智能變電站過程層點對點與組網模式比較分析

秦建松，陳 瑛，呂 亮，俞永軍，傅三川

（國網浙江省電力公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000）

智能變電站過程層點對點與組網模式比較分析

秦建松，陳 瑛，呂 亮，俞永軍，傅三川

（國網浙江省電力公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000）

通過對智能變電站過程層網絡模式的比較分析，提出按功能區分過程層網絡模式，即主保護點對點其余組網模式。介紹了智能變電站過程層4種網絡模式，比較了點對點模式和組網模式在造價成本和性能等方面的優劣，論證組網模式網絡流量、延時的可行性；介紹了主保護點對點其余組網模式的光鏈路寄生回路，并提出解決辦法。最后介紹了主保護點對點其余組網模式的工程應用情況，并展望全網合一的應用前景。

智能變電站；過程層；點對點；組網；寄生回路

0 引言

隨著智能變電站的全面推廣建設，2016年，智能電網建設進入引領提升階段。智能變電站采用過程層、間隔層、站控層的3層網絡結構[1]，其中，過程層作為智能變電站與常規變電站的主要區別而顯得十分重要，過程層網絡設計的合理性直接影響到變電站運行的可靠性。

過程層一般有點對點模式和組網模式2種方案。國家電網公司（以下簡稱國網）在《110（66）-220kV智能變電站施工圖設計》中，對過程層組網方式進行了適當約定。其中，110kV過程層網絡描述為：

（1）單母線或雙母線接線的110kV變電站，當110kV間隔層設備集中布置在二次設備室時，110kV過程層宜設置單星型以太網絡，GOOSE（面對通用對象的變電站事件）及SV（采樣值）報文宜采用網絡方式傳輸，GOOSE網與SV網共網設置；當110kV間隔層設備布置在配電裝置時，GOOSE及SV均不組網，采用點對點方式傳輸。

（2）橋式接線、線變組接線的110kV變電站，110kV GOOSE報文及SV報文宜采用點對點方式傳輸，不宜組建過程層網絡[2]。

點對點模式和組網模式已在各級實驗室進行過多次動模試驗，有較多的試驗數據，以下根據工程實踐情況，從工程實際角度來比較分析智能變電站過程層網絡模式。

1 過程層網絡模式

1.1 點對點模式

點對點模式即“直采直跳”模式（如圖1所示），該模式保護測控等二次裝置通過光纖點對點直接采樣，直接跳合閘。直接采樣最大的優點在于傳輸途徑只經過光纖，不采用交換機，無需考慮合并單元的采樣是否同步，考慮一個固定延時后采用插值法實現采樣同步，提高可靠性，避免網絡傳輸延時抖動對保護的影響[3]。

圖1 點對點模式

1.2 “網采網跳”組網模式

組網模式包含“直采網跳”和“網采網跳”模式。“網采網跳”模式下SV和GOOSE數據均通過交換機傳輸（如圖2所示），合并單元需要全站同步，保護裝置收到采樣數據后通過序號方式進行同步，完成保護計算[3]。該模式利用網絡信息共享的優勢，簡化了裝置的硬件設計和光纖接線，繼電保護動作可靠性受網絡可靠性的影響。

圖2 “網采網跳”模式

1.3 按報文不同“直采網跳”組網模式

此模式根據報文類型選擇點對點模式還是組網模式，保護、測控等裝置與合并單元之間采用光纖直連方式傳輸SV數據，與所有裝置通過交換機傳輸GOOSE數據（如圖3所示），既利用了組網模式信息共享、布線簡潔的優勢，又充分考慮SV流量大而采用直連方式傳輸。

圖3 直采網跳模式

1.4 主保護點對點其余組網模式

此模式是根據裝置功能選擇不同的過程層網絡模式，即全站主要保護SV與GOOSE數據點對點采集，其余保護、測控、記錄分析儀等設備過程層SV與GOOSE數據組網采集（如圖4所示）。110kV變電站多為終端變電站，全站主保護為主變壓器（以下簡稱主變）保護，主變保護選擇點對點模式，其余均選擇組網模式，既滿足了全站可靠性，又最大程度實現了數據共享，有較高的工程應用價值。

圖4 主保護點對點其余組網模式

2 過程層網絡配置比較

2.1 點對點模式

以國網通用設計110kV內橋接線變電站為例，根據以往工程統計得知，點對點模式全站過程層約需光纖4900 m，總計約140根光纖，每根光纖平均長度約35 m。配套的24口光纖配線架約需52臺，各裝置端口要求詳見表1。可見，過程層點對點模式光纖、各裝置端口量及相關配套的光纖配線架需求均很大。

2.2 組網模式

組網模式只討論前文1.4所述主保護點對點其余組網模式（以下簡稱組網模式4），結合工程實際，采用組網模式4，110kV內橋接線變電站全站過程層約需光纖2500 m，總計約100根光纖。因過程層組網光纖可就近接入，每根光纖平均長度約25 m，增加免熔接光纖尾纜的使用，而光纖總量減少，可減少光配的配置和光纖的熔接，24口光纖配線架只需約32臺。過程層網絡的增加，方便了各裝置特別是記錄分析儀的接入，各裝置端口要求詳見表2，其中，因增設過程層網絡，需配置16口100M過程層交換機4臺。

表1 點對點模式主要裝置端口要求

表2 主保護點對點其余組網模式主要裝置端口要求

3 過程層網絡性能比較

3.1 成本比較

上文所述2種網絡模式成本比較詳見表3。由表可知，主保護點對點其余組網模式在成本上節省約2.8萬元，對裝置減少了44%的端口需求，現場安裝鋪設光纜和光纖熔接的工程量也相應減少，有較大的成本優勢。

從技術層面分析可知，110kV內橋接線因未配置主變110kV高壓側開關，相比110kV線路間隔較少的單母分段接線，過程層點對點模式接線更為復雜，組建過程層網絡更有必要。

表3 2種網絡配置成本比較

3.2 整體性能比較

點對點模式，全站配置簡潔，但在數據共享、網絡整合方面缺乏靈活性，給記錄分析儀和備自投等跨間隔設備配置帶來較大難度，也不契合通信技術、信息技術和計算機技術的發展趨勢。

主保護點對點其余組網模式下，點對點實現全站主保護的簡潔可靠配置，避免了網絡對主保護的影響，確保主保護的可靠性；組網模式實現全站其余功能，實現數據高度共享，方便全站設備配置。

智能變電站SV數據傳輸產生一個重要變化——數據同步。數據同步即采樣數據的時間同步，用以避免相位和幅值產生的誤差。在繼電保護、故障測距、故障分析、自動控制以及電度采集等方面數據同步都十分重要，例如一般的傳輸線路保護，時間同步精度應在4 μs以內，即大于網絡傳輸的延時，因此必須有可靠的同步機制來保證數據采集的同步性。解決時間同步問題有插值計算和使用公共時鐘脈沖同步2種方法。對于插值法，要求合并單元提供采樣的傳輸延時（一般是固定延時），保護測控設備通過減去延時來還原站內實際采樣時刻，然后利用插值算法通過非同步樣本點來計算同步樣本點，適用于點對點方式9-2傳輸SV數據。對于利用公共時鐘脈沖的同步方法，各合并單元必須有時鐘輸入，并具備依照時鐘輸入信號給定的時間狀態取得同步樣本，進而取得符合實際的電網數據，適用于組網方式9-2傳輸SV數據。

3.3 流量、延時分析

3.3.1 鏈路延時

數據位在光纖鏈路上的傳輸速度大約是光速的2/3，當部署很長距離的以太網線路時，才需要考慮這個延時。鏈路延時Lw1可以按式（1）計算：

式中：L表示鏈路長度；V表示光纖鏈路上數據位的傳輸速率。

3.3.2 交換機網絡存儲轉發延時

顯然，點對點模式下，無需考慮網絡流量和交換延時。組網模式下，交換機收到數據直到最后一幀接收完畢，接著從相應的端口轉發數據幀出去，這個延時與被轉發數據幀的大小成正比，與速率成反比，按式（2）計算。

式中：Lsf是存儲轉發延時；FS是以位計算的幀大小；BR是以bit/s為單位的速率。

對于100 Mbps速率的交換機：最大的以太網幀1518字節的延時為1518×8/（100×106），即121 μs；最小的以太網幀64字節的延時為64×8/（100×106），即5 μs；IEC618509-1標準的以太網幀111字節的延時為（111×8+96）/（100×106），即10 μs；IEC618509-2標準的以太網幀159字節（80點）的延時為159×8/（100×106），即13 μs，目前工程應用保護采用的就是IEC618509-2標準80點采樣率；256點采樣率以太網幀1037字節的延時為1037×8/（100×106），即83 μs；GOOSE的以太網幀752字節延時為752×8/（100×106），即60 μs。

3.3.3 交換機交換延時

以太網交換機的內部是交換機制，交換機制由復雜的硬件電路執行存儲轉發引擎、MAC地址表、VLAN及CoS等，交換機制產生的延時用以執行這些邏輯功能。各個廠商交換機制延時各不相同，如羅杰康產品的交換機制延時是3～7 μs[4]，國網物資招標要求10 μs以下。

在110kV智能變電站，過程層最多經過2級交換。IEC61850體系標準要求GOOSE報文延時小于4 ms，過程層100M交換機組網延時為（60+10×2）=80 μs，滿足延時要求。

3.3.4 網絡負荷

通常網絡延時跟網絡負荷成比例，因此仍需分析智能變電站組網的網絡負荷，一般要求交換機負荷率在30%～40%。

SV報文數據流量按照采樣率80點/周波、每幀1點（12個模擬量通道）計算，1個合并單元數據流量為5.088 Mbit/s。GOOSE傳輸機制如圖5所示，突發傳輸機制下的突發GOOSE量很小，對流量影響不大。全站約50個智能設備傳送GOOSE，與SV流量相比，GOOSE流量對網絡帶寬的影響基本可以忽略。

圖5GOOSE傳輸機制

110kV智能變電站主變保護最多要連接6個合并單元（線路、內橋、本體、母線、低壓側分支1和2），SV報文和GOOSE報文的流量要求，對100M交換機來講負荷偏大。上文組網方式4主變保護采用點對點，很好地規避了這個問題。對組網設備來講，110kV備自投一般采集3個合并單元SV數據，對應交換機網口負荷率較輕，可滿足要求。全站記錄分析儀需要采集全站所有合并單元（110kV智能變電站為18個）的SV數據，對此可以通過劃分VLAN，記錄分析儀以3到4個口接入過程層交換機，有效解決這個問題。

另外，可能出現的網絡風暴，其產生的原因有：某個裝置異常，多發報文；有非法裝置接入網絡，發出“未知單播地址”的報文；網絡中出現大量異常廣播。對于第1種情況，組網模式交換機作為近似透明設備無法防護，同樣點對點模式也無法防范；對于第2種情況，交換機具有“未知單播地址抑制”功能，可以很好地防御此類現象；對于第3種情況，交換機具有“端口速率限制（單播/組播/廣播）”功能，可以進行有效防御。

3.4 光鏈路分析

點對點模式下，光鏈路清晰簡潔，不會產生寄生回路。組網模式下，光鏈路相對復雜，如組網模式4中，主保護與對應智能終端有點對點鏈路和交換機鏈路2條鏈路同時接通，形成了并聯寄生回路（見圖4）。對此，需要在設計時明確智能終端網絡口不接受保護GOOSE，只接受測控GOOSE，完善各裝置GOOSE中斷信息邏輯，確保智能變電站光鏈路和保護動作正確。

由于工程設計階段各廠家未提供相關配置信息，虛端子和ICD文件未區分裝置網絡口和點對點端口的詳細信息，具體工程調試時各廠家實現設計要求的方法又各不相同，這些可能形成寄生回路的因素，需引起注意，應逐步把光鏈路規范、端口規范納入智能通用設備規范，逐步約定各裝置的參數，真正實現IEC61850裝置的可互換性。

另外，主保護GOOSE的雙回路也可以認為是一種雙重化，僅僅回路的雙重化與目前保護雙重化配置要求從源到終端的裝置與回路均獨立概念不一致，故不考慮利用光回路的雙重化。或許在相關規范更新以后，智能變電站保護光回路雙重化可以逐步開展應用，從另一個角度實現共享。

4 結語

通過對過程層網絡模式各方面的綜合比較分析和論證，可以看出主保護點對點其余組網模式有較大優勢，具有推廣應用價值。目前，該模式已在國網紹興供電公司十多個工程實踐中得到應用，未來隨著交換機帶寬、性能和穩定性的提升、設備的集成化設計及保護裝置對同步問題處理能力的增強，全站點對點的傳輸方式必然會被組網方式淘汰。

隨著智能變電站各項技術的進一步發展，全站共網模式，即過程層、間隔層、站控層網絡和對時網絡融合，也將逐步展開應用。國網紹興供電公司2010年投產的110kV大侶變電站試點工程已實現全站共網，并安全運行5年多。大侶變電站已進行多次動模試驗和短路試驗，全站共網通過了實踐考驗。當然在逐步發展過程中，主保護點對點其余組網模式是一個值得推廣的過渡模式。

[1]Q/GDW383-2009智能變電站技術導則[S].北京：中國電力出版社，2009.

[2]中國電機工程學會電力信息化專業委員會.110（66）-220kV智能變電站施工圖設計[M].北京：中國電力出版社，2013.

[3]蘭金波，錢國明，季瑋，等.無錫220kV西涇智能變電站關鍵技術[J].江蘇電機工程，2012（3）:26-29.

[4]李鐵成，張立，郝曉光，等.智能化變電站網絡傳輸延時分析[J].陜西電力，2011，39（4）:65-67.

[5]李晨曦，趙鵬，劉斌，等.智能變電站優化組網的通信網絡研究[J].陜西電力，2014，42（8）:52-54.

[6]張凡，周志勇，王余全，等.智能變電站網絡設計研究[J].水電能源科學，30（4）:146-148.

[7]馮亞東，李彥，王松，等.IEC61850點對點采樣值傳輸在繼電保護中的實現與應用[J].電力系統自動化，2012，36（2）:82-85.

[8]劉益青，高厚磊，魏欣，等.智能變電站中過程層和間隔層功能一體化IED的設計[J].電力系統自動化，2011，35（21）:58-62.

[9]樊陳，倪益民，竇仁輝，等.智能變電站過程層組網方案分析[J].電力系統自動化，2011，35（18）:67-71.

[10]劉慧源，郝后堂，李延新，等.數字化變電站同步方案分析[J].電力系統自動化，2009，33（3）:55-58.

（本文編輯：方明霞）

Comparative Analysis of Point-to-point and Networking Mode of Process Level in Smart Substation

QIN Jiansong，CHEN Ying，LYU Liang，YU Yongjun，FU Sanchuan
（State Grid Shaoxing Power Supply Company，Shaoxing Zhejiang31200，China）

Through comparative analysis on network mode of process level in smart substation，the paper suggests distinguishing network mode of process layer in accordance to the functions，namely point-to-point mode of main protection and other networking modes.This paper introduces four network modes of process level in smart substation and compares point-to-point mode and networking mode in terms of construction cost and performance；besides，it demonstrates the feasibility of the network flow and delay of networking mode and introduces parasitic of optical fiber link of this mode and proposes a solution.Finally,the paper introduces the engineering applications of this mode and prospects the application of an all-network combination.

smart substation；process level；point-to-point；networking；parasitic circuit

TM631

：B

：1007-1881（2016）09-0020-05

2016-04-21

秦建松（1979），男，高級工程師，主要從事智能變電站設計工作。