220kV宜兴智能变电站过程层网络设计

王晓虎

(1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京市102206;2.江苏省电力设计院，南京市211102)

0 引言

智能变电站通信网络一般分为过程层、间隔层和站控层。过程层设备主要包括变压器、断路器、隔离开关、电流和电压互感器等一次设备及其所属的智能组件以及独立的智能电子装置。一次设备的选择和基于此选择的过程层网络配置直接关系到变电站保护、测控、远动功能的可靠实现。本文将结合220kV宜兴智能变电站工程建设，进行过程层网络设计。

1 建设规模

主变压器:远期3×240 MVA，电压等级为220/110/10kV。本期建设2×180 MVA。

220kV线路侧:选用户内GIS设备，远期8回，本期建设4回，本期及远景均采用双母线接线。

110kV线路侧:选用户内GIS设备，远期14回，本期建设8回，本期及远景均采用双母线接线。

10kV线路侧:远期36回，本期20回，本期采用单母线4分段接线，远景采用单母线6分段接线。

2 设备配置

2.1 一次设备

(1)电流互感器(current transformer，CT)。220kV间隔、110kV间隔及主变高、中压侧采用全光纤型CT;10kV间隔及主变套管采用常规CT。

(2)电压互感器(potential transformer，PT)。220、110kV母线均采用电容分压型电子式PT;10kV母线采用常规PT，并采用带模拟量插件的合并单元进行数字转换。

2.2 二次设备

(1)保护、测控设备。每台主变配置2套保护设备，1套测控设备;每回220kV线路(母联)配置2套保护设备，1套测控设备;每回110kV线路(母联)配置1套保护、测控合一装置;220kV线路配置2套母线保护设备，110kV线路配置1套母线保护设备。

(2)故障录波器。主变配置2套故障录波器，220kV线路配置2套故障录波器，110kV线路配置1套故障录波器。

(3)合并单元。1)根据保护双重化的需求，220kV线路、母联，主变各侧合并单元按2套配置。2)110kV线路、母联合并单元按1套配置。3)10kV线路、电容器、接地变CT不配置合并单元。4)220、110kV电压等级母线PT合并单元按2套配置，含PT并列功能;10kV母线采用常规PT，分段开关联接的2段母线配置双套合并单元，要求合并单元带模拟量采集插件，含PT并列功能。

(4)智能终端。220kV GIS设备:设置2套智能终端(母线间隔单套配置)，统一控制间隔内断路器、隔离开关、接地开关。110kV GIS设备:设置1套智能终端，统一控制间隔内断路器、隔离开关、接地开关。主变低压侧分支:每个分支设置2套智能终端，统一控制间隔内断路器、手车、接地开关等。主变本体:每台主变本体配置1台智能终端。

3 过程层网络设计

根据国家电网公司对智能变电站信息传输“直采直跳”的要求，宜兴变电站采样值信息采用点对点方式传输，GOOSE信息采用网络方式传输，保护出口采用直跳方式。

3.1 GOOSE网络拓扑

3.1.1 星型结构

星型拓扑结构因交换机连接的各连接节点呈星状分布而得名。在这种结构的网络中有中央节点(公用交换机)和其他节点(二次设备交换机)，后者都与中央节点直接相连，这种结构以中央节点为中心。

优点:网络简单，易于布线;扩展容易;便于维护，任一台间隔交换机故障，都可以方便隔离，不影响其他间隔;公用交换机故障，仅影响公用智能电子设备，不影响间隔智能电子设备;传输环节少、速度快，从任一设备到另一设备至多经过3台交换机;报文延时固定;结构上无广播风暴的风险。

缺点:公用交换机负担较大，检修时将影响公用智能电子设备;交换机数量较多，成本相对较高，但间隔交换机所需端口最少，而端口数量影响交换机价格，整个网络成本应结合工程具体情况分析确定。

3.1.2 环型结构

环型拓扑结构由各交换机互相连接成闭环。

优点:网络冗余度好，网线或光纤故障时采用快速生成树协议(rapid spanning tree protocol，RSTP)自动重新组态，不影响交换机及设备运行;交换机数量较少，成本相对较低，但间隔交换机所需端口最多，而端口数量影响交换机价格，整个网络成本应结合工程具体情况确定。

缺点:网络结构较复杂，网络协议复杂;扩展困难，增加交换机设备时，需要将网络打开重新组环;维护、隔离比较困难，任一交换机检修，网络变为总线结构;报文延时不固定，网络中交换机数量多时影响网络速度;使用公有协议时自愈时间可能达到数百ms，将影响保护功能;使用私有协议时自愈时间减少到数10 ms，但不同厂家设备不能组网;结构上存在广播风暴的风险。

星型结构过程层网络在技术性能上显著占优，但该方案将导致交换机数量明显增多;考虑到该方案中单台交换机端口数与环型共享交换机相比略有减少，可免去网络管理这部分软、硬件成本并降低人员维护方面的成本。综合来看，星型网的网络设备综合价未必会增加，推荐采用星型结构构建宜兴变电站的过程层 GOOSE 网络［1-2］。

GOOSE报文心跳间隔为系统配置的T0，对于保护，取 T0=0.5 s。Qgoose=6 016 字节/帧 × 8 bit/字节 × (1/0.5)/s=0.96 Mbit/s，其中，6 016 字节/帧是归一化后的GOOSE数据包的长度。

可见，每个间隔流量一般不超过1 Mbps。宜兴变电站最大的数据流量将出现在110kV过程层中心交换机母差的端口。110kV母差保护远景间隔数量为14(线路)+3(主变)+1(母联)+2(母线PT)=20，GOOSE总带宽不大于1 MB×20=20 MB，选用100 MB交换机可保证总带宽在安全范围(40%)内。

3.2 采样值传输

目前，智能变电站采样值传输协议主要有2种设计方案［3-8］，方案1:基于点对点方式的IEC 60044-7/8标准(FT3)方案;方案2:基于网络方式的IEC 61850-9-2标准方案。

方案1的优点是采样值传输延迟固定，可以在接收端实现插值同步(不需要全站集中同步源)且通过FPGA实现硬件并行处理;缺点是不同厂家互操作困难(厂家可私有扩展且使用专用硬件实现)，不符合整体的IEC 61850智能变电站通信发展趋势。

方案2采用以太网传输方式，它是从IEC 61850模型配置的角度出发而制定的采样数据共享协议，其优势在于采样值数据的自由配置和共享，但合并单元与保护测控装置之间的数据匹配过程复杂，网络带宽和CPU编解码的开销较大，具有一定的实现难度(灵活性和效率之间的固有矛盾)。本方案体现了IEC 61850的复杂、通用和建模等方面的特点，代表了技术发展的趋势。

推荐宜兴变电站采样值传输协议采用IEC 61850-9-2标准。

3.3 方案实施

3.3.1 总体方案

采样值信息采用点对点方式传输，采样值传输协议采用IEC61850－9－2标准。图1为本工程采样值信息传输示意(以1号主变220kV侧A网为例)。

图1 1号主变220kV侧采样值信息传输示意(A网)Fig.1 Sampling value transmission of No.1 transformer at 220kV side(network A)

GOOSE网络按电压等级分别组网:220kV过程层GOOSE网络按2套物理独立的单网配置;110kV过程层GOOSE网络按单网配置;主变110kV侧、10kV侧过程层GOOSE网络按2套物理独立的单网配置，其中1套与110kV过程层网络共网;其余10kV不设独立的过程层网络，其GOOSE信息利用站控层网络传输。

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，全站过程层GOOSE网络均采用100 MB星型以太网。

3.3.2 过程层交换机及网络配置

(1)220kV过程层交换机。

220kV过程层中心交换机:双网配置(A、B网)。冗余配置4台100 MB以太网交换机(A、B网各2台)，每台带16个100 MB多模光口(间隔过程层交换机级联口8个，中心交换机级联口1个，母线智能终端2个，母线EVT合并单元、母线保护装置、母线测控装置、220kV故障录波器、主变故障录波器各1个)。交换机本期及远景共计4台。

220kV线路、母联间隔交换机:双网配置(A、B网)。每2个间隔冗余配置2台100 MB以太网交换机，每台带16个100 MB多模光口(每间隔保护装置、测控装置、光学电流互感器(optical current transducers，OCT)合并单元、电子式电压互感器(electronic voltage transformer，EVT)合并单元、智能终端各占1个光口，2个间隔共计10个光口，交换机级联口占1个光口)。交换机本期共计6台，远景共计10台。

主变220kV侧间隔交换机:双网配置(A、B网)。每间隔冗余配置2台100 MB以太网交换机(A、B网)，每台带16个100 MB多模光口(每间隔保护装置、220kV侧和本体测控装置、220kV侧OCT合并单元、本体绕组合并单元、EVT合并单元、220kV侧智能终端、本体智能终端各占1个光口，交换机级联口占1个光口)。交换机本期共4台，远景共6台。

(2)220kV过程层网络。按照宜兴变电站远景规模，共需配置220kV过程层交换机20台(A、B网各10台)。以A网为例，220kV过程层网络如图2所示。

图2 220kV过程层网络示意(A、B网同)Fig.2 220kV process-level network(network A＆B)

(3)110kV过程层交换机。

110kV过程层中心交换机:双网配置(A、B网)，A网用于110kV线路、母联;B网仅用于主变110kV侧。A网配置1台100 MB以太网交换机，带16个100 MB多模光口(间隔过程层交换机级联口8个，母线智能终端2个，母线EVT合并单元、母线保护装置、母线测控装置、110kV故障录波器各1个)。B网配置1台100 MB以太网交换机，带16个100 MB多模光口(间隔过程层交换机级联口3个，母线智能终端2个，母线EVT合并单元、母线和母联测控装置各1个)。交换机本期及远景共计2台。

110kV线路、母联间隔交换机:单网配置(A网)，每3个间隔配置1台100 MB以太网交换机，每台带16个100 MB多模光口(每间隔保护测控装置、OCT合并单元、EVT合并单元、智能终端各占1个光口，3个间隔共计12个光口，交换机级联口占1个光口)。交换机本期共计3台，远景共计5台。

主变110kV侧间隔交换机:双网配置(A、B网)。每间隔冗余配置2台100 MB以太网交换机(A、B网各1台)，每台带16个100 MB多模光口(每间隔保护装置、110kV侧测控装置、10kV分支1测控装置、10kV分支2测控装置、110kV侧OCT合并单元、10kV分支1合并单元、10kV分支2合并单元、110kV侧智能终端、10kV分支 1智能终端、10kV分支2智能终端各占1个光口，交换机级联口占1个光口)。交换机本期共计4台，远景共计6台。

(4)110kV过程层网络。按照宜兴变电站远景规模，共需配置110kV过程层交换机13台(A网9台、B网 4台)。110kV过程层 A、B网络如图3所示。

图3 110kV过程层网络示意Fig.3 110kV process-level network

3.3.3 二次设备过程层网络光口配置及要求

(1)光口配置。双重化配置的二次设备，如主变保护装置、220kV线路保护装置、220kV故障录波装置、主变故障录波装置、智能终端、合并单元等分别采用单光口接入对应的2套过程层网络交换机。

单套配置的220kV测控(线路、主变220kV侧、主变本体、母联、母线)、220kV母线智能终端需具备双光口，分别接入对应的220kV过程层A、B网络交换机。接入220、110kV 2个电压等级过程层网络的主变保护装置需具备双光口，分别接入对应的220、110kV过程层网络交换机。

单套配置的110kV故障录波装置、110kV保护测控装置(线路、母联)、110kV母线智能终端、110kV合并单元等分别采用单光口接入对应的110kV过程层A网络交换机。单套配置的110kV母联智能终端、110kV母线测控需具备双光口，分别接入对应的110kV过程层A、B网络交换机。

(2)单装置跨双网要求。对于上述情形中涉及单装置具备双光口跨接双网的，为防止其中一个光口发生网络风暴时影响到另一个光口，该装置的A、B网口需进行物理隔离。同时对信息上送和控制下行做以下处理，以确保上传信息、下行控制、防误闭锁的唯一性和完整性［9-10］。

信息上送:双机双工，接收2台过程层设备装置上送数据，依靠人工设定以1台数据为主，比对发现2台数据不一致时告警;比对数据不一致应采用稳态时的数值(若干s之内无变化);1台设备故障、1台设备正常时，自动屏蔽故障设备数据，以正常设备数据为准。

控制下行:不管采用哪一种切换方式，遥控均只下发1次，如果控制不成功也不会自动在另外一台上重试，而是把遥控权切换到另外一套过程层设备装置上，等待操作人员下次重新操作。

4 结语

过程层组网方案的选择对智能变电站的安全性、可靠性和经济性有重要影响。本文对多种组网方案的利弊进行了分析比较，结合具体工程给出合适的过程层网络配置实例，为今后智能变电站过程层网络的构建提供参考。

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