智能变电站通信架构和过程层VLAN划分的探讨

江 军，封 涛，汪文熙

（1.国网辽阳供电公司，辽宁 辽阳 111000；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106）

智能变电站通信架构和过程层VLAN划分的探讨

江 军1，封 涛2，汪文熙2

（1.国网辽阳供电公司，辽宁 辽阳 111000；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106）

智能变电站的出现，不仅是对变电站架构的变革，更是一种新的建设模式、操作模式和生产模式，在智能电网建设中的地位日益突出。智能变电站现已取代传统的电缆传输模式，而采用光纤数字通信技术和网络技术。在通信技术上，按照IEC61850标准通信体系要求以及对智能变电站过程层网络架构特点的分析，提出了基于功能、电压等级的智能变电站过程层网络VLAN划分方案。通过工程应用实例，也证明了该方法配置简单、实用且具有可读性，易于工程设计和维护。

智能变电站；过程层；虚拟局域网

智能变电站自动化比传统变电站自动化的范围进一步扩大［1］。智能变电站自动化是由监控系统、继电保护、辅助设备、输变电设备状态监测、时钟同步、计量等设备组成。智能变电站的监控系统，对内与站内各变电站智能电子设备 （IED）设备相联，采集数据完成信息交互；对外则纵向贯通于安全Ⅰ区的调度监控平台，是智能变电站自动化的核心组成部分。

VLAN（Virtual Local Area Network），即虚拟局域网，是一组逻辑上的设备和用户，这些设备和用户不受物理位置的限制，可以根据功能、需求及实际应用等因素将它们组织起来。在智能变电站内，由于层次定义的需求、功能以及实际应用等方面的原因，采用VLAN可以优化数据传输、提高通信效率。

本文结合辽阳首山220 kV智能变电站，分析智能变电站的网络，探索VLAN的管理和传输方式及在工程调试中的技术优势。

1 智能变电站的通信架构及网络特点

智能变电站采用合理、先进的网络架构，按照标准的要求选择网络方式，真正实现设备间信息的共享、互通，达到数据标准化、统一化、网络共享化。智能变电站的系统结构自上而下分别为站控层、间隔层和过程层。网络架构由 MMS（Manu⁃factoring Message Specification，制造报文规范）、GOOSE、SV网络组成［2］。

智能站的三层网络架构如图1所示。

智能变电站由站控层网络和过程层网络组成。

站控层网络是间隔层设备与站控层设备之间的网络，负责实现站控层内部及站控层与间隔层之间的数据传输，即负责全站设备的监控、管理和高级应用。

过程层网络是间隔层设备和过程层设备之间的网络，负责实现间隔层设备与过程层设备之间的数据传输，其作用主要负责采样值的采集、设备间配合命令的传输［3］。过程层网络包含 SV网络和GOOSE网络。SV网络内信息主要为采样值信息（SV报文），其主要特点是数据量大，流量较为稳定，无突发流量，占用带宽资源多。GOOSE网络内信息主要为面向通用对象的变电站事件（GOOSE报文），其主要特点是流量较小，但存在突发报文流量［4］，对实时性及优先级要求高。

图1 智能变电站网络架构示意

2 过程层网络VLAN划分的必要性

过程层设备通过光纤媒介与间隔层设备通信，过程层网络主要传输采样值信息 （SV）、开入开出和事件信息 （GOOSE），SV报文是以4 000帧／s报文实时发送，其特点是发送数据量大，GOOSE报文是定期 “心跳”发送和变位瞬时发送，其特点是平时数据量不大，当发生扰动启动或区内外故障时不同设备会同时发生突发GOOSE变位报文，可能引起网络负荷瞬时过重［5］。因此，采取有效的方法对SV、GOOSE报文进行隔离、过滤是十分必要的。针对以上分析，过程层网络中的GOOSE报文、SV报文的发布，一般可考虑采用VLAN网络技术手段对数据进行分类导向和流量控制，以满足智能变电站对信息实时性及高效性的要求。

3 过程层网络VLAN划分的优势

VLAN在过程层网络的应用，可实现网络的动态管理，增加安全性，限制广播包等优势［6］。

a. 限制网络上的广播。VLAN可以提供建立防火墙的机制，防止交换网络的过量广播。

b.增强局域网的安全性。不同VLAN内的报文在传输时是相互隔离的，即一个VLAN内的用户不能与其他VLAN内的用户直接通信，如果不同VLAN要进行通信，则需要通过路由器或三层交换机等三层设备［7］。

c.增加了网络连接的灵活性。借助于VLAN技术，可以将不同地点、不同网络、不同用户组合在一起，形成一个虚拟的网络环境，如同使用本地LAN一样方便、灵活、有效。

4 过程层网络VLAN划分的原则

为便于智能变电站过程层网络在VLAN划分的实际工程应用，总结交换机VLAN划分如下原则。

a.VLAN划分应根据虚端子连接来进行，没有数据交换的设备不能放在同一VLAN，并尽量减少跨交换机的数据交换。

b. PVID（Port⁃base Vlan ID，端口的虚拟局域网ID号）相同的端口属于同一VLAN。两端口PVID不同，但VID（VLAN ID，虚拟局域网标识号）互相包含对方的 PVID，则也能相互收发数据，属于同一VLAN。

c.VID划分方法建议按间隔GOOSE网和间隔SV网来划分，即同一间隔所有设备对应的端口分配为同一VLAN。进行GOOSE的VLAN划分时，同一间隔的合并单元、智能终端、测控装置 （保护装置GOOSE组网时也包括保护装置）在同一个VLAN里，且尽量在同一个交换机上以减少交换机之间的流量。进行SV的VLAN划分时，同一间隔的合并单元、测控装置 （保护装置SV组网时也包括保护装置）在同一个VLAN里；由于SV报文流量大，不同间隔建议不划入同一VLAN，即不同间隔使用划入不同VLAN［8］。

d.VLAN中的某个设备与其他VLAN的设备发生数据交换时，如跨间隔设备母线保护装置、备自投装置，需单独分配PVID号，以便可靠隔离潜在的网络风暴。

e.按图2示意分配VID。

f.交换机级联时VID设置为1。

图2 辽阳首山220 kV智能变电站VID分配方法

5 过程层网络VLAN划分的实际应用

基于上述划分原则，VLAN划分已在多个智能变电站中使用，表1-表3是首山220 kV变电站220 kV过程层SV-A网交换机VLAN的划分情况。

首山220 kV变电站的过程层网络是以电压等级为基础，实行SV、GOOSE分网的方式进行划分的。全站过程层网络分为220 kV过程层SV-A网、220 kV过程层SV-B网、220 kV过程层GOOSE-A网、220 kV过程层GOOSE-B网、66 kV过程层SV网、66 kV过程层GOOSE网等6个过程层子网。该过程层网络只是单纯从物理上对站内设备进行简单隔离，虽然在一定程度上达到了无效报文的有效隔离，但各过程层子网的报文数据量仍然较大，增加了过程层交换机的正常运行负荷，同时对间隔层设备、过程层设备的接收端口也存在一定的冲击性。而在此基础上，使用VLAN进行进一步的划分，不仅可以抑制广播信息泛滥，同时大大减少过程层交换机的负荷和网络延时，达到了数据量优化的效果，降低设备的故障风险。

表1 220 kV过程层SV-A网中心交换机VLAN分配表

表2 220 kV过程层SV-A网1号交换机VLAN分配表

表3 220 kV过程层SV-A网2号交换机VLAN分配表

6 结论

本文重点分析了智能变电站过程层网络VLAN的划分，阐述了其可追溯性和传输实时性，全面考虑技术现状及发展趋势，并根据发展现状和高压设备保护的重要原则，对构造智能变电站的过程层网络进行了实例划分。过程层网络的配置与一、二次设备配置、网络及通信技术的发展密切相关，VLAN技术划分已在工程中普遍实现。随着技术的进步及新设备、新概念在电力系统中的不断应用，组网形式和设备配置将出现更多创新。

［1］ 刘振亚.智能电网技术 ［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［2］ 黄少雄，黄太贵，程 栩.智能变电站信息一体化平台建设方案研究 ［J］.东北电力技术，2012，33（2）：21-24.

［3］ 胡 国，唐成虹，徐子安，等.数字化变电站新型合并单元的研制 ［J］.电力系统自动化，2010，34（24）：51-54.

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［5］ 李志坚，姜利华，陈丽红，等.数字化保护装置时钟同步的实现 ［J］.电力系统保护与控制，2011，39（7）：105 -109.

［6］ 黄少雄，张沛超.智能变电站GOOSE网配置方案研究 ［J］.东北电力技术，2010，31（10）：47-50.

［7］ 殷志良，刘万顺，杨奇逊，等.基于IEC61850标准的采样值传输模型构建及映射实现 ［J］.电力系统自动化，2004，28（21）：38-42.

［8］ 张志鹏，常风然，朱 萍.220 kV智能变电站过程层网络设计研究 ［J］.河北电力技术，2014，33（1）：17-20.

Discussion on Communication Structure and Division of VLAN in Smart Substation

JIANG Jun1，FENG Tao2，WANG Wen⁃xi2
（1.State Grid Liaoyang Power Electric Supply Company，Liaoyang，Liaoning 111000，China；2.NARI Technology Co.，Ltd.，Nanjing，Jiangsu 211106，China）

The emergence of smart substation，not only change the architecture，but also become a new construction mode，operation and production style.It is more important than ever.Smart substation uses optical digital communication technology and network tech⁃nology instead of traditional cable transmission mode.According to the IEC 61850 communication system requirements and the analysis of process layer network architecture features，classification scheme based on function，the voltage level of substation intelligent net⁃work layer virtual local area network（VLAN）is proposed，then is tested in engineering.This method is simple allocation，useful，and a good readability.This design faciliatates and eases maintenance.

Smart substation；Process level；VLAN

TM76；TM63

A

1004-7913（2015）11-0056-04

江 军 （1963—），男，学士，高级工程师，从事调度自动化专业工作。

2015-06-23）