智能变电站过程层组网方案分析

李佳懿 陈文明

摘要：过程层作为智能变电站3层结构的最底层，涉及变電站一次设备的数据传输和设备的实时控制，如数据采集和保护跳闸等，过程层网络结构设计的合理性在很大程度上决定了变电站全站运行的稳定性和可靠性，意义重大。本文重点就是对过程层网络的构建方案进行讨论。

关键词：智能 变电站 过程层 组网

随着技术的不断成熟，智能变电站中越来越多地采取将过程层 SV 网和 GOOSE 网合二为一， SV与 GOOSE 组播报文共网传输的方式 。考虑到 SV 组播报文数据量大、占用网络带宽资源多以及 GOOSE 组播报文数据量小、实时性要求高的特点，在智能变电站过程层网络中需要对数据流进行分类导向及流量控制，以满足智能变电站对信息实时性和高效性的要求。 支持 IEEE 802.1Q 的虚拟局域网（ VLAN ）技术 可实现智能变电站网络报文的精确控制，使整个站内过程层网络交换机的每个端口都只发送必要的组播报文，同时与交换机端口相连的终端设备也只接收其所需的组播报文，有效解决了传统共享式组播传输方式造成的网络冲突加剧、智能终端设备组播误收增加的问题，在智能变电站过程层组网方案中得到了广泛应用。 但对于采用网络采样的网络记录分析仪以及故障录波装置而言 ，其需要接收过程层网络上传输的所有 SV 和GOOSE 组播报文。 当智能变电站规模较大时，将导致站内过程层网络上传输的数据流量激增，有时甚至会接近或超出网络交换机、网络记录分析仪以及故障录波装置的百兆以太网光口容量，使得网络传输的载波冲突、延迟抖动加剧，甚至出现丢包现象，严重影响了变电站自动化系统的安全性与稳定性。目前，已有学者针对此问题展开了相关研究。 提出通过将百兆以太网交换机更换为千兆以太网交换机来降低网络交换机的负载率，提高实时性和可靠性，但是这将导致投资成本大幅上升。 此外，当采用此种方案时，与网络交换机接口的大量智能终端设备的相应光接口也须升级更换为千兆光口，这也将导致投资成本大幅增加。

1 智能变电站过程层网络拓扑

智能变电站过程层网络拓扑的主要结构有总线形网络、环形网络以及星形网络等。其中，总线形网络网络延迟较高，安装成本低，但是其运行的稳定性和可靠性最低;环形网络网络延时较高，安装成本最高，但是运行方面的可靠性和稳定性较高;相对以上两种结构而言，星形网络结构总体优点比较突出，虽然其运行中的可靠性和稳定性不高，但是网络延迟比以上两种结构小，安装运行成本也不高。这种组网结构能有效提高变电站的整体性能，同时也极大程度降低了工程造价，使相关建设单位的经济消息最大化。

2 智能变电站过程层组网结构

数字化采样、实现 GOOSE 网，是智能变电站过程层通信的主要内容。电子式互感器和合并单元的使用即为数字化采样，而实现 GOOSE 可以理解为智能操作箱或智能开关的使用。由此可知，过程层组网与全站的数据源以及开关控制有着密切联系。因此，对全站的运行稳定性、可靠性有重要影响。加强对组网方式的讨论，选择可靠安全、经济适用的组网方式，确保全站安全、稳定地运行很有必要。下面主要分析目前主要的几种组网方式。

2.1 GOOSE 直连与 MSV 直连（网络连接方式）

GOOSE 直连与 MSV 直连的网络连接方式，与传统的变电站电缆连接方式十分相似，最大的差别就是当前的MSV 直连方式是以 MSV 点对点与跳闸点对点类似设备直连的形式连接，也就是将直连全部更换为光缆连接，连接过程中不需要经过网络交换机。虽然这种网络连接方式需要使用能同时提供多个网络电接口或光接口的电子设备，一定程度增加了所需成本，对光缆的需求量也较大，设备极易发热且热量极大，也无法进行采样值数据的共享，但是这种方式为变电站稳定、可靠地进行数据传输提供了保障。如果将智能操作箱或者合并单元彻底下放至一次设备，该方法还可以应用。但是，如果选择几种配置，将会增加光缆的连接数量，该方案就没有实用性。

2.2 MSV 组网与 GOOSE 直连

MSV 组网与 GOOSE 直连的组网方案可以为 MSV 网实现数据共享提供帮助，其结构示意图如图 1 所示。

在数字化变电站的建设初期，GOOSE 网跳闸的可靠性和稳定运行性还没有得到人们的重视和广泛运用。这时期，电子式互感器的应用成为实现数字化的主要方式，而 MSV 数据网的构建受到社会各界相关人士的广泛关注，并有少数人对其进行了深入研究，逐渐形成了 MSV 组网与 GOOSE 直连的组网方式。

2.3 GOOSE 组网与 MSV 组网

GOOSE 组网与 MSV 组网的连接方式完全能够达到过程层网络通信的标准，其结构如图 2 所示。

GOOSE 组网与 MSV 组网方式可以使过程层 MSV 组网共享全站数据以及 GOOSE 组网网络跳闸的目的，因此这种组网方式与变电站自动化发展方向相吻合，同样适用于智能变电站建设。但是，该方式的网络结构相对复杂，对交换机质量、性能及数量的要求较高，特别是双重化冗余配置方式的需求量会明显增加，导致投资成本显著提升。因此，当前采用此方式的变电站投资都比较大，而全站二次设备的花费都在交换机的购置上。

3 过程层网络报文过滤

3.1 MVLAN

对于 GOOSE 组网和 MSV 组网方式，为了能够降低交换机各个端口转发报文量，减缓网络拥堵程度，达到提高报文传输的可靠性和效率的目的，必须先进行组网设备VLAN 划分。VLAN 技术是目前在数字化变电站中应用最广泛的报文过滤技术，其不设计设备本身，只需对交换机进行配置。但是，该方式对交换机的配置相当繁琐，会增加现场维护、施工复杂性。同时，如果网络结构一调整，就必须进行 VLAN 重新划分。

3.2 GMRP 的应用

GMRP 是基于 GARP 的多播注册协议，主要用于交换机维护中的多播注册信息。该信息交换机制保障了同一交换网络中所有支持 GMRP 的设备维护一致性。与 VLAN比较，GMRP 不需要对交换机进行复杂配置，仅要求交换机具备支持 GMRP 功能，有利于变电站的扩建、改建，能够显著降低运行维护的难度。

4 结语

综上所述，过程层组网方案的选择对智能变电站的运行安全性、经济性有重要影响。本文简单分析几种组网方案，并对其利弊进行对比分析，希望能够为今后智能变电站建设，特别是过程层网络结构的设计提供一定的参考。

参考文献：

[1] 赵家庆，钱科军，俞瑜，等.智能变电站采样值组网分布式同步技术及应用[J].电力自动化设备，2014，（9）：154-158.

（作者单位：国电南瑞南京控制系统有限公司）