变电站自动化系统及网络优化

耿英格

摘 要：在对220kV智能變电站自动化系统网络结构的关键技术进行深入研究和严格论证后，关于变电站的自动化系统网络结构更为清晰，并提出其总体配置方案。（1）变电站自动化系统采用三层设备站控层单层网络结构。（2）站控层网络MMS、GOOSE、SNTP三网合一、共网传输。站控层网络采用100M双星型以太网，采用双网双工方式实现无缝切换。（3）过程层保护采用直采直跳方式。（4）站控层交换机按设备布置方式配置MMS交换机，提高可靠性、安全性，便于扩建、检修。

关键词：变电站；自动化；网络优化

1 概述

智能变电站是建设内容中必不可少的部分，因为它是智能电网不可或缺的基础和重要的节点支撑。智能变电站可以将比常规变电站更深层次、更宽范围、更复杂结构的信息采集起来并进行处理，如此，变电站内、站与站之间、站与调度和大用户之间的信息互动能力就会更强，也促进了信息更方便、更快捷的交换与融合，且控制信息的手段也更灵活和可靠。比起常规变电站，智能变电站的设备具有更多的技术特征，如信息数字化、结构紧凑化、功能集成化和状态的可视化，更符合现代工业化易改造、易扩展、易维护和易升级的使用要求。

2 智能变电站自动化系统的网络构成

变电站自动化系统的功能要求设计与设备配置应该使用开放式和分层式的网络结构，按照无人值班的模式，在逻辑上它是由站控层、过程层、间隔层和相关网络设备共同构成的。站控层设备应依据变电站的远景规模来配置，其间隔层以及过程层的设备配置则要依据工程的实际规模。站内监控和通讯均采用统一的DL/T860通信标准，保护统一组网和建模，通信规约实现站控层、间隔层和过程层的二次设备互操作，促进信息共享。变电站内的相关信息也应具有唯一性和共享性，变电站自动化系统的监控主机和远动信息传输设备的资源共享。

3 智能变电站组网方案

智能变电站自动化系统整站的建立是以DL/T860通信技术规范为基础的，依据分层分布式实现智能化变电站内的电气设备之间互操作性与信息共享。整体来说应分为三层：站控层、间隔层、过程层。三层结构两层网络是现阶段普遍采用的模式，此方案是比较成熟的，且国内智能变电站工程中已有应用。现今的互联网通信技术与设备水平都在不断提升，三层结构一层网络也是实现信息完全共享的趋势。

3.1 网络分层结构的选择

3.1.1 全站唯一网络结构（四网合一结构）。IEC标准只是对互联网通信的类型进行了相关逻辑分类，没有明确说明网络设置分层的要求。从三层结构的角度来看，信息的交换主要在间隔层和过程层、站控层和间隔层之间发生。而在常规变电站中，站控层与间隔层之间的设备通信已然存在，DL/T860标准中将智能一次设备和电子式互感器前瞻性的引入描述，因而促进了过程层网络这一概念的产生，进而将通信扩展在间隔层和过程层之中，代替了电缆传输和强电通信。

从这个角度来看，变电站采用间隔层网络/站控层、过程层网络这两种通信网方式是切合信息分层与分类的要求的；如此一来就会带来网络结构复杂、网络设备投资大、数量多等问题。鉴于这种情况，新一代的智能变电站可以建立一个性能高、可靠性高且维护起来更简单的“一体化网络”，通过它来实现全站的覆盖，从而在站内相应IED设备之间的MMS、SV、GOOSE和IEEE-1588网络实现对通信业务进行共网传输，以此将智能变电站通信网络的建设资金和维护成本大幅度降低。实现过程层和站控层网络之间的合并，然后此网络上将包括智能终端与合并单元在内的三层设备连接起来。

3.1.2 网络结构选择。鉴于变电站的重要性和现阶段智能设备技术水平所限，本工程采用三层两网结构，两层网络为站控层网络和过程层网络。全站采用统一标准的DL/T860通讯规约，各系统间可实现完全的互操作。

3.2 组网方案技术分析

3.2.1 MMS网络。由于站控层的MMS网络均采用的是TCP协议进行传输，因此在单播范畴内，从数据流向的角度来看，它的传输在逻辑上是“点对点”的，所以不会流动到其他的网络接口上，因此我们不需要对MMS网络进行VLAN的划分。同时TCP的传输因为属于流控传输，所以其数据量是很小的，几乎不会对带宽产生影响。除此之外，MMS网络采用的是无优先级传输，这是因为其数据的重要性是最低的。

3.2.2 SV网络。SV网络相对而言更为持续和稳定，且数据流量大，其每个间隔的数据流量通常是4～6Mbps。同时，因为SV的数据量比较大，为了不占用其他接口的带宽，可通过VLAN技术对SV数据的路由进行划分。

3.2.3 GOOSE网络。GOOSE网络的每个端口即使其流量达到最大峰值也小于4Mbps，它的数据流量较小；而且它的流量只有在状态发生变化时才会较大，若状态未发生变化则流量就比较小。因此GOOSE报文的VLAN划分也是通过类型方式来划分。所有的GOOSE数据都必须要到达故障录波及网络记录分析一体化装置。所以所有的GOOSE的VLAN域都必须到达故障录波及网络记录分析一体化装置。

3.2.4 对时方式。SNTP是IEC61850中规定的时间同步协议是简单时间同步协议，它能使用点对点的单播方式和点对多点的广播方式进行操作，也可以用IP多播的方式进行操作。实现SNTP时间同步的过程可以分为两大主要部分：客户端（SntpClient）的实现、时间服务器端（SntpServer）的实现。一般来说，对于服务器或工作站，SNTP的时间精度可以达到1～10ms，但是SNTP的时间精度对于服务器和客户端的网络情况是比较依赖的。

针对过程层网络主要有三种方式，基于硬接线的GPS秒脉冲或B码时间同步方式，以及基础网络IEEE 1588协议的网络对时方式。

（1）秒脉冲对时。秒脉冲对时方式需要在变电站过程层建设独立的星型采样同步网络，网络中心节点为时钟源，通过多模光纤灯物理介质发送1HZ的秒冲对时信号给各合并单元。秒脉冲对时方式需要建立独立的采用同步网，即增加投资，又将变电站的二次结构复杂化，增加大量故障节点。其次，不同厂家的合并单元对秒脉冲的处理机制未统一，将产生对时误差。最后，这种同步机制只适合某些不需要绝对对时标签的设备，如PMU装置，并不能做到绝对时间同步。因此并不适合用于智能变电站对时。（2）B码对时。B码对时是目前常规站及智能站广泛使用的对时方式，技术相对较成熟，依靠其可靠的精度获得了大量的应用。B码对时可以实现绝对时间同步，但是和秒脉冲对时一样，也需要建立独立的采样同步网络并增加故障节点，并不能作为智能变电站对时的最优选择。（3）IEEE 1588网络对时。IEEE 1588的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”。IEEE 1588主要运用于将分布式总线系统中的执行器、传感器和其它终端设备内的时钟达到亚微秒级同步的精度。保持分布式网络中最精确的时钟与其它时钟的同步是IEEE 1588最基本的功能。

3.2.5 计量网络。在全站内统一配置一套电能量的远方终端，用串口的方式对各电能表的信息进行采集；将主电能计量表和校核电能计量表设置在在关口计量点，220kV和110kV线路采用数字式电能表，10kV部分考虑采用“五合一”装置实现电能结算。电能量数据的采集可以有两种方式，一是采用串口方式采集所有电能表和装置的信息；另一个是所有电能表和装置接入现有过程层网络。但是过程层网络中加入电能量数据会增加网络负载，而且电能量数据是II区数据可能会对实时监控I区数据有影响。因此本工程采用串口方式采集。

4 结束语

在对220kV智能变电站自动化系统网络结构和关键技术进行深入的研究和严格的论证之后，更了解变电站的自动化系统网络结构，并提出其总体配置方案。（1）变电站自动化系统采用三层设备两层网络结构。（2）站控层网络MMS、GOOSE、SNTP三网合一、共网传输。站控层网络采用100M双星型以太网，采用双网双工方式实现无缝切换。过程层采用直采直跳方式。（3）站控层交换机按设备布置方式配置MMS交换机，提高可靠性、安全性，便于扩建、检修。