智能變電站過程層網絡配置研究

劉韻韜 張洪濤 張子健 魏一汀

摘?要：智能變電站過程層組網通信質量決定了站內繼電保護及自動化等二次設備的安全、穩定和可靠運行。目前主流使用虛擬局域網（Virtual?Local?Area?Network，以下稱VLAN）與靜態組播技術對智能變電站內大量二次設備進行通信子網劃分，以提高組網通信質量與安全水平。但是，高度安全的網絡結構意味著維護改造更加困難，實際組網配置方案的優劣還受到復雜的現場情況與其他人為因素影響。本文將結合在運智能變電站實際案例，分析討論VLAN和靜態組播兩種技術在過程層組網中的應用，為智能變電站過程層網絡配置優化方向提供參考。

關鍵詞：智能變電站；過程層網絡；VLAN；靜態組播

Abstract：The?communication?quality?of?process?layer?network?of?smart?substation?determines?the?safety，stability?and?reliable?operation?of?secondary?equipment?such?as?relay?protection?and?automation?in?the?station.At?present，the?mainstream?uses?Virtual?Local?Area?Network（VLAN）and?static?multicast?technology?to?divide?the?communication?subnets?of?a?large?number?of?secondary?devices?in?smart?substations?to?improve?the?communication?quality?and?security?level?of?the?Network.However，a?highly?secure?network?structure?makes?maintenance?and?renovation?more?difficult.The?actual?network?configuration?scheme?is?also?affected?by?complex?field?conditions?and?other?human?factors.This?paper?will?analyze?and?discuss?the?application?of?VLAN?and?static?multicast?technology?in?process?layer?networking?based?on?the?actual?case?of?Yunsmart?substation，so?as?to?provide?a?reference?for?the?optimization?direction?of?process?layer?network?configuration?in?smart?substation.

Keywords：intelligent?substation；process?layer?network；VLAN；static?multicast

目前距最早一批智能變電站投入實際運行已經十余年，在新建變電站中智能變電站占比更多，占據了更重要的地位。智能變電站采用智能設備實現模數轉換，利用數字通信與網絡技術，將傳統繁雜的二次電纜簡化為光纖，使得系統更具穩定性、互動性，變電二次設備的調試和運行維護等工作也變得更加高效。智能變電站采用IEC?61850中信息分層的概念，將二次網絡分為站控層網絡和過程層網絡。其中過程層網絡是變電站端二次設備正常運行不可或缺的重要聯系通道，它的運行情況會直接影響繼電保護與電能計量等設備的功能［12］。為保證過程層網絡數據傳輸的高效穩定，同時滿足網絡安全要求，需要對過程層網絡進行合理配置。

本文結合某110kV智能站改造工作和某110kV在運智能站檢修工作實例，對智能變電站過程層網絡VLAN劃分策略與靜態組播配置進行分析，探討兩種技術在實際應用場景的優劣性。

1?智能變電站組網概述

1.1?網絡結構

智能變電站“三層兩網”結構是依照國際標準IEC?61850（電力行業標準編號DL/T860）提出的?！叭龑印笔侵笇⒅悄茏冸娬径蜗到y按功能邏輯層劃分為間隔層、過程層、站控層，被廣泛應用的“兩網”是指將組網按物理層劃分為過程層網絡與站控層網絡。通常將間隔層設備與過程層設備通過光纖組成同一物理網絡，且過程層和間隔層部分功能可能集成在一個裝置中［3］，所以通常將圖1中的邏輯接口8劃分到過程層網絡內，間隔層網絡不再單獨劃分。過程層網絡位于下層，它是智能變電站專有的網絡結構，作用是對智能終端、合并單元等智能設備進行信息采集，再轉發到其他二次裝置與上層網絡設備（圖1接口4，5），部分二次設備功能性的通信需求也依賴于過程層網絡（圖1接口8）。站控層屬于上層網絡，包括監控主機、遠動通信機等，它的主要作用是匯總全站實時與非實時數據，交予監控主機或傳給遠方主站來進行全站的監控（圖1接口1，6）。

本文討論的范圍是過程層網絡。不同于站控層組網通常使用網線，過程層網絡均使用光纖光纜組網，是各個二次設備實現其基本功能不可或缺的通信網，其主要傳輸信息為面向通用對象的變電站事件（Generic?Object?Oriented?Substation?Event，以下稱GOOSE）和采樣值信息（Sampled?Measured?Value，以下稱SV）。所以，過程層網絡還可以分為GOOSE網絡與SV網絡。

1.2?過程層組網風險抑制

過程層網絡的核心即過程層網絡交換機。幾乎智能變電站所有二次設備都要通過交換機接入過程層網絡，過程層網絡交換機再互相級聯，組成完整的過程層網絡。但不是每一個二次設備都需要完整的過程層網絡信息，一臺單間隔的保護裝置往往只需要與功能相關的公用間隔裝置通信，而不是與全站所有間隔的裝置通信。雖然末端接收設備可根據全站系統配置文件（Substation?Configuration?Description，以下稱SCD）進行數據塊篩選，但網絡異常造成的報文延時、報文丟失等情況仍會影響設備正常運行。因此，利用過程層交換機的網絡配置技術采取組網風險抑制措施是必要的。根據站內二次設備虛端子網絡對信息進行劃分，可避免無效、重復的數據占用通信帶寬，提高組網通信質量，以降低網絡堵塞、網絡風暴、交換機或光口故障等風險發生的概率。

根據GOOSE與SV報文的特點與差異，也可以得出過程層組網的配置要素。GOOSE報文的內容對應傳統直流電纜線中的電位信號，例如繼電保護裝置之間的跳閘、閉鎖、啟失靈等開關量信號，這類功能性GOOSE報文更具重要性；SV報文的內容對應傳統交流電纜線中的電流電壓模擬量，它由合并單元進行模數轉換后以數字量形式傳輸，但根據國家電網相關標準，具有重要功能的SV鏈路必須采用點對點直采方式，所以目前大多實際應用場景中過程層網絡的SV報文優先級不高。文獻［4］中指出，GOOSE報文在正常情況時每5s發送一幀，單組數據流量約0.2KB/s，在電網故障時按2ms、2ms、4ms、8ms遞增時間發送，單組數據流量不超過244.14KB/s；SV報文在任何情況下均實時傳輸，單組數據流量約為781.25KB/s。所以，分配電網正常情況的交換機負載時，SV報文流量比重遠大于GOOSE報文，同時也需要為GOOSE報文考慮電網故障時的帶寬余量。除此之外，還需要根據數據實時性要求、不同廠家型號交換機的百兆千兆光口配置情況、擴建預留與備用光口數量等實際情況綜合考慮。所以目前過程層組網無論是采用哪種風險抑制技術，都需要現場人工配置，配置方案取決于具體現場情況與調試者經驗和水平。

2?過程層組網VLAN與靜態組播實例

2.1?組網VLAN

VLAN技術可以將同一局域網劃分成多個不同邏輯子網，使得網絡設備可以按邏輯分組而不受限于物理接口。VLAN在智能變電站過程層組網應用廣泛，它可以將數據報文以光口為單位進行標記（Tag），根據不同Tag劃入對應VLAN［5］，不同VLAN各自獨立不互通，從而控制數據流，提高網絡安全性與可維護性。

110kV甲智能變電站已在運10年，現增加110kV備自投裝置一臺，過程層網絡交換機采用PVID（Portbase?VLAN?ID）進行VLAN劃分，設計初案如圖2所示。該站由于二次設備較多以及運行年份較長，部分交換機光口已損壞，改造前過程層交換機的接口已經相當緊張。而本次改造新增的110kV備自投由于裝置本身原因，SV與GOOSE通信均只能通過組網方式接入。

基于PVID的VLAN劃分可以將數據流以端口為單位進行定向轉發，在設計初案中可以滿足基本通信安全需求。問題在于該方案新增設備占用了最后一個預留光口，在基于端口劃分的VLAN配置下，任一端口損壞或者改造等情況都可能導致掛載于本交換機的所有設備陪停，這臺110kV過程層中心交換機將完全沒有應急處理空間，這顯然是不可靠的。根據上表所示的報文流向，假設GOOSE故障報文流量加SV報文流量之和為1MB/s，網絡分析儀的總接收流量為5MB/s。百兆光口帶寬速率為100Mbps/8=12.5MB/s，所以總接收流量占單個百兆光口的5/12.5*100%=40%。因此，若不需要劃分18、19兩個光口供網絡分析儀使用，可以多保留一個預留光口。再者，若新增110kV備自投從110kV母聯合并單元采集數據，需要從110kV過程層線路交換機級聯至110kV過程層主變交換機再級聯到本交換機，占用多臺設備資源，違背最簡化配置原則。

由此可總結出本次改造設計初案的問題有三。第一，交換機在用于預留光口數不合規。根據本地區電力企業驗收標準，每臺交換機的光纖接入數量不宜超過16對，且百兆口、千兆口應分別配備適量的備用端口，上述兩條均不符合。第二，原過程層網絡硬件接口及VLAN配置不合理。原過程層網絡采用逐一串聯方式，使得本次改造中新舊設備數據傳輸途徑三臺交換機，需要重新配置過程層網絡結構。第三，缺少風險預案與未來規劃。若采用該設計初案，新增備自投必須SV/GOOSE單纖共網接入交換機，但有可能出現不同廠家設備不支持SV/GOOSE單纖共網的情況，就算接入成功，交換機缺少調試光口，改造調試工作將非常困難。綜上，此次改造將新增一臺過程層交換機，將110kV備自投與相關的110kV線路1、線路3三個間隔掛載到新交換機上，以星形網絡結構替換原有串聯網絡結構，對110kV過程層中心交換機重新進行了VLAN配置，如圖3所示。這樣在滿足各項要求及順利完成改造工程的前提下，優化了原過程層網絡配置，也沒有占用其他備用口緊張的交換機，大大提高了設備運行可靠性與調試維護可行性。

2.2?靜態組播

靜態組播技術利用MAC地址對全廣播進行限制，以實現向目標節點定向傳輸的功能［6］。智能變電站虛端子網絡中，數據塊允許一發多收不允許多發一收，這剛好符合組播的數據傳輸方式。因此，實際過程層組網中有不少靜態組播技術的應用實例。

MMS網絡中的組播地址采用的是局域網地址或物理地址，這是與設備硬件關聯的，隨著硬件更換而變更。而在智能變電站過程層網絡光纖鏈路中，靜態組播采用的組播地址是SCD中為每臺智能設備人工分配的。當智能設備更換時，SCD配置文件會下載到新設備中，其組播地址不會變更，即維修更替設備時不用重新設置組播地址。此外，由于SCD為同一設備不同控制塊分配了不同的組播地址，利用靜態組播可以從單一物理接口中對多個控制塊按邏輯接口分別進行組播。以上均是靜態組播在智能變電站過程層組網應用的特殊優勢。

110kV乙智能變電站已在運5年，其110kV過程層網絡僅采用靜態組播方式進行了網絡劃分，部分組播配置如圖4所示。該站僅對SV報文進行了靜態組播配置，其余GOOSE報文采用組網全轉發、接收端設備根據SCD識別篩選的方式。這種配置方案在基本滿足通信安全性、穩定性的同時，也更易讀、易維護，但基于端口轉發的方式依舊需要合理安排交換機光口預留量，并且GOOSE報文全轉發更加依賴末端接收設備的可靠性。

可以看出，該交換機的靜態組播配置表中體現不出有哪些裝置接入，想獲取完整信息必須結合光口配置表。換言之，靜態組播只針對端口轉發指定地址的數據，不對接收數據進行處理。由于靜態組播詳細定義了GOOSE與SV控制塊中所有組播地址的數據流向，其過程層組網安全性不輸于VLAN組網，但前提是調試維護人員對靜態組播和本站SCD都熟練掌握。從后期維護角度講，靜態組播的報文解析難度比VLAN更高。因為解析靜態組播配置需要SCD、光口表、組播配置表三者對照，而VLAN僅是將設備劃分為不同子網，信息集成度較低，出現人為錯誤的風險也就更低。

3?總結

其實結合甲智能變電站、乙智能變電站實例可見，智能變電站過程層組網方案中，VLAN與靜態組播都是針對端口進行配置。不同的是，VLAN在輸入端口進行Tag處理，根據輸出端口所屬VLAN進行選擇性轉發；靜態組播不在輸入端進行處理，僅根據組播地址以GOOSE與SV控制塊為單位，在指定輸出端口進行選擇性轉發。在SCD的支撐下，靜態組播與設備綁定的缺點也被消除，但VLAN比靜態組播更具可維護性。220kV及以上智能變電站采用雙套保護及AB雙網配置，二次設備數量龐大，此時過程層組網技術理應采用VLAN而非靜態組播。

隨著智能變電站不斷發展，相關從業人員的技術水平提高、經驗逐漸豐富，使用VLAN或靜態組播控制SV報文轉發，對GOOSE報文采取全轉發成為目前過程層組網的主流配置方案。未來智能變電站過程層網絡配置的方向可能有以下幾方面：第一，以這些實例方案作為樣本，或許可以形成科學算法來定量評價網絡安全穩定與實際維護可用指數，從而獲得一個最優配置方案，但由于計算因子隨現場條件波動較大，所以得到一個通用解法比較困難；第二，在網絡安全要求逐步提高的大背景下，目前不對GOOSE報文進行針對性劃分的策略可能即將被淘汰，利用更先進的網絡技術或者復合技術對過程層網絡進行配置或許是亟待解決的課題；第三，在研究先進網絡配置方案的同時，相應提出高適應性、高集成度的調試維護方案，解決安全性與可維護性互斥的問題。

參考文獻：

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［3］DL/T860/IEC?61850.變電站通信網絡和系統［S］.

［4］黃天嘯，劉平，辛光明，等.智能變電站過程層網絡風暴的分析與處理［J］.中國電力，2014，47（11）：112115.

［5］劉景霞，田立猛.基于VLAN劃分的智能變電站通信網絡方案研究［J］.現代電子技術，2017，40（20）：173177.

［6］馮自權，趙景峰，陳羅飛.基于靜態組播搜索的電力交換機檢修技術研究［J］.電力系統保護與控制，2019，47（2）：182187.

作者簡介：劉韻韜（1995—?），男，漢族，四川武勝人，學士，初級職稱，研究方向：繼電保護。