220 kV智能变电站过程层网络设计研究

张志鹏，常风然，朱 萍

(1.河北省电力勘测设计研究院，石家庄 050031；2.国网河北省电力公司，石家庄 050021)

220 kV智能变电站过程层网络设计研究

张志鹏1，常风然2，朱 萍1

(1.河北省电力勘测设计研究院，石家庄 050031；2.国网河北省电力公司，石家庄 050021)

根据220 kV智能变电站过程层网络通用设计方案的特点，介绍过程层组网和交换机配置的优化方案，分析变电站220 kV、110 kV系统的特点和信息交换需求，论证过程层子交换机和中心交换机的配置方案，提出多台中心交换机级联时应遵守的原则。

智能变电站；过程层网络；交换机配置；级联；SV；GOOSE

0 引言

过程层网络方案是智能变电站二次系统设计的核心内容，关系到智能变电站的可靠运行。国家电网公司已颁布的2011版《110(66)～750 kV智能变电站通用设计》(简称《通用设计》)提出了220 kV智能变电站过程层网络在间隔层设备下放布置和集中布置2种情况下的设计方案，但在实际应用中2种设计方案均存在一定不足，主要为信息采集可靠性较低或施工困难、交换机配置数量过多等，宜进行优化。

以下拟对220 kV智能变电站过程层网络方案进行深入研究，提出各等级和布置方式下过程层组网、交换机配置的优化方案，使智能变电站投资更加节省、网络连接更加简单、设备运行更加可靠。

1 过程层网络整体设计方案

1.1 通用设计方案

《通用设计》中提出220 kV智能变电站高中压侧按电压等级设置过程层网络，均采用星型双网结构；35 kV及以下电压等级不配置独立的过程层网络，主变压器低压侧信息接入110 kV网络[1]。按照SV报文传输方式的不同，220 kV智能变电站过程层网络整体上分为2种方案。

a. “保护直采直跳+SV点对点+GOOSE网络”特点为：保护直采直跳，其他设备直采网跳；站控层基于SNTP网络对时，其他设备采用IRIG-B码或IEC 61588网络对时[2]。当间隔层设备下放布置时，宜采用此方案。

b. “保护直采直跳+SV/GOOSE网络”特点为：保护直采直跳，其他设备网采网跳，GOOSE、SV报文共网传输；站控层基于SNTP网络对时，其他设备采用IRIG-B码或IEC61588网络对时。当间隔层设备集中布置时，宜采用此方案。

1.2 通用设计方案优化

1.2.1 间隔层设备下放布置

此时，《通用设计》推荐SV统一采用点对点方式。对于间隔内的保护、测控及电能表，他们与合并单元统一组柜，点对点直采连接方便，较网采更可靠。对于跨间隔的故障录波器、网络记录仪等设备，在安装位置上与合并单元不在同一房间或柜内，若仍采用点对点直采，势必自各间隔智能组件柜单独拉光缆至跨间隔设备柜，光缆用量多，需要较多埋管、增加土建施工难度，并易出现光缆弯曲半径不够、可靠性降低等问题；若采用网采方式，则每柜只需要至过程层中心交换机敷设1～2根光缆即可，连接简洁、施工方便，光缆可靠性高；另外SV组网后数据共享，也便于安自、站域保护等设备的信息采集。

1.2.2 间隔层设备集中布置

此时，《通用设计》推荐除保护装置外SV报文宜统一采用网络方式。当采用常规互感器+合并单元的方式实现采样数字化时，合并单元必然安装在就地，跨间隔非保护设备采用网采方式可有效减少光缆数量，技术合理；单间隔的测控、电能表与保护装置、交换机共同组柜，既可以网采，也可以与保护使用同一光缆的不同纤芯共同直采而不增加光缆数量。当采用电子式互感器时，互感器输出已经为数字量，为提高装置的工作可靠性，合并单元往往与保护装置共同组柜安装在保护室内，安装在保护柜上的测控、电能表采用SV直采较网采更方便、可靠；对于跨间隔的录波器和PMU等设备，与1.2.1节的分析类似，采用网采更合理。

1.2.3 35(10) kV分段间隔

35(10) kV分段涉及到与主变压器间隔的信息交换，《通用设计》方案推荐通过站控层网络传输，以简化网络连接，此方案要求主变压器保护及分段保护的MMS网口能够传输GOOSE报文。在实际应用中，多数厂家的产品仅支持过程层接口传输SV/GOOSE信息，需将35(10) kV分段保护接入110 kV过程层网络。当35(10) kV分段保护含有备自投功能时，将35(10) kV分段保护接入110 kV过程层网络后可方便的采集主进间隔的SV和GOOSE信息，较站控层网络传输具有更高的可靠性和实时性。因此35(10) kV分段保护宜提供2个独立的过程层接口接入110 kV过程层双网，含有备自投功能时宜网采网跳，也可单独提供2个SV接口接于主进MU、直采网跳。

1.3 SV、GOOSE报文共网传输流量分析

1.3.1 SV报文流量

供保护、测控、及录波用SV报文采样率为4 000 Hz，即80点/周波[3]。对于PMU、计量功能的采样率，目前各厂家也均采用4 000 Hz。按照每个SV报文中每1个APDU配置1个ASDU考虑，对于双A/D采样，每个ASDU长度按250字节考虑，则每个MU输出的采样值带宽为8 Mbit/s。

1.3.2 GOOSE报文流量

正常运行时GOOSE报文为“心跳”报文，一般5 s发送一次，事件发生时每2 ms发送一次，一般连续发送5帧报文，然后发送时间又重新加长[4]。每个GOOSE报文最大长度为250字节，一个IED设备发送的GOOSE报文的数据流量平均为0.000 8 Mbit/s，峰值为1 Mbit/s。

1.3.3 共网传输对交换机的要求

按照交换机端口流量不超过40%考虑[5]，MU、智能终端及单间隔的二次设备端口数据流量远小于100 Mbit/s，可直接接入100 M过程层交换机。跨间隔的录波器、PMU等设备一般接于中心交换机，对所接端口的带宽需求取决于间隔数量。事故状态下，每个间隔发往中心交换机的过程层报文流量约为8+1+1=10 Mbit/s(1MU+1保护GOOSE+1智能终端GOOSE)，按照交换机40%的端口流量限制，每个100 M交换机端口只能接入4个间隔的报文，当超过4个间隔时，宜采用1 000 M端口或多个100 M端口分担的方式接入跨间隔装置。

按照上述分析，当采用多间隔共享的方式配置子交换机时，当共享的间隔数量超过4个时，子交换机与中心交换机的级联端口宜采用1 000 M端口。

2 过程层交换机配置方案

交换机配置方案的选择与主接线型式、电压等级、设备配置及组柜和布置方案、信息交换需求等紧密相关，以下所讨论的各电压等级配置方案均基于通用的单断路器接线型式。220 kV系统各间隔均配置2台过程层交换机。110 kV系统各主进间隔配置2台过程层交换机，其余间隔配置方案为：集中布置时，每2个间隔配置2台交换机；下放布置时，每个间隔配置2台交换机。35(10) kV系统不独立配置过程层交换机，各主变压器低压侧信息接入相应110 kV主进交换机中。

2.1 220 kV系统

2.1.1 系统特点

220 kV系统一般为主网，线路及主变压器配置双重化的快速保护，MU及智能终端也双重化配置；在设备配置上，220 kV各IED均独立设置；在组柜方案上，220 kV各IED均按间隔独立组柜。以线路间隔为例，保护1相关的过程层信息交换图如图1所示。

由图1可以看出，220 kV线路开关量传输较复杂，既有间隔内IED信息双向传输，也有与跨间隔的母线保护开关量的快速交换需求，测控还有与第2套MU、智能终端的信息交换需求。

2.1.2 配置方案论证

220 kV智能设备之间及跨间隔的复杂信息交换需求决定了交换机配置的必要性，而保护双重化决定了网络的双重化。按间隔配置交换机时，交换机可安装在间隔的保护柜上，与间隔层设备的联系只是柜内光纤跳线，界面清晰、便于运检、可靠性高；交换机数量较多，投资较高。多个间隔共享交换机时，交换机只能独立组柜或安装在公用设备柜上，与各间隔IED连接需经缆沟拉光缆实现，界面不清、不便运检、可靠性较差；交换机数量较少，投资较低。

2.1.3 配置优化结论

随着智能变电站的深入开展，过程层交换机价格也趋向合理，考虑到220 kV系统的重要性，宜按间隔配置交换机，即《通用设计》推荐方案。

2.2 110 kV系统

2.2.1 系统特点

110 kV系统一般为配网，除主变压器外各间隔IED单套配置。在设备配置上，目前110 kV推荐采用保测一体化装置及合并单元智能终端一体化装置；在组柜方案上，下放布置时IED按间隔组柜，集中布置时每两个间隔IED组一面柜。以线路间隔为例，过程层信息交换图如图2所示。

由图2可以看出，110 kV线路间隔IED数量少，信息交换简单；除直采直跳信息外，跨间隔的信息交换一般只是故障录波信息；对于特殊有稳定要求的110 kV线路，需配置纵联保护，跨间隔信息交换还有远跳命令。

2.2.2 配置方案论证

《通用设计》方案中过程层网络推荐双网配置，单装置需跨接双网，对于GOOSE/SV的双网接收处理要实现两网的热备用，任一网络故障或丢包，不会造成装置丢失数据[6]。虽然跨双网要求采用独立的数据接口控制器，但仍存在装置故障时将2个独立网络沟通的风险，跨双网的装置越多，风险越大。由于保护直采直跳，110 kV线路相关的过程层网络一般只传输录波信息，交换机检修或故障不影响运行，配置双网必要性不大；另外根据《智能变电站继电保护技术规范》要求，每台录波器不应跨接双网，且主变压器宜单独配置故障录波器，则110 kV线路配置双网后110 kV录波器也将被动的双套配置，增加了设备投资。

图2 110 kV过程层信息交换示意

根据上述分析，110 kV一般线路间隔宜优化为单网。对于特殊有稳定要求的110 kV线路，线路保护宜跨接双网，保证远跳命令的可靠传输。由于设备配置及信息交换的相对简单，110 kV线路间隔内信息交换宜采用点对点方式，跨间隔信息交换采用网络方式。下面对110 kV单网的交换机配置方案进行论证。

a. 子交换机(除主进)端口需求。以线路间隔为例进行分析，过程层网络图如图3所示。

图3 110 kV线路过程层网络

从图3可看出，线路间隔对交换机端口的需求数量一般为2个，当合并单元智能终端一体化装置不支持SV/GOOSE共端口传输时，端口需求数量为3个。按间隔配置交换机时，每间隔可配置1台6口交换机；多间隔共享交换机时，由于每台交换机的光纤接入量不宜超过16对，最多6～7个间隔共享1台16口交换机。

b. 中心交换机端口需求。110 kV过程层A网接入间隔为主进、母联(分段)、线路、主变压器录波器、110 kV录波器、网络记录仪、母差等公用设备，110 kV过程层B网接入间隔为主进、母联(分段)、主变压器录波器、网络记录仪等公用设备。由于目前的故障录波器及网络记录仪一般只支持100 M网采，接入中心交换机时需根据规模占用多个100 M光口，根据流量分析，SV与GOOSE共端口时每光口可接入4个间隔数据，SV与GOOSE分端口时每SV光口可接入5个间隔数据。以典型的110 kV双母线、3台主变压器、12回出线为例，在不同的子交换机及设备配置方案下，经统计，A网需配置2～3台16口中心交换机，B网需配置2台16口中心交换机。

c. 集中布置时子交换机配置方案。集中布置时，结合组柜方案，推荐每2个间隔配置1台8口交换机，与2个间隔的保护、测控及电能表共组一面柜，便于光纤连接和运行维护，并较典设方案数量减半。

d. 下放布置时子交换机配置方案。按间隔配置交换机时，交换机与各IED安装在间隔智能控制柜上，运检方便，但由于110kV间隔多导致交换机投资大；多间隔共享交换机时，交换机需安装在GIS室公用设备柜上或单独组柜，需考虑安装空间问题。按照12回出线考虑，每6～7个间隔共享1台交换机，线路及母联(分段)子交换机仅需配置2台，再考虑2～3台中心交换机，仅4～5台交换机安装在TV智能控制柜或其他公用设备柜上，由于采用TV合并单元智能终端一体化装置，柜内安装空间较为富裕。考虑到110 kV间隔(除主进)内信息已采用点对点传输，过程层网络一般只传输录波信息，宜多间隔共享交换机。

3 中心交换机级联扩口设计

当公用设备及子交换机数量超过16个时，应配置多台中心交换机级联以扩充端口。多台中心交换机级联时应注意对网络结构、交换延时的影响。图4为一种不合理的过程层网络结构图。

图4 不合理的过程层网络结构

图4中4台中心交换机顺序级联，子交换机分布在不同的中心交换机上，形成了可靠性较低的链型结构[7]；主变压器后备保护跳母联及录波器采集线路信息需经5台交换机，不满足2台IED之间数据传输路由不应超过4台交换机的要求[3]。优化后的过程层网络结构如图5所示。

图5 优化后的过程层网络结构

网络特点为各扩口交换机直接与中心交换机级联，按星形结构扩展，避免出现链型结构；有信息交换的子交换机及IED宜连接在同一中心交换机或相邻扩口交换机上，以减少交换机延时，避免传输路由超过4台。

4 结论

220 kV智能变电站过程层网络方案优化和研究结论如下：

a. 高中压侧按电压等级设置星型双网。110 kV线路间隔内信息交换采用点对点，跨间隔信息交换采用单网。

b. 保护直采直跳，单间隔设备直采网跳，跨间隔非保护设备网采网跳、SV与GOOSE报文共网传输；35(10) kV分段间隔接入110 kV过程层网络，网采网跳。

c. 220 kV及主变压器高中压侧按间隔配置2台过程层交换机。

d. 集中布置时，除主进外，110 kV A网每2个间隔配置1台交换机；下放布置时，除主进外，110 kV A网每6～7个间隔配置1台16口交换机。

e. 中心交换机级联扩口时应保持星形结构，并保证有信息交换的IED之间传输路由不超过4台交换机。

[1] 刘振亚.国家电网公司输变电工程通用设计[M].2011版.北京：中国电力出版社，2011.

[2] Q/GDW 383-2009，智能变电站技术导则[S].

[3] Q/GDW 441-2010，智能变电站继电保护技术规范[S].

[4] IEC 61850-8-1-2002，Communication networks and systems in substation Part 8-1: Part 8-1: Specific communication service mapping (SCSM) -Mappings[S].

[5] DL/T 5149-2001，220 kV～500 kV变电所计算机监控系统设计技术规程[S].

[6] Q/GDW 396-2009，IEC 61850工程继电保护应用模型[S].

[7] 高 翔.数字化变电站应用技术[M].北京：中国电力出版社，2008.

本文责任编辑：王丽斌

220 kV Smart Substation Process Layer Network Scheme Design Research

Based on the features of the 220 kV smart substation process layer network general design schemes,introduces the optimization scheme of process layer network and switch configuration, analyses the characteristics and information exchange requirements of 220 kV and 110 kV system, demonstrates the branch process layer switch and center process layer switch configuration scheme, puts forward the principle that should be observed when multiple center switchs are cascaded.

smart substation; process layer network; switch configuration; cascade;SV;GOOSE

2013-11-27

张志鹏(1977-)，男，高级工程师，主要从事电力系统继电保护、自动化及二次保护方面工作。

TM63

A

1001-9898(2014)01-0017-04