110kV智能變電站網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架分析比選與應(yīng)用

0 引言

隨著通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的快速發(fā)展及其在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的深入應(yīng)用，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化已是智能變電站的必然選擇[1]，因此，自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架成為智能變電站的基礎(chǔ)和靈魂。

1 智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)

智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)建立在IEC61850通信技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上，按分層分布式[2]來實(shí)現(xiàn)站內(nèi)智能電氣設(shè)備間的信息共享和互操作性，在邏輯功能上由站控層、間隔層和過程層三層設(shè)備組成。各層次之間及內(nèi)部采用以光纖或網(wǎng)線為媒介的通信網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)智能變電站先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的建設(shè)理念，現(xiàn)階段站內(nèi)設(shè)備集成化程度不斷提高，保護(hù)測(cè)控一體化、合并單元與智能終端一體化等設(shè)備已在應(yīng)用，有效地簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、降低了設(shè)備投資。全站設(shè)備共用一套時(shí)間同步系統(tǒng)，時(shí)鐘同步精度和守時(shí)精度滿足站內(nèi)所有設(shè)備的對(duì)時(shí)精度要求。

2 110kV智能變電站網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

根據(jù)過程層通信方式的不同選擇可將網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架分為“三層兩網(wǎng)”和“三層一網(wǎng)”兩個(gè)大類，本文通過闡述上述兩種方式的典型方案，從方案配置、功能特點(diǎn)等方面進(jìn)行對(duì)比分析，選擇最適合現(xiàn)階段工程需求的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。

2.1 三層兩網(wǎng)方式

該組網(wǎng)方案較為成熟，在國內(nèi)數(shù)字化/智能變電站中已有工程應(yīng)用。

圖1 “三層兩網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)物理獨(dú)立便于運(yùn)行維護(hù)，且交換機(jī)選型也有明確原則。GOOSE、SV和IEEE1588三網(wǎng)合一簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和對(duì)時(shí)系統(tǒng)合一。下文具體說明三層兩網(wǎng)組網(wǎng)方案。

過程層采用“三網(wǎng)合一”模式，實(shí)現(xiàn)采樣值 SMV、GOOSE、IEEE1588共網(wǎng)傳輸，減少了光纖、過程層交換機(jī)配置。過程層網(wǎng)絡(luò)支持IEC61850－9－2和GOOSE報(bào)文通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，采用星型光纖以太網(wǎng)[3]，推薦雙網(wǎng)配置。星形網(wǎng)絡(luò)可避免環(huán)網(wǎng)帶來的復(fù)雜協(xié)議，雙網(wǎng)配置可解決傳輸?shù)目煽啃?。星形網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸路徑具有唯一性，可按靜態(tài)VLAN或動(dòng)態(tài)組播自協(xié)商來確定數(shù)據(jù)流向，在采用組播方式時(shí)，協(xié)商結(jié)果具有唯一性，沒有以太網(wǎng)回路切換問題。

站控層網(wǎng)絡(luò)支持IEC61850－8－1通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，考慮到站控層交換機(jī)可按較低標(biāo)準(zhǔn)配置，故站控層網(wǎng)絡(luò)不推薦采用環(huán)網(wǎng)。20kV配電裝置采用間隔層設(shè)備下放的布置方式，構(gòu)成位于就地的站控層網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)采用100 Mbps以太網(wǎng)，通過級(jí)聯(lián)方式與站控層網(wǎng)絡(luò)相連。

全站采用網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)方式，站控層網(wǎng)絡(luò)支持 SNTP標(biāo)準(zhǔn)，過程層網(wǎng)絡(luò)支持IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 三層一網(wǎng)方式

在三層一網(wǎng)方案中，站控層、間隔層、過程層網(wǎng)絡(luò)合一，稱為變電站網(wǎng)絡(luò)。站內(nèi)可建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)一體化數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡潔，便于工程設(shè)計(jì)和日常維護(hù)。統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信平臺(tái)是變電站智能化的核心思路，是技術(shù)發(fā)展方向，對(duì)于規(guī)模較大的110kV變電站，現(xiàn)階段采用此方案難度較大，但對(duì)于110kV新生變的規(guī)模及接線方式，可在技術(shù)上向前嘗試。下文具體說明三層一網(wǎng)組網(wǎng)方案。

圖2 “三層一網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該方案在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸了變電站全部數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。為解決流量問題，交換機(jī)間的級(jí)聯(lián)可采用千兆端口，同時(shí)由于過程層設(shè)備一般采用以太網(wǎng)光口，站控層設(shè)備一般采用以太網(wǎng)電口，因此交換機(jī)須具備100 M光口、100 M電口及1 000 M光纖級(jí)聯(lián)端口。另外，交換機(jī)對(duì)裝置的端口也可采用千兆口，但現(xiàn)在成本較高，尚不予推薦。

智能組件通過網(wǎng)口接入交換機(jī)，組成GOOOSE網(wǎng)。同時(shí)，增加了相關(guān)智能組件與主變保護(hù)測(cè)控裝置點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的光纖連接，完成主變功能保護(hù)直采直接，實(shí)現(xiàn)主變間隔自治。

20kV線路、電容器、所用變間隔采用集保護(hù)、測(cè)量、計(jì)量、故障錄波為一體的測(cè)保裝置，完成本間隔所有功能，實(shí)現(xiàn)間隔自治。

站域保護(hù)(備自投、低周低壓減載)涉及多間隔元件，采樣值及跳閘建議采用網(wǎng)絡(luò)方式，為解決信息流量問題，站域保護(hù)裝置、網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置及交換機(jī)須具有千兆接口，并可通過組播方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備的信息流量控制。

2.3 方案比選

表1 交換機(jī)配置對(duì)比表

相對(duì)于三層兩網(wǎng)方案所需12臺(tái)交換機(jī)，三層一網(wǎng)方案只需8臺(tái)，交換機(jī)數(shù)量較少，網(wǎng)絡(luò)更精簡，交換機(jī)總價(jià)也更低。

2.4 發(fā)展方向

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和設(shè)備智能化水平的提升，智能變電站的發(fā)展方向是兩層設(shè)備一層網(wǎng)絡(luò)，即系統(tǒng)層與設(shè)備層。系統(tǒng)層包含網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、對(duì)時(shí)系統(tǒng)、后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)、站域保護(hù)、對(duì)外通信系統(tǒng)等子系統(tǒng)。設(shè)備層由變壓器、斷路器、互感器等多個(gè)設(shè)備對(duì)象組成，完成能量傳輸功能及測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量等功能。智能變電站兩層設(shè)備一層網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)為現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的選擇指明了方向。

2.5 結(jié) 論

經(jīng)對(duì)比分析，110kV智能變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)推薦采用三層一網(wǎng)方案。

3 應(yīng)用實(shí)例

嘉興110kV新生變，是國內(nèi)第二批智能變電站試點(diǎn)工程之一，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用“三層一網(wǎng)”。

3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

新生變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，交換機(jī)端口數(shù)量較為節(jié)省，如圖3所示。

圖3 110kV新生智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2 間隔功能自治策略

新生變?cè)O(shè)備采用了間隔功能自治策略，降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴性。主變及110kV間隔增加了保護(hù)測(cè)控裝置與相關(guān)智能組件的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖連接，實(shí)現(xiàn)功能保護(hù)直采直跳;20kV線路、電容器與所用變間隔采用集保護(hù)、測(cè)量、計(jì)量與錄波為一體的測(cè)保裝置完成本間隔所有功能;站域保護(hù)(備自投、低周低壓減載)雖涉及多間隔元件，但規(guī)模不大，可采用直采網(wǎng)跳方式[4]。

3.3 交換機(jī)配置方案

站控層配置1臺(tái)千兆中心交換機(jī)，110kV和20kV設(shè)備分別配置三個(gè)和兩個(gè)次級(jí)交換機(jī)與之級(jí)聯(lián)。其中，110kV次級(jí)交換機(jī)按設(shè)備室配置，20kV次級(jí)交換機(jī)按主變配置，主變低壓側(cè)設(shè)備接入110kV次級(jí)交換機(jī)。

110kVGIS設(shè)備與20kV開關(guān)柜分別集中布置在不同樓層，因此間隔層及過程層交換機(jī)宜按電壓等級(jí)配置。間隔層及過程層交換機(jī)傳輸流量不大，可采用百兆交換機(jī)。

GOOSE、MMS、SV等數(shù)據(jù)在一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)上傳輸，流量較大，故交換機(jī)級(jí)聯(lián)接口采用1 000 M光口。由于本工程要求裝置接口為100 Mbps，為兼容裝置接口，交換機(jī)可采用VLAN劃分技術(shù)。

中心交換機(jī):對(duì)站控層設(shè)備采用100/1 000 M網(wǎng)口，級(jí)聯(lián)口采用千兆光口;主變交換機(jī)1、2:為主變間隔的保護(hù)測(cè)控裝置、智能組件等設(shè)備提供接口，采用1 000 M光口對(duì)上級(jí)聯(lián);110kV交換機(jī):為110kV的3條線路和分段間隔保護(hù)測(cè)控裝置、智能組件等設(shè)備提供接口，采用1 000 M光口對(duì)上級(jí)聯(lián);20kV交換機(jī)1、2:為20kV保護(hù)和母設(shè)合并單元等設(shè)備提供接口，采用1 000 M光口對(duì)上級(jí)聯(lián)。

3.4 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)配置方案

全站采用一層網(wǎng)絡(luò)，所有智能組件的SV、GOOSE、MMS、IEEE－1588全部發(fā)送到一層網(wǎng)絡(luò)上;因此在一層網(wǎng)絡(luò)上，同時(shí)存在邏輯獨(dú)立的MMS網(wǎng)絡(luò)、SV網(wǎng)絡(luò)、GOOSE網(wǎng)絡(luò)和IEEE－1588網(wǎng)絡(luò)。

3.4.1 SV 網(wǎng)絡(luò)

SV網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量大，且持續(xù)穩(wěn)定，通常每一個(gè)間隔的數(shù)據(jù)流量為4～6 Mbps。由于保護(hù)測(cè)控等設(shè)備已通過“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”方式與智能組件直連，SV數(shù)據(jù)只需到達(dá)錄波/網(wǎng)絡(luò)記錄儀，可通過VLAN劃分使SV數(shù)據(jù)不能到達(dá)除錄波/網(wǎng)絡(luò)記錄儀以外的任何設(shè)備。

3.4.2 GOOSE 網(wǎng)絡(luò)

GOOSE網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量較小，每一個(gè)間隔最大峰值流量小于1Mbps，而且僅在發(fā)生狀態(tài)變化時(shí)流量較大，沒有狀態(tài)變化時(shí)流量較小;本站的GOOSE數(shù)據(jù)除了間隔數(shù)據(jù)在間隔層設(shè)備傳輸，其他GOOSE數(shù)據(jù)都只發(fā)給錄波/網(wǎng)絡(luò)記錄儀。所以GOOSE命令的VLAN劃分也通過類型方式來劃分。

3.4.3 MMS 網(wǎng)絡(luò)

由于MMS網(wǎng)絡(luò)采用 TCP協(xié)議傳輸，屬于單播范疇，就數(shù)據(jù)流向而言是邏輯上的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”傳輸，無需VLAN劃分;同時(shí)由于TCP傳輸為流控傳輸，數(shù)據(jù)量很小，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬需求幾乎忽略不計(jì);另外MMS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)重要性低，所以采用無優(yōu)先級(jí)傳輸。

3.4.4 IEEE-1588 網(wǎng)絡(luò)

由于IEEE－1588報(bào)文采用間隔發(fā)送的方式，約1秒一次，且采用了IEEE－1588的“P－P”方式，所以 IEEE－1588網(wǎng)絡(luò)流量極小。間隔層設(shè)備、過程層設(shè)備和部分站控層設(shè)備都需要IEEE－1588報(bào)文，因此無需VLAN劃分，但由于IEEE－1588報(bào)文傳輸實(shí)時(shí)性要求高，故將IEEE－1588報(bào)文定為最高優(yōu)先級(jí)。

3.4.5 交換機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)

站控層設(shè)備之間數(shù)據(jù)僅需在站控層設(shè)備之間傳輸，且采用多播方式，流量較大，因此需要在站控層主交換機(jī)根據(jù)不同報(bào)文類型與目標(biāo)MAC地址進(jìn)行VLAN劃分，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分流，確保數(shù)據(jù)不會(huì)流向間隔層、過程層以及站控層其他無關(guān)的設(shè)備，避免網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)“漫流”占用帶寬。

由于站內(nèi)有效數(shù)據(jù)流量都采用單播、多播方式傳輸，廣播數(shù)據(jù)僅用于諸如ARP等協(xié)議，因此將交換機(jī)端口廣播風(fēng)暴的門檻值設(shè)得很低，可以有效防止廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生。對(duì)于未知單播數(shù)據(jù)，所有交換機(jī)采取輸入丟棄的方式處理，防止未知單播造成泛濫。多播報(bào)文數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中大量存在，為防止部分設(shè)備異常導(dǎo)致錯(cuò)誤發(fā)送大量多播數(shù)據(jù)，在和智能組件相連的交換機(jī)端口處將輸入多播數(shù)據(jù)流量限制設(shè)為10 Mbps，而在和其他間隔層設(shè)備相連的交換機(jī)端口處將輸入多播流量限制設(shè)為3 Mbps;站控層設(shè)備根據(jù)需求設(shè)定不同的多播流量限制。

3.5 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量分析

主變交換機(jī)流量分析(兩臺(tái)主變交換機(jī)流量基本一致):

表2 主變交換機(jī)流量統(tǒng)計(jì)表

表3 110kV交換機(jī)流量統(tǒng)計(jì)表

20kV交換機(jī)數(shù)據(jù)流量分析(兩臺(tái)20kV交換機(jī)流量基本一致):

表4 20kV交換機(jī)流量統(tǒng)計(jì)表

表5 中心交換機(jī)流量統(tǒng)計(jì)表

3.6 結(jié)論

根據(jù)以上計(jì)算，目前選擇的交換機(jī)端口帶寬遠(yuǎn)大于實(shí)際的流量帶寬，滿足設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的設(shè)計(jì)是智能變電站建設(shè)的基石，本文以智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成為前提對(duì)兩種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架進(jìn)行對(duì)比分析，確定三層一網(wǎng)是現(xiàn)階段110kV智能變電站建設(shè)的最優(yōu)選擇，通過對(duì)110kV新生智能變電站的網(wǎng)絡(luò)配置、數(shù)據(jù)流量分析等方面的闡述，論證了解三層一網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架在工程應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

[1]龐紅梅，李淮海，張志鑫，等.110kV智能變電站技術(shù)研究狀況[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(6):146－150.

[2]國家電網(wǎng)公司.國家電網(wǎng)公司2011年新建變電站設(shè)計(jì)補(bǔ)充規(guī)定[Z].2011，8.

[3]國家電網(wǎng)公司.國家電網(wǎng)公司2011年新建變電站設(shè)計(jì)補(bǔ)充規(guī)定[Z].2011，9.

[4]國家電網(wǎng)公司.智能變電站技術(shù)導(dǎo)則[Z].2009，Q/GDW，383:4－5.