220kV智能变电站网络结构分析

220kV智能变电站网络结构分析

贾洋

（太原理工大学山西省030000）

摘要：随着智能变电站的快速发展和大规模建设，其在智能电网中的枢纽地位越来越突出。智能变电站采用光纤数字通信技术和网络技术代替传统的电缆传输模拟量，相比较而言，智能变电站简化了二次电缆接线，增强了抗干扰能力，提高了系统的互操作性与可拓展性。而网络结构的优劣则会直接影响到变电站内的网络传输效率、设备配置数量和投资。基于此，本文主要对220kV智能变电站网络结构进行分析探讨。

关键词：220kV智能变电站；网络结构

1、前言

随着我国“建成智能化电网”工作的全面铺开，智能化设计已经成为220kV及以上变电站设计的必然趋势。显然，在继电保护机理及元件都基本不变的情况下，智能化变电站相较于以往综自站最突出的变化就是网络结构的革新。

2、智能变电站系统结构与组网方案

结合某新建２２０ｋＶ智能变电站，分析设计智能变电站的网络结构，１．１系统结构根据ＤＬ／Ｔ８６０（ＩＥＣ６１８５０）协议的规定，智能变电站自动化系统可以从功能上划分为３层，分别是站控层、间隔层、过程层。

站控层位于变电站的顶层，包括主机与操作员站、远动通信系统、对时系统等，其主要功能是汇总实时数据，实现全站设备的监视、告警、控制等交互功能，同时执行调度下达的操作命令；间隔层位于站控层与过程层的中间，包括保护、测量、控制和录波等二次装置，其主要任务是通过智能终端对一次设备进行保护和控制，实现本间隔内的操作闭锁，并进行一次电气量的运算和计量；过程层位于智能变电站的最底层，典型设备包括常规／电子式互感器、智能终端（执行单元）、合并单元等，其主要功能是进行一次电气量采集、执行操控命令和检测设备状态。依据国家电网公司颁布的《１１０（６６）ｋＶ～２２０ｋＶ智能变电站设计规范》，智能变电站网络可从逻辑上分为“两网”，即站控层网络和过程层网络。其中，站控层网络连接了站控层设备与间隔层设备，主要是传输站控层内部、间隔层内部、以及站控层与间隔层之间的数据信息，内容以ＭＭＳ报文为主。过程层网络连接过程层设备与间隔层设备，主要是传输过程层内部、间隔层内部以及过程层与间隔层之间的数据信息，内容以ＧＯＯＳＥ和ＳＶ报文为主。

另外，根据智能变电站网络特点，站控层网络传输的ＭＭＳ报文数据量较小，实时性要求不高。而过程层网络传输的ＧＯＯＳＥ报文和ＳＶ报文数据量大，实时性要求高，不能容忍网络拥塞或是传输时延。为了限制网络流量、增加系统灵活性、提高系统的可靠性，有必要对智能变电站的过程层网络进行ＶＬＡＮ划分。

2.2组网方案

2.2.1常见的网络拓扑结构分析

局域网中常见的拓扑结构有总线型、环型、星型等几种，它们各有特点，适用于不同的场合。

（１）总线型拓扑。各设备的网络端口以级联的方式两两连接。这种结构的优点是连接简单，便于扩展，而且工程造价较低。缺点在于若总线上某一结点出现故障，将导致整个系统崩溃。同时该型拓扑的报文传输要经历多个结点，传输时间较长，因此该结构并不能满足智能变电站对报文传输可靠性与快速性的需求。

（２）环型拓扑。将总线型拓扑的首尾２个结点相接，形成一个圆环，以增强系统的冗余性。理论上说，报文可以从２个方向传送到同一个结点，这提高了系统的可靠性。但该结构同样存在较大的延迟，甚至有出现网络风暴的风险，不能满足智能变电站对报文快速传输的需求。

（３）星型拓扑。该型拓扑中，所有结点都与一个中心结点连接。这种网络结构的优点是结构简单、拓展性强、传输时延小。但缺点是可靠性较差，一旦中心交换机出现故障，将会导致全站瘫痪。因此，该型拓扑虽然能满足报文传输快速性的需求，但不能满足报文传输可靠性的需求。

2.2.2双星型拓扑结构

上述几种常见的网络拓扑结构都不能同时满足智能变电站对可靠性和快速性的需求，因此在进行某新建智能变电站的网络设计时，考虑设计和采用一种双星型的网络结构，以实现既快速又可靠的传递报文。该智能变电站的网络结构如图１所示。

图１中，在连接过程层与间隔层的过程层网络上配置２个互相独立的星型网络，它们以交换机为中心结点，互为热备用。该型网络结构不仅继承了星型网络快速传输的优点，同时，冗余的配置也有效提高了整个系统的稳定性与可靠性。因此，双星型拓扑结构是目前最适用于智能变电站的网络结构。

图１某智能变电站网络结构图

3、网络优化与整合

智能化一次设备和网络化二次设备的使用，使通常三层两网的智能变电站网络结构得以优化整合。相对于以往的智能变电站，本站采用两层设备一层网络，具备以下特点。

3.1设备层内部的信息交换

如测量保护装置与合并单元之间采用直接采样的方式，与智能终端之间直接交互GOOSE信息。以上信息传输均不经过系统层网络，在系统层及系统层网络失效的情况下，仍能独立完成设备的信息采集、设备运行的控制和保护命令的执行等。而且所有双重化配置保护均采用直采直跳，采样值信息与GOOSE信息的传输通道在物理上完全独立，不存在共网传输的可能，当一个通道/设备异常或退出运行时不影响另一通道/设备的运行，完全满足智能变电站继电保护技术规范的要求。

3.2设备层之间的信息交换

主要为跨间隔的跳闸及设备层各设备之间的联闭锁。220kV母线保护采用直接采样直接跳闸的方式，信息传输不需要经过网络，母线保护所需开入量（失灵启动、刀开关位置触点、母联断路器过电流保护启动失灵和主变压器保护动作解除电压闭锁等）采用GOOSE网络传输；66kV母线保护采用直接采样直接跳闸的方式。主变压器保护直接采样、直接跳闸各侧断路器；主变压器保护跳母联、分段断路器采用GOOSE网络传输。设备之间的联闭锁通过GOOSE网络实现，此类信息占用网络流量较少，且仅在正常操作引起设备变位时有信息交换。

3.3设备层与系统层之间的信息交换

本站计算机监控系统主机（含保护信息管理子站、一次在线监测主机等功能）、远动主机、二次设备在线监测及故障录波系统主机直接接入系统层网络。其中二次设备在线监测及故障录波系统需采集采样值信息及各种GOOSE信息，网络流量较大。本站采用多端口镜像技术，二次设备在线监测及故障录波系统直接与各交换机通过光纤以太网相连，避免了大流量数据在系统层内部传输。其余各保护测控计量一体化装置上传信息、在线监测主IED、一体化电源系统等上传信息均为MMS信息，数据量小，且可通过GMRP技术实现信息的定向传输；本站由站域控制实现低周减载功能，通过GOOSE网络切除66kV负荷线路，此类信息通过交换机设置IEEE802.1p优先级排队协议，保证跳闸信息的实时性传输。

3.4系统层内部的信息交换

此类信息主要为MMS信息及GOOSE信息，网络流量较少且对实时性要求不高。

4、结语

220kV智能变电站整站建立在IEC61850通信技术规范基础上，按分层分布式来实现智能变电站内智能电气设备间的信息共享和互操作性。本站按两层设备一层网络构建，两层为系统层和设备层，一层网络为系统层网络。系统层网络通过千兆光纤以太网直接相连，采用环形配置方式，MMS网络、采样值网络、GOOSE网络与IEEE61588对时网络网络共同组网，满足网络通信可靠性、实时性的要求。

参考文献：

［1］袁灏，胡文玲，王建功，等．电力系统数据可视化图形模型分析及应用［Ｊ］．合肥工业大学学报：自然科学版，２０１２，３５（３）：３５０－３５２．

［2］刘从洪．基于ＩＥＣ６１８５０的数字化变电站通信研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，２００８．