變電站自動(dòng)化系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

耿英格

摘 要：在對(duì)220kV智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究和嚴(yán)格論證后，關(guān)于變電站的自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為清晰，并提出其總體配置方案。（1）變電站自動(dòng)化系統(tǒng)采用三層設(shè)備站控層單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。（2）站控層網(wǎng)絡(luò)MMS、GOOSE、SNTP三網(wǎng)合一、共網(wǎng)傳輸。站控層網(wǎng)絡(luò)采用100M雙星型以太網(wǎng)，采用雙網(wǎng)雙工方式實(shí)現(xiàn)無縫切換。（3）過程層保護(hù)采用直采直跳方式。（4）站控層交換機(jī)按設(shè)備布置方式配置MMS交換機(jī)，提高可靠性、安全性，便于擴(kuò)建、檢修。

關(guān)鍵詞：變電站；自動(dòng)化；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

1 概述

智能變電站是建設(shè)內(nèi)容中必不可少的部分，因?yàn)樗侵悄茈娋W(wǎng)不可或缺的基礎(chǔ)和重要的節(jié)點(diǎn)支撐。智能變電站可以將比常規(guī)變電站更深層次、更寬范圍、更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的信息采集起來并進(jìn)行處理，如此，變電站內(nèi)、站與站之間、站與調(diào)度和大用戶之間的信息互動(dòng)能力就會(huì)更強(qiáng)，也促進(jìn)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(guī)變電站，智能變電站的設(shè)備具有更多的技術(shù)特征，如信息數(shù)字化、結(jié)構(gòu)緊湊化、功能集成化和狀態(tài)的可視化，更符合現(xiàn)代工業(yè)化易改造、易擴(kuò)展、易維護(hù)和易升級(jí)的使用要求。

2 智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的功能要求設(shè)計(jì)與設(shè)備配置應(yīng)該使用開放式和分層式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，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(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備共同構(gòu)成的。站控層設(shè)備應(yīng)依據(jù)變電站的遠(yuǎn)景規(guī)模來配置，其間隔層以及過程層的設(shè)備配置則要依據(jù)工程的實(shí)際規(guī)模。站內(nèi)監(jiān)控和通訊均采用統(tǒng)一的DL/T860通信標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)統(tǒng)一組網(wǎng)和建模，通信規(guī)約實(shí)現(xiàn)站控層、間隔層和過程層的二次設(shè)備互操作，促進(jìn)信息共享。變電站內(nèi)的相關(guān)信息也應(yīng)具有唯一性和共享性，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)和遠(yuǎn)動(dòng)信息傳輸設(shè)備的資源共享。

3 智能變電站組網(wǎng)方案

智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)整站的建立是以DL/T860通信技術(shù)規(guī)范為基礎(chǔ)的，依據(jù)分層分布式實(shí)現(xiàn)智能化變電站內(nèi)的電氣設(shè)備之間互操作性與信息共享。整體來說應(yīng)分為三層：站控層、間隔層、過程層。三層結(jié)構(gòu)兩層網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)階段普遍采用的模式，此方案是比較成熟的，且國內(nèi)智能變電站工程中已有應(yīng)用?，F(xiàn)今的互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)與設(shè)備水平都在不斷提升，三層結(jié)構(gòu)一層網(wǎng)絡(luò)也是實(shí)現(xiàn)信息完全共享的趨勢(shì)。

3.1 網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)的選擇

3.1.1 全站唯一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（四網(wǎng)合一結(jié)構(gòu)）。IEC標(biāo)準(zhǔn)只是對(duì)互聯(lián)網(wǎng)通信的類型進(jìn)行了相關(guān)邏輯分類，沒有明確說明網(wǎng)絡(luò)設(shè)置分層的要求。從三層結(jié)構(gòu)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(fā)生。而在常規(guī)變電站中，站控層與間隔層之間的設(shè)備通信已然存在，DL/T860標(biāo)準(zhǔn)中將智能一次設(shè)備和電子式互感器前瞻性的引入描述，因而促進(jìn)了過程層網(wǎng)絡(luò)這一概念的產(chǎn)生，進(jìn)而將通信擴(kuò)展在間隔層和過程層之中，代替了電纜傳輸和強(qiáng)電通信。

從這個(gè)角度來看，變電站采用間隔層網(wǎng)絡(luò)/站控層、過程層網(wǎng)絡(luò)這兩種通信網(wǎng)方式是切合信息分層與分類的要求的；如此一來就會(huì)帶來網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備投資大、數(shù)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(gè)性能高、可靠性高且維護(hù)起來更簡(jiǎn)單的“一體化網(wǎng)絡(luò)”，通過它來實(shí)現(xiàn)全站的覆蓋，從而在站內(nèi)相應(yīng)IED設(shè)備之間的MMS、SV、GOOSE和IEEE-1588網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)通信業(yè)務(wù)進(jìn)行共網(wǎng)傳輸，以此將智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)資金和維護(hù)成本大幅度降低。實(shí)現(xiàn)過程層和站控層網(wǎng)絡(luò)之間的合并，然后此網(wǎng)絡(luò)上將包括智能終端與合并單元在內(nèi)的三層設(shè)備連接起來。

3.1.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇。鑒于變電站的重要性和現(xiàn)階段智能設(shè)備技術(shù)水平所限，本工程采用三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，兩層網(wǎng)絡(luò)為站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)。全站采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的DL/T860通訊規(guī)約，各系統(tǒng)間可實(shí)現(xiàn)完全的互操作。

3.2 組網(wǎng)方案技術(shù)分析

3.2.1 MMS網(wǎng)絡(luò)。由于站控層的MMS網(wǎng)絡(luò)均采用的是TCP協(xié)議進(jìn)行傳輸，因此在單播范疇內(nèi)，從數(shù)據(jù)流向的角度來看，它的傳輸在邏輯上是“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的，所以不會(huì)流動(dòng)到其他的網(wǎng)絡(luò)接口上，因此我們不需要對(duì)MMS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行VLAN的劃分。同時(shí)TCP的傳輸因?yàn)閷儆诹骺貍鬏?，所以其?shù)據(jù)量是很小的，幾乎不會(huì)對(duì)帶寬產(chǎn)生影響。除此之外，MMS網(wǎng)絡(luò)采用的是無優(yōu)先級(jí)傳輸，這是因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)的重要性是最低的。

3.2.2 SV網(wǎng)絡(luò)。SV網(wǎng)絡(luò)相對(duì)而言更為持續(xù)和穩(wěn)定，且數(shù)據(jù)流量大，其每個(gè)間隔的數(shù)據(jù)流量通常是4～6Mbps。同時(shí)，因?yàn)镾V的數(shù)據(jù)量比較大，為了不占用其他接口的帶寬，可通過VLAN技術(shù)對(duì)SV數(shù)據(jù)的路由進(jìn)行劃分。

3.2.3 GOOSE網(wǎng)絡(luò)。GOOSE網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)端口即使其流量達(dá)到最大峰值也小于4Mbps，它的數(shù)據(jù)流量較?。欢宜牧髁恐挥性跔顟B(tài)發(fā)生變化時(shí)才會(huì)較大，若狀態(tài)未發(fā)生變化則流量就比較小。因此GOOSE報(bào)文的VLAN劃分也是通過類型方式來劃分。所有的GOOSE數(shù)據(jù)都必須要到達(dá)故障錄波及網(wǎng)絡(luò)記錄分析一體化裝置。所以所有的GOOSE的VLAN域都必須到達(dá)故障錄波及網(wǎng)絡(luò)記錄分析一體化裝置。

3.2.4 對(duì)時(shí)方式。SNTP是IEC61850中規(guī)定的時(shí)間同步協(xié)議是簡(jiǎn)單時(shí)間同步協(xié)議，它能使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單播方式和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的廣播方式進(jìn)行操作，也可以用IP多播的方式進(jìn)行操作。實(shí)現(xiàn)SNTP時(shí)間同步的過程可以分為兩大主要部分：客戶端（SntpClient）的實(shí)現(xiàn)、時(shí)間服務(wù)器端（SntpServer）的實(shí)現(xiàn)。一般來說，對(duì)于服務(wù)器或工作站，SNTP的時(shí)間精度可以達(dá)到1～10ms，但是SNTP的時(shí)間精度對(duì)于服務(wù)器和客戶端的網(wǎng)絡(luò)情況是比較依賴的。

針對(duì)過程層網(wǎng)絡(luò)主要有三種方式，基于硬接線的GPS秒脈沖或B碼時(shí)間同步方式，以及基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)IEEE 1588協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)方式。

（1）秒脈沖對(duì)時(shí)。秒脈沖對(duì)時(shí)方式需要在變電站過程層建設(shè)獨(dú)立的星型采樣同步網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)為時(shí)鐘源，通過多模光纖燈物理介質(zhì)發(fā)送1HZ的秒沖對(duì)時(shí)信號(hào)給各合并單元。秒脈沖對(duì)時(shí)方式需要建立獨(dú)立的采用同步網(wǎng)，即增加投資，又將變電站的二次結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，增加大量故障節(jié)點(diǎn)。其次，不同廠家的合并單元對(duì)秒脈沖的處理機(jī)制未統(tǒng)一，將產(chǎn)生對(duì)時(shí)誤差。最后，這種同步機(jī)制只適合某些不需要絕對(duì)對(duì)時(shí)標(biāo)簽的設(shè)備，如PMU裝置，并不能做到絕對(duì)時(shí)間同步。因此并不適合用于智能變電站對(duì)時(shí)。（2）B碼對(duì)時(shí)。B碼對(duì)時(shí)是目前常規(guī)站及智能站廣泛使用的對(duì)時(shí)方式，技術(shù)相對(duì)較成熟，依靠其可靠的精度獲得了大量的應(yīng)用。B碼對(duì)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)時(shí)間同步，但是和秒脈沖對(duì)時(shí)一樣，也需要建立獨(dú)立的采樣同步網(wǎng)絡(luò)并增加故障節(jié)點(diǎn)，并不能作為智能變電站對(duì)時(shí)的最優(yōu)選擇。（3）IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)。IEEE 1588的全稱是“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”。IEEE 1588主要運(yùn)用于將分布式總線系統(tǒng)中的執(zhí)行器、傳感器和其它終端設(shè)備內(nèi)的時(shí)鐘達(dá)到亞微秒級(jí)同步的精度。保持分布式網(wǎng)絡(luò)中最精確的時(shí)鐘與其它時(shí)鐘的同步是IEEE 1588最基本的功能。

3.2.5 計(jì)量網(wǎng)絡(luò)。在全站內(nèi)統(tǒng)一配置一套電能量的遠(yuǎn)方終端，用串口的方式對(duì)各電能表的信息進(jìn)行采集；將主電能計(jì)量表和校核電能計(jì)量表設(shè)置在在關(guān)口計(jì)量點(diǎn)，220kV和110kV線路采用數(shù)字式電能表，10kV部分考慮采用“五合一”裝置實(shí)現(xiàn)電能結(jié)算。電能量數(shù)據(jù)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(gè)是所有電能表和裝置接入現(xiàn)有過程層網(wǎng)絡(luò)。但是過程層網(wǎng)絡(luò)中加入電能量數(shù)據(jù)會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，而且電能量數(shù)據(jù)是II區(qū)數(shù)據(jù)可能會(huì)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控I區(qū)數(shù)據(jù)有影響。因此本工程采用串口方式采集。

4 結(jié)束語

在對(duì)220kV智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入的研究和嚴(yán)格的論證之后，更了解變電站的自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并提出其總體配置方案。（1）變電站自動(dòng)化系統(tǒng)采用三層設(shè)備兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。（2）站控層網(wǎng)絡(luò)MMS、GOOSE、SNTP三網(wǎng)合一、共網(wǎng)傳輸。站控層網(wǎng)絡(luò)采用100M雙星型以太網(wǎng)，采用雙網(wǎng)雙工方式實(shí)現(xiàn)無縫切換。過程層采用直采直跳方式。（3）站控層交換機(jī)按設(shè)備布置方式配置MMS交換機(jī)，提高可靠性、安全性，便于擴(kuò)建、檢修。