智能化变电站与传统变电站网络分析

陈 园，侯 赞

(1.长沙通信职业技术学院，湖南长沙 410015；2.湖南省电力公司检修公司，湖南长沙 410004)

电子技术、网络通信技术的发展带来了变电站中主要设备的发展与更新，智能化设备的发展,特别是智能开关、电子式互感器、智能组件等设备的出现,使二次系统技术逐步与一次系统融合。IEC61850的出台为变电站建立了完整的新一代变电站网络通信体系。网络通信技术的发展，为变电站提供了信息数字化通信的手段，将改变变电站的综合自动化系统原有的结构，一直阻碍变电站自动化发展的信息传输和共享的机制将得到解决。随着这些技术的发展和成熟，变电站自动化的发展进入了一个全新的阶段，智能化变电站得到了飞速的发展。

智能化变电站的功能实现依赖于网络通信，构建高速、可靠、开放的通信网络是智能化变电站的核心技术和前提条件之一。在智能化变电站中，由于过程网络的出现，智能化变电站通信网络在数据流、网络结构、功能和性能方面与传统的变电站存在较大的差异。

1 传统变电站的综合自动化系统

传统变电站现在多为两层式结构，在两层式综合自动化系统中，站控层分别配置SCADA监控主机（单机或主备双机）、操作员站、保护工程师站及五防主机等；监控层装置采用单网或双网组网，通过工业以太网方式直接接入监控网络。在站控层和网络失效的情况下，间隔层能独立的完成就地数据采集和控制功能。

对于条件不具备的分散式低压保护测控装置，现场采用一种折衷方案是将低压保护测控装置采用现场总线方式组网，再通过通信控制器或规约转换器接入站控层监控网。这种方案将依然无法避免低压保护测控部分的通信瓶颈问题。

两层式变电站综自系统的典型网络结构如图1所示。

图1 两层式变电站综自系统结构图

传统变电站中，间隔保护和测控单元、录波装置、计量装置、公用保护与一次设备之间均采用电缆连接方式。间隔单元和公用保护之间的连接也是采用电缆连接方式。计量系统和故障信息子站都是采用各自独立的网络。监控设备和不同厂家之间的IED设备之间的网络连接大多采用串口通信方式。

2 智能化变电站的综合自动化系统

与传统的变电站比较，智能化变电站的网络结构发生了较大的变化，IEC 61850提出过程层、间隔层、站控层三层式网络结构模型[1]，建议采用高速以太网、面向对象建模、嵌入式实时操作系统(real-time operating system，RTOS)、软件复用以及XML(extensible markup language)等技术，不仅能够满足电力系统对实时和可靠性等方面的要求，而且可以有效地解决设备之间的信息共享以及系统的扩展等问题[2]。目前智能设备采用一次设备+智能组件模式，智能变电站分为过程层、间隔层、站控层三个层次和过程层网络、站控层网络两网的形式。

智能化变电站的综合自动化系统结构如图2所示。

图2 智能化变电站综自系统结构图

下面就智能化变电站的三层两网式结构以及网络设备的要求进行详细分析。

2.1 智能化变电站中全站网络及设备的要求

站控层、间隔层、过程层组网方式应采用三层结构两层网络，变电站中三种网络，即过程层SV网络、过程层GOOSE网络、站控层MMS网络，必须满足完全独立的要求，IED设备应通过相互独立的数据接口控制器接入不同的网络。220kV及以上电压等级变电站的站控层网络应采用双网星型结构，110kV及以下电压等级变电站宜采用单网星型结构。220kV及以上电压等级变电站的过程层GOOSE网络应采用双网星型结构，110kV电压等级宜采用双网星型结构。电子式互感器、MU、保护装置、智能终端、过程层网络交换机等设备之间应采用光纤连接，正常运行时，应有实时监测光纤连接状态的措施。继电保护与故障录波器应共用站控层网络上送信息。IED设备应以点对点方式采集SV数据。继电保护设备与本间隔智能终端之间通信应采用GOOSE点对点通信方式。间隔内以及间隔之间的闭锁信息、母差保护、失灵保护等公用保护与各间隔之间等信息宜采用GOOSE网络传输方式。交换机的VLAN划分应采用最优路径方法。

2.2 智能化变电站网络的基本组成

1） 过程层网络

过程层网络作为一次设备如变压器、断路器、隔离开关、互感器、电容器、电抗器等过程层一次设备与保护、测控、计量、录波、公用保护等IED设备之间的连接通信网络，应能可靠的传输GOOSE报文和采样值SV报文，而且要保证数据传输的可靠性、实时性和可共享性。作为IEC61850的一部分，过程层网络的所有做法都遵守IEC61850的要求。过程层得网络化在构建智能化变电站的进程中起着决定性的作用，也是智能化变电站与传统变电站的一个重要的区分点。智能化变电站是否安全运行主要处决于过程层网络的安全性和可靠性。

2）变电站层网络

变电站层网络是连接间隔层IED设备与变电站层设备的网络。传统变电站中变电站层网络普遍采用103串口通信规约。随着过程层的网络化以及各个IED设备之间信息的共享化，智能化变电站中变电站层网络通信的数据较之传统变电站有了明显的增加，传统的网络结构不能满足数据通信的要求，智能化变电站需要采用100M的以太网来完成MMS数据传输和变电站GOOSE联闭锁等功能；上送电网调度中心需要的数据信息；向间隔层、过程层转发调度控制中心的控制命令；实现站内监控和人机对话等功能[3]。

智能化变电站的站控层网络和过程层网络以载波监听多路访问技术以及冲突检测技术为核心的IEEE802.3标准规定的以太网为基础。以太网不是一种具体的网络，是一种基带局域网技术规范[4]。智能变电站中主要采用光纤和双绞线为连接介质。

交换机是通信网络中的重要设备，变电站中交换机有两种，一种是电交换机，一种是光交换机。光交换机比电交换机具有更好的特性，主要应用于智能化变电站的过程层网络中，在综合考虑可靠性和经济性的基础上，智能化变电站站控层网络以电以太网交换机为主。

3)GOOSE网络、SV网络、MMS网络

GOOSE（Generic Object Oriented Substation Events），是为了解决网络报文的快速和可靠传输而提出来的用在间隔层与过程层之间、不同间隔之间的报文传输。是信息快速传输和交换的重要基础。

当变电站内一次设备的状态发生变化时，或者是起动元件动作、继电器接点动作时，IED设备能做出及时的响应，将事件报告高速上传。报告能够以一定的时间间隔进行重发。第一次重发的时间一般不固定。GOOSE报告传输成功概率高，能够实现跳闸信号的可靠快速传输。

GOOSE网络的传输时间如图3所示。

图3 GOOSE网络传输时间图

GOOSE网络能够实现装置间快速信息通信以及网络本身的在线检测，不仅能够传送开关量，还可以传递变化不快的模拟量，实现了用网络代替点对点的硬电缆，不仅能够降低工程造价，又能缩短工期，在更改接线时也不需要配线，只需要更改配置文件，是变电站智能化改造实施的关键。

SV（Sampled Values），采样值。是基于发布/订阅机制，交换采样数据集中的采样值的相关模型对象和服务，以及这些模型对象和服务到ISO/IEC8802-3帧之间的映射。

MMS（ManufacturingMessageSpecification），是ISO/IEC9506标准所定义的一套用于工业控制系统的通信协议[5]。它规范了智能控制设备和智能电子设备（IED）等设备的通信行为，使不同厂商的设备具有互操作性[6]。

3 结束语

作为智能电网的节点和重要组成部分，与传统变电站相比，智能变电站结构更加紧凑、系统集成度更高、信息能够交互、运行更加安全可靠，智能变电站能够在技术上更好地满足智能电网信息化、自动化和互动化的要求，更好地支撑智能电网其他部分的建设，更好地服务于电网资源的优化配置和提高资源的使用效率。

[1]IEC．IEC 61850:Communication networks and systems in substations[S].2004.

[2]高翔,张沛超.数字化变电站的主要特征和关键技术[J].电网技术,2006,30(23):67-71.

[3]孟凌峰,袁文广,于泳.浅析数字化变电站的工程实施方案[J].电力系统保护与控制,2009,37(8):86-88,92.

[4]邓一鸣,熊华钢,宋丽娜.交换式以太网的计算机建模与仿真[J]. 计算机工程与应用,2004，（4）：53-55.

[5]李紫龙,叶进,吕燕石.制造报文规范在变电站自动化系统中的研究与应用[J].低压电器,2010,(12).

[6]Anderson L,Brunner C.Substation automation based on IEC 61850 with new process-close technology[C].IEEE PowerTech Conference,Bologna,Italy,2003.