220kV变电站自动化系统网络结构的分析

220kV变电站自动化系统网络结构的分析

易文灿

（珠海华成电力设计院有限公司）

摘要：本文基于湖北十堰郧县220kV变电站的新建工程设计对其自动化系统网络结构的优化配置进行分析，从站控层、交换机配置、智能变电站采样值传输协议、“直采直跳”等问题提出优化建议，并得出了优化配置的结论。

关键词：220kV变电站；自动化系统；网络结构

针对国家电网公司湖北十堰郧县220kV变电站新建工程的设计招标，在变电站无人值守”及“智能化”自动化网络结构优化及配置方面，笔者做出了相应的计算分析，提出了更为合理的结构配置，本专题创新思路主要体现为：信息共享、设备集成、配置优化、维护简单、可行可靠，具体优化配置以下5点。

一、站控层网络

MMS、GOOSE、SNTP三网合一、共网传输，过程层网络采样值、GOOSE两网合一、共网传输（220kV、主变采用星型双网、110kV采用星型单网），实现全站数据传输的数字化、网络化、共享化，有效减少了装置端口和交换机的数量。

如图1所示：

图1220kV线路间隔方案四网络结构示意图

主变间隔过程层不单独组网，接入各电压等级过程层网络。

全站220kV、110kV保护及主变保护均采用“新型”直采直跳方式，采用合并单元智能终端一体化装置，采样值、GOOSE数据实现共网口传输，可有效减少装置端口数量，尤其对跨间隔保护，如：母线保护、主变保护而言，能节省近一半的光口数量，能有效改善装置因光口数量多长期运行的发热问题。

二、交换机配置与组屏分析

1、过程层网络概述

过程层采用100M星型以太网，通过网络流量精确计算确定带宽分配原则，在可靠网络负载范围内多间隔共用交换机，减少了过程层交换机数量（本期8台，远景23台，远景较典设方案节省交换机18台）。

2、过程层交换机配置

针对采样值、GOOSE信息的订阅/发布机制，采用GMRP（组播注册协议）技术进行基于装置端口MAC的自动寻址，替代VLAN技术对交换机的繁琐设置，有效控制网络流量，保证了数据实时性和处理效率，减少了施工运行和改扩建时网络配置的工作量和差错率。

3、过程层装置跨接

针对单套测控装置跨接过程层双网单装置，提出了对单装置A、B网口进行物理隔离方案保证数据上传不跨网，数据上行采用“A网完整数据+B网装置自检数据”，控制下行采用“A网单网控制不切换”方式，同时要求测控装置A口、B口端口独立，简化测控装置处理逻辑，保证运行可靠性。

三、智能变电站采样值传输协议

全站采样值传输协议采用网络方式基于IEC61850-9-2标准传输，该标准强调未来变电站自动化系统的开放性、互操作性以及技术发展和功能应用的可扩展性，强调设备数据模型标准、完整、规范，可实现间隔层设备和站级设备对过程层信息的共享。是未来无缝远动通信体系的基础，更是未来变电站自动化系统的唯一国际标准，只通过过程总线连接，接线简单，节省材料，除了支持直接映射到数据链路层的“SendMSVMessage”服务外，还支持向制造报文规范（MMS）的映射，可以重新配置输入通道数、采样频率等参数，支持对数据集的更改和对数据对象的直接访问，可灵活配置帧格式，实现采样值数据的自由配置和信息共享。

四、网采网跳与直采直跳方式切换关键技术

通过对保护“直采直跳”、“直采网跳”和“网采网跳”的技术经济比较，结合合并单元智能终端一体化装置“直采”与“直跳”端口整合的优化，基于可靠性考虑提出了220kV、主变保护采用新型“直采直跳”方案，其端口数量减半，与“直采网跳”装置相同，且跳闸可靠性不受交换机制约。基于先进性考虑，推荐110kV保护采用“网采网跳”方案。全站保护、测控等装置均采用SV、GOOSE共端口传输，大幅减少装置端口数量，有效解决发热问题，在可靠性、先进性和经济性之间取得最近平衡。

采用合并单元智能终端一体化装置，采样值、GOOSE数据实现共网口传输，可有效减少装置端口数量，尤其对跨间隔保护，如：母线保护、主变保护而言，能节省近一半的光口数量，能有效改善装置因光口数量多长期运行的发热问题。端口整合示意如图2所示：

图2过程层设备装置端口整合示意

如图2所示，整合前对于保护装置而言，单间隔直采直跳最少需要2对光口（TX/RX，一发一收），整合后仅需1对光口。以重庆郧县220kV变电站220kV母线保护为例（远景6线路、1母联、3主变、2母线设备），整合前母线保护光口数量为：

11对（直采SV）+10对（直跳GOOSE）+1对（网络GOOSE）=22对

整合后母线保护光口数量为：

10对（直采SV兼直跳GOOSE）+1对（直采SV）+1对（网络GOOSE）=12对

从以上分析可以看出，通过整合220kV母线保护光口数量将减少10对，与“直采网跳”装置端口数相同。按照平均软硬件成本500元/对计算，母线保护单装置成本将减少5000元。同时，可以有效改善装置的功耗和发热状况。装置数量减少，更利于就地智能控制柜布置，利于装置的散热空间的改善。

五、重点问题及解决思路

1、故障录波与网络信息分析装置的一体化可行性分析

采用故障录波装置与网络信息分析一体化装置，共用统一的数据源和时标，实时解码及报文分析，从报文分析开始并行接入网络信息分析与故障录波功能，不仅减少成本，节省变电站的屏柜空间，还能更方便地实现原始报文数据和暂态录波数据的对比组合分析，更快速更准确的定位异常位置。

基于以上，故障录波装置与网络记录分析装置一体化成为了智能变电站的发展需求，用一套装置同时实现网络报文预警记录和暂态录波功能，如图3所示。

图3故障录波及网络记录分析一体化装置逻辑图

两种记录信息共用统一的数据源和时标，实时解码及报文分析，从报文分析开始并行接入网络信息分析与故障录波功能，这样不仅可以减少成本，节省变电站的屏柜空间，还能更方便地实现原始报文数据和暂态录波数据的对比组合分析，更快速更准确的定位异常位置。报文记录子系统对每一条异常报文均记录了日志，通过日志条目可以直接快速地提取报文数据，这样就可以方便地将暂态录波数据和原始报文数据建立索引关系，实现对比组合分析功能。

2、故障录波及网络记录分析一体化装置系统结构

图4故障录波及网络记录分析一体化装置系统结构图

如图4所示，故障录波及网络记录分析一体化装置系统结构可由：过程层报文记录子系统、暂态录波子系统、站控层报文记录子系统、就地管理和分析子系统、远端管理和分析子系统构成。

3、故障录波及网络记录分析一体化装置硬件结构

故障录波及网络记录分析一体化装置在硬件结构上可由报文记录单元、暂态录波单元和管理单元组成。如图5所示。

4、故障录波及网络记录分析一体化装置软件结构

软件系统在结构可由6个主要模块组成：报文采集存储系统、报文采集管理系统、报文分析系统、暂态录波系统、暂态录波管理系统、波形分析系统。

图5故障录波及网络记录分析一体化装置硬件结构图

六、专题报告结论

1、自动化系统体系结构

结论：

采用IEC61850定义的三层两网结构，含“站控层、间隔层、过程层”三层设备，及“站控层网络、过程层网络”两层网络。

2、自动化系统网络结构

（1）站控层网络

结论：

站控层网络采用双星型拓扑结构，冗余网络采用双网双工方式运行，实现网络无缝切换。

表1站控层交换机配置清单

（2）结论：

■全站过程层均采用星型结构100M以太网，220kV电压等级过程层网络按双套物理独立的单网配置，110kV电压等级过程层网络除主变间隔外按单网配置，主变间隔按照双网配置；

■采样值、GOOSE采用网络方式传输，采样值网络、GOOSE网络两网合一、共网运行；

■采样值传输协议采用IEC61850-9-2标准；

■过程层交换机采用面向间隔的原则配置，采用多间隔共用交换机方式；

■采用GMRP（组播注册协议）技术实现网络流量自动控制，取代对交换机的手工VLAN划分；

■通过网络流量进行计算分析实现了实现交换机的优化配置。对于总带宽在40M以下的装置，数据传输可通过1个100M光口完成；对于总带宽在40M以上的装置，近期可以通过多个100M光口分担总带宽，远期通过千兆以太网技术来解决。

表2过程层交换机配置清单

参考文献：

[1]于月平.220kV德州晏城变电站通信网络构成及分析[J].电力信息化.2007（04）

[2]王文政.智能化变电站自动化系统通信网络实现方式探讨[J].供用电.2011（28）