220 kV智能變電站過程層網絡設計研究

張志鵬，常風然，朱 萍

(1.河北省電力勘測設計研究院，石家莊 050031；2.國網河北省電力公司，石家莊 050021)

220 kV智能變電站過程層網絡設計研究

張志鵬1，常風然2，朱 萍1

(1.河北省電力勘測設計研究院，石家莊 050031；2.國網河北省電力公司，石家莊 050021)

根據220 kV智能變電站過程層網絡通用設計方案的特點，介紹過程層組網和交換機配置的優化方案，分析變電站220 kV、110 kV系統的特點和信息交換需求，論證過程層子交換機和中心交換機的配置方案，提出多臺中心交換機級聯時應遵守的原則。

智能變電站；過程層網絡；交換機配置；級聯；SV；GOOSE

0 引言

過程層網絡方案是智能變電站二次系統設計的核心內容，關系到智能變電站的可靠運行。國家電網公司已頒布的2011版《110(66)～750 kV智能變電站通用設計》(簡稱《通用設計》)提出了220 kV智能變電站過程層網絡在間隔層設備下放布置和集中布置2種情況下的設計方案，但在實際應用中2種設計方案均存在一定不足，主要為信息采集可靠性較低或施工困難、交換機配置數量過多等，宜進行優化。

以下擬對220 kV智能變電站過程層網絡方案進行深入研究，提出各等級和布置方式下過程層組網、交換機配置的優化方案，使智能變電站投資更加節省、網絡連接更加簡單、設備運行更加可靠。

1 過程層網絡整體設計方案

1.1 通用設計方案

《通用設計》中提出220 kV智能變電站高中壓側按電壓等級設置過程層網絡，均采用星型雙網結構；35 kV及以下電壓等級不配置獨立的過程層網絡，主變壓器低壓側信息接入110 kV網絡[1]。按照SV報文傳輸方式的不同，220 kV智能變電站過程層網絡整體上分為2種方案。

a. “保護直采直跳+SV點對點+GOOSE網絡”特點為：保護直采直跳，其他設備直采網跳；站控層基于SNTP網絡對時，其他設備采用IRIG-B碼或IEC 61588網絡對時[2]。當間隔層設備下放布置時，宜采用此方案。

b. “保護直采直跳+SV/GOOSE網絡”特點為：保護直采直跳，其他設備網采網跳，GOOSE、SV報文共網傳輸；站控層基于SNTP網絡對時，其他設備采用IRIG-B碼或IEC61588網絡對時。當間隔層設備集中布置時，宜采用此方案。

1.2 通用設計方案優化

1.2.1 間隔層設備下放布置

此時，《通用設計》推薦SV統一采用點對點方式。對于間隔內的保護、測控及電能表，他們與合并單元統一組柜，點對點直采連接方便，較網采更可靠。對于跨間隔的故障錄波器、網絡記錄儀等設備，在安裝位置上與合并單元不在同一房間或柜內，若仍采用點對點直采，勢必自各間隔智能組件柜單獨拉光纜至跨間隔設備柜，光纜用量多，需要較多埋管、增加土建施工難度，并易出現光纜彎曲半徑不夠、可靠性降低等問題；若采用網采方式，則每柜只需要至過程層中心交換機敷設1～2根光纜即可，連接簡潔、施工方便，光纜可靠性高；另外SV組網后數據共享，也便于安自、站域保護等設備的信息采集。

1.2.2 間隔層設備集中布置

此時，《通用設計》推薦除保護裝置外SV報文宜統一采用網絡方式。當采用常規互感器+合并單元的方式實現采樣數字化時，合并單元必然安裝在就地，跨間隔非保護設備采用網采方式可有效減少光纜數量，技術合理；單間隔的測控、電能表與保護裝置、交換機共同組柜，既可以網采，也可以與保護使用同一光纜的不同纖芯共同直采而不增加光纜數量。當采用電子式互感器時，互感器輸出已經為數字量，為提高裝置的工作可靠性，合并單元往往與保護裝置共同組柜安裝在保護室內，安裝在保護柜上的測控、電能表采用SV直采較網采更方便、可靠；對于跨間隔的錄波器和PMU等設備，與1.2.1節的分析類似，采用網采更合理。

1.2.3 35(10) kV分段間隔

35(10) kV分段涉及到與主變壓器間隔的信息交換，《通用設計》方案推薦通過站控層網絡傳輸，以簡化網絡連接，此方案要求主變壓器保護及分段保護的MMS網口能夠傳輸GOOSE報文。在實際應用中，多數廠家的產品僅支持過程層接口傳輸SV/GOOSE信息，需將35(10) kV分段保護接入110 kV過程層網絡。當35(10) kV分段保護含有備自投功能時，將35(10) kV分段保護接入110 kV過程層網絡后可方便的采集主進間隔的SV和GOOSE信息，較站控層網絡傳輸具有更高的可靠性和實時性。因此35(10) kV分段保護宜提供2個獨立的過程層接口接入110 kV過程層雙網，含有備自投功能時宜網采網跳，也可單獨提供2個SV接口接于主進MU、直采網跳。

1.3 SV、GOOSE報文共網傳輸流量分析

1.3.1 SV報文流量

供保護、測控、及錄波用SV報文采樣率為4 000 Hz，即80點/周波[3]。對于PMU、計量功能的采樣率，目前各廠家也均采用4 000 Hz。按照每個SV報文中每1個APDU配置1個ASDU考慮，對于雙A/D采樣，每個ASDU長度按250字節考慮，則每個MU輸出的采樣值帶寬為8 Mbit/s。

1.3.2 GOOSE報文流量

正常運行時GOOSE報文為“心跳”報文，一般5 s發送一次，事件發生時每2 ms發送一次，一般連續發送5幀報文，然后發送時間又重新加長[4]。每個GOOSE報文最大長度為250字節，一個IED設備發送的GOOSE報文的數據流量平均為0.000 8 Mbit/s，峰值為1 Mbit/s。

1.3.3 共網傳輸對交換機的要求

按照交換機端口流量不超過40%考慮[5]，MU、智能終端及單間隔的二次設備端口數據流量遠小于100 Mbit/s，可直接接入100 M過程層交換機。跨間隔的錄波器、PMU等設備一般接于中心交換機，對所接端口的帶寬需求取決于間隔數量。事故狀態下，每個間隔發往中心交換機的過程層報文流量約為8+1+1=10 Mbit/s(1MU+1保護GOOSE+1智能終端GOOSE)，按照交換機40%的端口流量限制，每個100 M交換機端口只能接入4個間隔的報文，當超過4個間隔時，宜采用1 000 M端口或多個100 M端口分擔的方式接入跨間隔裝置。

按照上述分析，當采用多間隔共享的方式配置子交換機時，當共享的間隔數量超過4個時，子交換機與中心交換機的級聯端口宜采用1 000 M端口。

2 過程層交換機配置方案

交換機配置方案的選擇與主接線型式、電壓等級、設備配置及組柜和布置方案、信息交換需求等緊密相關，以下所討論的各電壓等級配置方案均基于通用的單斷路器接線型式。220 kV系統各間隔均配置2臺過程層交換機。110 kV系統各主進間隔配置2臺過程層交換機，其余間隔配置方案為：集中布置時，每2個間隔配置2臺交換機；下放布置時，每個間隔配置2臺交換機。35(10) kV系統不獨立配置過程層交換機，各主變壓器低壓側信息接入相應110 kV主進交換機中。

2.1 220 kV系統

2.1.1 系統特點

220 kV系統一般為主網，線路及主變壓器配置雙重化的快速保護，MU及智能終端也雙重化配置；在設備配置上，220 kV各IED均獨立設置；在組柜方案上，220 kV各IED均按間隔獨立組柜。以線路間隔為例，保護1相關的過程層信息交換圖如圖1所示。

由圖1可以看出，220 kV線路開關量傳輸較復雜，既有間隔內IED信息雙向傳輸，也有與跨間隔的母線保護開關量的快速交換需求，測控還有與第2套MU、智能終端的信息交換需求。

2.1.2 配置方案論證

220 kV智能設備之間及跨間隔的復雜信息交換需求決定了交換機配置的必要性，而保護雙重化決定了網絡的雙重化。按間隔配置交換機時，交換機可安裝在間隔的保護柜上，與間隔層設備的聯系只是柜內光纖跳線，界面清晰、便于運檢、可靠性高；交換機數量較多，投資較高。多個間隔共享交換機時，交換機只能獨立組柜或安裝在公用設備柜上，與各間隔IED連接需經纜溝拉光纜實現，界面不清、不便運檢、可靠性較差；交換機數量較少，投資較低。

2.1.3 配置優化結論

隨著智能變電站的深入開展，過程層交換機價格也趨向合理，考慮到220 kV系統的重要性，宜按間隔配置交換機，即《通用設計》推薦方案。

2.2 110 kV系統

2.2.1 系統特點

110 kV系統一般為配網，除主變壓器外各間隔IED單套配置。在設備配置上，目前110 kV推薦采用保測一體化裝置及合并單元智能終端一體化裝置；在組柜方案上，下放布置時IED按間隔組柜，集中布置時每兩個間隔IED組一面柜。以線路間隔為例，過程層信息交換圖如圖2所示。

由圖2可以看出，110 kV線路間隔IED數量少，信息交換簡單；除直采直跳信息外，跨間隔的信息交換一般只是故障錄波信息；對于特殊有穩定要求的110 kV線路，需配置縱聯保護，跨間隔信息交換還有遠跳命令。

2.2.2 配置方案論證

《通用設計》方案中過程層網絡推薦雙網配置，單裝置需跨接雙網，對于GOOSE/SV的雙網接收處理要實現兩網的熱備用，任一網絡故障或丟包，不會造成裝置丟失數據[6]。雖然跨雙網要求采用獨立的數據接口控制器，但仍存在裝置故障時將2個獨立網絡溝通的風險，跨雙網的裝置越多，風險越大。由于保護直采直跳，110 kV線路相關的過程層網絡一般只傳輸錄波信息，交換機檢修或故障不影響運行，配置雙網必要性不大；另外根據《智能變電站繼電保護技術規范》要求，每臺錄波器不應跨接雙網，且主變壓器宜單獨配置故障錄波器，則110 kV線路配置雙網后110 kV錄波器也將被動的雙套配置，增加了設備投資。

圖2 110 kV過程層信息交換示意

根據上述分析，110 kV一般線路間隔宜優化為單網。對于特殊有穩定要求的110 kV線路，線路保護宜跨接雙網，保證遠跳命令的可靠傳輸。由于設備配置及信息交換的相對簡單，110 kV線路間隔內信息交換宜采用點對點方式，跨間隔信息交換采用網絡方式。下面對110 kV單網的交換機配置方案進行論證。

a. 子交換機(除主進)端口需求。以線路間隔為例進行分析，過程層網絡圖如圖3所示。

圖3 110 kV線路過程層網絡

從圖3可看出，線路間隔對交換機端口的需求數量一般為2個，當合并單元智能終端一體化裝置不支持SV/GOOSE共端口傳輸時，端口需求數量為3個。按間隔配置交換機時，每間隔可配置1臺6口交換機；多間隔共享交換機時，由于每臺交換機的光纖接入量不宜超過16對，最多6～7個間隔共享1臺16口交換機。

b. 中心交換機端口需求。110 kV過程層A網接入間隔為主進、母聯(分段)、線路、主變壓器錄波器、110 kV錄波器、網絡記錄儀、母差等公用設備，110 kV過程層B網接入間隔為主進、母聯(分段)、主變壓器錄波器、網絡記錄儀等公用設備。由于目前的故障錄波器及網絡記錄儀一般只支持100 M網采，接入中心交換機時需根據規模占用多個100 M光口，根據流量分析，SV與GOOSE共端口時每光口可接入4個間隔數據，SV與GOOSE分端口時每SV光口可接入5個間隔數據。以典型的110 kV雙母線、3臺主變壓器、12回出線為例，在不同的子交換機及設備配置方案下，經統計，A網需配置2～3臺16口中心交換機，B網需配置2臺16口中心交換機。

c. 集中布置時子交換機配置方案。集中布置時，結合組柜方案，推薦每2個間隔配置1臺8口交換機，與2個間隔的保護、測控及電能表共組一面柜，便于光纖連接和運行維護，并較典設方案數量減半。

d. 下放布置時子交換機配置方案。按間隔配置交換機時，交換機與各IED安裝在間隔智能控制柜上，運檢方便，但由于110kV間隔多導致交換機投資大；多間隔共享交換機時，交換機需安裝在GIS室公用設備柜上或單獨組柜，需考慮安裝空間問題。按照12回出線考慮，每6～7個間隔共享1臺交換機，線路及母聯(分段)子交換機僅需配置2臺，再考慮2～3臺中心交換機，僅4～5臺交換機安裝在TV智能控制柜或其他公用設備柜上，由于采用TV合并單元智能終端一體化裝置，柜內安裝空間較為富裕。考慮到110 kV間隔(除主進)內信息已采用點對點傳輸，過程層網絡一般只傳輸錄波信息，宜多間隔共享交換機。

3 中心交換機級聯擴口設計

當公用設備及子交換機數量超過16個時，應配置多臺中心交換機級聯以擴充端口。多臺中心交換機級聯時應注意對網絡結構、交換延時的影響。圖4為一種不合理的過程層網絡結構圖。

圖4 不合理的過程層網絡結構

圖4中4臺中心交換機順序級聯，子交換機分布在不同的中心交換機上，形成了可靠性較低的鏈型結構[7]；主變壓器后備保護跳母聯及錄波器采集線路信息需經5臺交換機，不滿足2臺IED之間數據傳輸路由不應超過4臺交換機的要求[3]。優化后的過程層網絡結構如圖5所示。

圖5 優化后的過程層網絡結構

網絡特點為各擴口交換機直接與中心交換機級聯，按星形結構擴展，避免出現鏈型結構；有信息交換的子交換機及IED宜連接在同一中心交換機或相鄰擴口交換機上，以減少交換機延時，避免傳輸路由超過4臺。

4 結論

220 kV智能變電站過程層網絡方案優化和研究結論如下：

a. 高中壓側按電壓等級設置星型雙網。110 kV線路間隔內信息交換采用點對點，跨間隔信息交換采用單網。

b. 保護直采直跳，單間隔設備直采網跳，跨間隔非保護設備網采網跳、SV與GOOSE報文共網傳輸；35(10) kV分段間隔接入110 kV過程層網絡，網采網跳。

c. 220 kV及主變壓器高中壓側按間隔配置2臺過程層交換機。

d. 集中布置時，除主進外，110 kV A網每2個間隔配置1臺交換機；下放布置時，除主進外，110 kV A網每6～7個間隔配置1臺16口交換機。

e. 中心交換機級聯擴口時應保持星形結構，并保證有信息交換的IED之間傳輸路由不超過4臺交換機。

[1] 劉振亞.國家電網公司輸變電工程通用設計[M].2011版.北京：中國電力出版社，2011.

[2] Q/GDW 383-2009，智能變電站技術導則[S].

[3] Q/GDW 441-2010，智能變電站繼電保護技術規范[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變電所計算機監控系統設計技術規程[S].

[6] Q/GDW 396-2009，IEC 61850工程繼電保護應用模型[S].

[7] 高 翔.數字化變電站應用技術[M].北京：中國電力出版社，2008.

本文責任編輯：王麗斌

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

張志鵬(1977-)，男，高級工程師，主要從事電力系統繼電保護、自動化及二次保護方面工作。

TM63

A

1001-9898(2014)01-0017-04