，如備自投裝置接收冗余配置主變保護的閉鎖備投信號、110kV電壓等級母聯（或分段）智能終端接收冗余配置的主變保護跳閘信號。為方便地實現跨網數據交換，同時保證雙重化配置保護的過程層網絡相互獨立，可在跨網鏈路中采用基于組播地址的流控技術，限制異常報文的跨網影響[10]。

2 網絡可靠性評價

智能站過程層可靠性評價由各個關鍵評判指標構成，對于不同的評判指標給出具體的影響范圍或權重值[13-14]，例如網絡風暴或雪崩、單一設備異常等各種情況的影響范圍，能夠實現對各種組網架構下的網絡數據傳輸安全可靠性進行客觀評價，評價指標只與組網方式的外特性相關，而與具體組網模式無關。

基于智能變電站網絡架構、數據傳輸可靠性要求及網絡運行風險分析，結合保護控制設備的業務需求，設置網絡可靠性評價指標。

2.1 網絡可靠性評價方法

評價結果滿分為100分，基本項體現了系統正常運行情況下網絡的基本特性，對于基本特性較差的設計，直接扣除懲罰分數得到基本分；關鍵項主要包含典型網絡異常情況下的數據傳輸特性，體現了保護控制設備對異常情況下數據傳輸可靠性的要求，在基本分基礎上乘以各關鍵項系數，對于異常場景傳輸特性較差的設計，關鍵項系數較低，顯著拉低總的評價分數。評價分數計算公式為

式中：為評價分；D為基本項扣分；K為關鍵項系數；為基本項數目；為關鍵項數目。

下面詳細分析基本項及關鍵項設置的依據。

1）基本項主要包括網絡平均負載率及最長數據傳輸路徑。基本項評分原則見表1。

（1）網絡平均負載率

網絡平均負載率主要反映了系統正常運行情況下的網絡基礎流量，體現了網絡設計中的安全裕度。電力系統出現復雜故障的情況下，保護控制設備突發報文激增，若網絡平均負載率過高，則短時間內出現的雪崩報文可能超過交換機的轉發能力，造成報文傳輸延時增加，甚至可能導致報文丟失。從另一個角度看，網絡平均負載率過低說明網絡的利用率偏低，網絡設計的經濟性偏差。本文的評價技術只評估方案的技術特性：

表1 基本項評分原則

①網絡平均負載率＜40%，網絡安全裕度大，不扣分。

②網絡平均負載率在[40%, 60%]，網絡安全裕度偏小，扣10分。

③網絡平均負載率＞60%，網絡安全裕度小，扣30分。

（2）最長數據傳輸路徑

最長數據傳輸路徑體現了網絡設計中數據轉發環節的數量，數據轉發環節過多將造成數據轉發延時增加，降低數據傳輸的可靠性。為了縮短數據傳輸路徑，可能導致二次設備網絡端口數量增加，網絡結構復雜，也會降低設計的經濟性。本文的評價技術只評估方案的技術特性：

①最長數據傳輸路徑＜4，數據傳輸路徑短，數據傳輸延時小，可靠性高，不扣分。

②最長數據傳輸路徑在[4, 6]，數據傳輸路徑偏長，數據傳輸延時偏大，可靠性偏低，扣10分。

③最長數據傳輸路徑＞6，數據傳輸路徑長，數據傳輸延時大，可靠性低，扣30分。

2）關鍵項主要包括幾種異常情況下的數據傳輸特性。關鍵項評分原則見表2。

（1）滿帶寬風暴或雪崩異常報文對其他鏈路數據傳輸的影響

出現網絡風暴或雪崩異常情況下，需要特別關注數據傳輸是否受到影響，進而影響保護控制設備的正常運行，需要設計合理的網絡結構，或應用相關的網絡技術提高網絡異常情況下網絡數據傳輸的可靠性。

表2 關鍵項評分原則

①完全不受影響，如前所述，采用基于組播流量控制等相關技術，可以從機制上保證同一物理鏈路中不同數據鏈路間互不影響，所以可以保證滿帶寬異常報文情況下其他鏈路數據傳輸不受影響，關鍵項系數設置為1。

②部分影響，滿帶寬異常報文情況下其他鏈路數據傳輸部分受到影響，可能影響系統中的部分保護控制設備的功能，關鍵項系數設置為0.5，評價分大幅降低。

③數據傳輸完全中斷，導致系統中保護控制設備依賴網絡數據傳輸的相關功能完全喪失，關鍵項系數設置為0.1，評價分將非常低。

（2）通信環節-1故障對相關數據傳輸的影響

當通信環節出現-1故障時，如單一光纖斷鏈、單一交換機損壞等，這種情況下，主要考察網絡設計是否考慮冗余設計，以提高網絡設備故障情況下數據傳輸的可靠性。

①數據傳輸正常，當采用冗余網絡結構設計方案時，可以保證通信環節出現-1故障的情況下，數據傳輸完全不受影響，保證保護控制設備的可靠運行，關鍵項系數設置為1。

②數據傳輸中斷，當通信環節出現-1故障時，如果相關鏈路的數據傳輸中斷，可能影響相關保護控制設備部分依賴網絡數據的功能，關鍵項系數設置為0.5，評價分大幅降低。

（3）單一設備異常是否可能導致雙套配置網絡同時異常

單一設備異常的情況下，若網絡結構不合理，如某設備直接跨接在雙重化保護控制設備對應的兩套網絡上，一旦該設備因硬件缺陷或軟件運行異常導致大量異常報文注入兩套網絡，可能會造成雙套配置的網絡同時異常，給全站的運行帶來巨大安全隱患。

①不會，網絡結構設計合理，能從機制上避免單一設備異常導致雙套網絡異常，關鍵項系數設置為1。

②有可能，網絡結構不合理，存在單一設備異常導致雙套網絡異常的風險，關鍵項系數設置為0.5，評價分大幅降低。

2.2 評價方法應用示例

下面以幾種網絡設計方案為例，說明網絡可靠性評價方法的具體應用。

1）示例1：環網、無流控、單套設備跨雙網示例1的網絡方案評分見表3。

表3 示例1網絡方案評分

由表3可得，示例1方案的可靠性評價得分為(100-10-20)×0.1×1×0.5=3.5，表明該方案可靠性很低。

2）示例2：星形單網、無流控、單套設備跨雙網示例2的網絡方案評分見表4。

表4 示例2網絡方案評分

由表4可得，示例2方案的可靠性評價得分為(100-10)×0.5×0.5×0.5=11.25，表明該方案可靠性 很低。

3）示例3：星形雙網+HSR（間隔內）、有流控、雙套網絡間有流控

示例3的網絡方案評分見表5。

表5 示例3網絡方案評分

由表5可得，示例3方案的可靠性評價得分為(100-10-10)×1×1×1=80，表明該方案可靠性高。

4）示例4：星形雙網、有流控、雙套網絡間有流控

示例4的網絡方案評分見表6。

表6 示例4網絡方案評分

由表6可得，示例4方案的可靠性評價得分為(100-10)×1×1×1=90，表明該方案可靠性很高。

目前，國網、南網新一代智能變電站基本都采用示例4的網絡方案，方案具有很高的可靠性。

國網自主可控新一代變電站要求過程層GOOSE網絡共用站控層星形雙網，“應采取流量和風暴抑制等技術，降低異常報文對網絡的影響”，“每個端口的廣播和組播報文的流量限制門檻為2Mbit/s”，并需要配置“部署在變電站站控層網絡上專門用來網絡隔離的交換機”。

南網18版智能變電站要求“應采用星型網絡結構”，“應為每套保護、測控冗余配置雙網”，“交換機應支持組播流量控制功能，根據組播MAC（media access control）地址自動識別不同的組播組并按設定的閾值進行流量控制，避免異常組播對變電站網絡產生有害影響”，“任一套裝置不應跨接雙重化配置的兩個過程層網絡；備自投裝置與其他設備交互數據時，均采用點對點方式實現”。

3 結論

基于對智能變電站主流網絡架構、數據傳輸可靠性要求及各種網絡異常條件下報文傳輸性能量化指標等的詳細分析，結合保護控制設備的業務需求，本文提出了網絡可靠性評價指標，其中基本項體現了系統正常運行情況下網絡的基本特性，對于基本特性較差的設計，直接扣除懲罰分數得到基本分；關鍵項主要包含典型網絡異常情況下的數據傳輸特性，體現了保護控制設備對異常情況下的數據傳輸可靠性的要求，在基本分基礎上乘以各關鍵項系數，對于異常場景傳輸特性較差的設計，關鍵項系數較低，顯著拉低總的評價分數。

網絡方案的可靠性與經濟性往往是一對矛盾，可靠性很高的方案可能需要配置更多的設備，導致方案的經濟性下降。本文的評價方法僅針對網絡方案的可靠性，未計及方案的經濟性。實際網絡設計中，應根據應用場景的可靠性需求，綜合考慮技術及經濟因素。

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Evaluation method of network transmission reliability in smart substation

Lü Hang YANG Gui HU Shaoqian

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

At present, the process layer networking process of smart substation is constantly advancing, but there is no quantitative method to evaluate the transmission reliability of the process layer network of smart station. In order to improve the standardization and reliability of smart station networking, it is urgent to put forward a complete set of reliability evaluation methods for the process layer network. The reliability evaluation method includes several key evaluation indicators. Based on each evaluation indicator, different weight values are assigned to the influence degree of network reliability to objectively evaluate the security and reliability of network data transmission under various networking architectures. It is necessary to consider the technical and economic factors of each voltage level to realize the optimal selection of network scheme.

smart substation; process layer network; transmission reliability; key indicator; evaluation method

2022-11-01

2022-11-16

呂 航（1971—），男，江蘇金壇人，碩士，研究員級高級工程師，主要研究方向為電力系統繼電保護、智能變電站。