110kV智能变电站网络构架分析比选与应用

0 引言

随着通信技术、网络设备的快速发展及其在变电站自动化系统中的深入应用，二次设备网络化已是智能变电站的必然选择[1]，因此，自动化网络构架成为智能变电站的基础和灵魂。

1 智能变电站自动化系统

智能变电站自动化系统建立在IEC61850通信技术规范基础上，按分层分布式[2]来实现站内智能电气设备间的信息共享和互操作性，在逻辑功能上由站控层、间隔层和过程层三层设备组成。各层次之间及内部采用以光纤或网线为媒介的通信网络。

根据智能变电站先进、可靠、集成、低碳、环保的建设理念，现阶段站内设备集成化程度不断提高，保护测控一体化、合并单元与智能终端一体化等设备已在应用，有效地简化了网络结构、降低了设备投资。全站设备共用一套时间同步系统，时钟同步精度和守时精度满足站内所有设备的对时精度要求。

2 110kV智能变电站网络构架

根据过程层通信方式的不同选择可将网络构架分为“三层两网”和“三层一网”两个大类，本文通过阐述上述两种方式的典型方案，从方案配置、功能特点等方面进行对比分析，选择最适合现阶段工程需求的网络构架。

2.1 三层两网方式

该组网方案较为成熟，在国内数字化/智能变电站中已有工程应用。

图1 “三层两网”网络结构

站控层网络和过程层网络物理独立便于运行维护，且交换机选型也有明确原则。GOOSE、SV和IEEE1588三网合一简化了网络结构，实现了数据传输系统和对时系统合一。下文具体说明三层两网组网方案。

过程层采用“三网合一”模式，实现采样值 SMV、GOOSE、IEEE1588共网传输，减少了光纤、过程层交换机配置。过程层网络支持IEC61850－9－2和GOOSE报文通信协议标准，采用星型光纤以太网[3]，推荐双网配置。星形网络可避免环网带来的复杂协议，双网配置可解决传输的可靠性。星形网络中数据传输路径具有唯一性，可按静态VLAN或动态组播自协商来确定数据流向，在采用组播方式时，协商结果具有唯一性，没有以太网回路切换问题。

站控层网络支持IEC61850－8－1通信协议标准，考虑到站控层交换机可按较低标准配置，故站控层网络不推荐采用环网。20kV配电装置采用间隔层设备下放的布置方式，构成位于就地的站控层网络，该网络采用100 Mbps以太网，通过级联方式与站控层网络相连。

全站采用网络对时方式，站控层网络支持 SNTP标准，过程层网络支持IEEE1588标准。

2.2 三层一网方式

在三层一网方案中，站控层、间隔层、过程层网络合一，称为变电站网络。站内可建立统一的数据通信平台，实现一体化数据传输，网络结构简洁，便于工程设计和日常维护。统一的数据通信平台是变电站智能化的核心思路，是技术发展方向，对于规模较大的110kV变电站，现阶段采用此方案难度较大，但对于110kV新生变的规模及接线方式，可在技术上向前尝试。下文具体说明三层一网组网方案。

图2 “三层一网”网络结构

该方案在一个网络内传输了变电站全部数据，包括实时和非实时数据。为解决流量问题，交换机间的级联可采用千兆端口，同时由于过程层设备一般采用以太网光口，站控层设备一般采用以太网电口，因此交换机须具备100 M光口、100 M电口及1 000 M光纤级联端口。另外，交换机对装置的端口也可采用千兆口，但现在成本较高，尚不予推荐。

智能组件通过网口接入交换机，组成GOOOSE网。同时，增加了相关智能组件与主变保护测控装置点对点的光纤连接，完成主变功能保护直采直接，实现主变间隔自治。

20kV线路、电容器、所用变间隔采用集保护、测量、计量、故障录波为一体的测保装置，完成本间隔所有功能，实现间隔自治。

站域保护(备自投、低周低压减载)涉及多间隔元件，采样值及跳闸建议采用网络方式，为解决信息流量问题，站域保护装置、网络报文记录分析装置及交换机须具有千兆接口，并可通过组播方式实现设备的信息流量控制。

2.3 方案比选

表1 交换机配置对比表

相对于三层两网方案所需12台交换机，三层一网方案只需8台，交换机数量较少，网络更精简，交换机总价也更低。

2.4 发展方向

随着网络通信技术和设备智能化水平的提升，智能变电站的发展方向是两层设备一层网络，即系统层与设备层。系统层包含网络通信系统、对时系统、后台监控系统、站域保护、对外通信系统等子系统。设备层由变压器、断路器、互感器等多个设备对象组成，完成能量传输功能及测量、控制、保护、计量等功能。智能变电站两层设备一层网络的发展趋势为现阶段网络架构的选择指明了方向。

2.5 结 论

经对比分析，110kV智能变电站网络架构推荐采用三层一网方案。

3 应用实例

嘉兴110kV新生变，是国内第二批智能变电站试点工程之一，其网络结构采用“三层一网”。

3.1 网络结构

新生变网络结构简单，交换机端口数量较为节省，如图3所示。

图3 110kV新生智能变电站网络结构

3.2 间隔功能自治策略

新生变设备采用了间隔功能自治策略，降低对网络的依赖性。主变及110kV间隔增加了保护测控装置与相关智能组件的点对点光纤连接，实现功能保护直采直跳;20kV线路、电容器与所用变间隔采用集保护、测量、计量与录波为一体的测保装置完成本间隔所有功能;站域保护(备自投、低周低压减载)虽涉及多间隔元件，但规模不大，可采用直采网跳方式[4]。

3.3 交换机配置方案

站控层配置1台千兆中心交换机，110kV和20kV设备分别配置三个和两个次级交换机与之级联。其中，110kV次级交换机按设备室配置，20kV次级交换机按主变配置，主变低压侧设备接入110kV次级交换机。

110kVGIS设备与20kV开关柜分别集中布置在不同楼层，因此间隔层及过程层交换机宜按电压等级配置。间隔层及过程层交换机传输流量不大，可采用百兆交换机。

GOOSE、MMS、SV等数据在一个物理网络上传输，流量较大，故交换机级联接口采用1 000 M光口。由于本工程要求装置接口为100 Mbps，为兼容装置接口，交换机可采用VLAN划分技术。

中心交换机:对站控层设备采用100/1 000 M网口，级联口采用千兆光口;主变交换机1、2:为主变间隔的保护测控装置、智能组件等设备提供接口，采用1 000 M光口对上级联;110kV交换机:为110kV的3条线路和分段间隔保护测控装置、智能组件等设备提供接口，采用1 000 M光口对上级联;20kV交换机1、2:为20kV保护和母设合并单元等设备提供接口，采用1 000 M光口对上级联。

3.4 网络数据配置方案

全站采用一层网络，所有智能组件的SV、GOOSE、MMS、IEEE－1588全部发送到一层网络上;因此在一层网络上，同时存在逻辑独立的MMS网络、SV网络、GOOSE网络和IEEE－1588网络。

3.4.1 SV 网络

SV网络数据流量大，且持续稳定，通常每一个间隔的数据流量为4～6 Mbps。由于保护测控等设备已通过“点对点”方式与智能组件直连，SV数据只需到达录波/网络记录仪，可通过VLAN划分使SV数据不能到达除录波/网络记录仪以外的任何设备。

3.4.2 GOOSE 网络

GOOSE网络数据流量较小，每一个间隔最大峰值流量小于1Mbps，而且仅在发生状态变化时流量较大，没有状态变化时流量较小;本站的GOOSE数据除了间隔数据在间隔层设备传输，其他GOOSE数据都只发给录波/网络记录仪。所以GOOSE命令的VLAN划分也通过类型方式来划分。

3.4.3 MMS 网络

由于MMS网络采用 TCP协议传输，属于单播范畴，就数据流向而言是逻辑上的“点对点”传输，无需VLAN划分;同时由于TCP传输为流控传输，数据量很小，对网络带宽需求几乎忽略不计;另外MMS网络数据重要性低，所以采用无优先级传输。

3.4.4 IEEE-1588 网络

由于IEEE－1588报文采用间隔发送的方式，约1秒一次，且采用了IEEE－1588的“P－P”方式，所以 IEEE－1588网络流量极小。间隔层设备、过程层设备和部分站控层设备都需要IEEE－1588报文，因此无需VLAN划分，但由于IEEE－1588报文传输实时性要求高，故将IEEE－1588报文定为最高优先级。

3.4.5 交换机数据处理技术

站控层设备之间数据仅需在站控层设备之间传输，且采用多播方式，流量较大，因此需要在站控层主交换机根据不同报文类型与目标MAC地址进行VLAN划分，实现数据分流，确保数据不会流向间隔层、过程层以及站控层其他无关的设备，避免网络数据“漫流”占用带宽。

由于站内有效数据流量都采用单播、多播方式传输，广播数据仅用于诸如ARP等协议，因此将交换机端口广播风暴的门槛值设得很低，可以有效防止广播风暴的产生。对于未知单播数据，所有交换机采取输入丢弃的方式处理，防止未知单播造成泛滥。多播报文数据在网络中大量存在，为防止部分设备异常导致错误发送大量多播数据，在和智能组件相连的交换机端口处将输入多播数据流量限制设为10 Mbps，而在和其他间隔层设备相连的交换机端口处将输入多播流量限制设为3 Mbps;站控层设备根据需求设定不同的多播流量限制。

3.5 网络数据流量分析

主变交换机流量分析(两台主变交换机流量基本一致):

表2 主变交换机流量统计表

表3 110kV交换机流量统计表

20kV交换机数据流量分析(两台20kV交换机流量基本一致):

表4 20kV交换机流量统计表

表5 中心交换机流量统计表

3.6 结论

根据以上计算，目前选择的交换机端口带宽远大于实际的流量带宽，满足设计需求。

4 结束语

网络构架的设计是智能变电站建设的基石，本文以智能变电站自动化系统构成为前提对两种网络构架进行对比分析，确定三层一网是现阶段110kV智能变电站建设的最优选择，通过对110kV新生智能变电站的网络配置、数据流量分析等方面的阐述，论证了解三层一网网络构架在工程应用中的优势。

[1]庞红梅，李淮海，张志鑫，等.110kV智能变电站技术研究状况[J].电力系统保护与控制，2010，38(6):146－150.

[2]国家电网公司.国家电网公司2011年新建变电站设计补充规定[Z].2011，8.

[3]国家电网公司.国家电网公司2011年新建变电站设计补充规定[Z].2011，9.

[4]国家电网公司.智能变电站技术导则[Z].2009，Q/GDW，383:4－5.