智能變電站過程層組網(wǎng)方案研究

張曉偉++陳玉濤++楊輝++萬首豐++張靜怡

摘要：對智能變電站過程層網(wǎng)絡業(yè)務及數(shù)據(jù)流量分析，特別對智能變電站采樣數(shù)據(jù)SMV數(shù)據(jù)流量進行了分析統(tǒng)計，分析了過程層組網(wǎng)結(jié)構(gòu)環(huán)形網(wǎng)絡和星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。提出了采用雙星形網(wǎng)絡冗余結(jié)構(gòu)，在保證網(wǎng)絡實時性的同時提高網(wǎng)絡冗余性。

關(guān)鍵詞：過程層網(wǎng)絡；SMV；雙星型網(wǎng)絡

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0081-02

1 概述

隨著智能變電站網(wǎng)絡通信技術(shù)的發(fā)展， 智能變電站中數(shù)據(jù)傳輸在容量及實時性方面都有更高的需求，為了提高設備集成度、簡化網(wǎng)絡和節(jié)約建設成本GOOSE、采樣值、對時信號共網(wǎng)傳輸方案是可行且必須的。通過分析智能變電站過程層網(wǎng)絡業(yè)務流量及業(yè)務數(shù)據(jù)實時性需求，針對其大數(shù)據(jù)量、高實時性要求，提出適合于智能變電站網(wǎng)絡組網(wǎng)方案。

2 智能變電站過程層網(wǎng)絡業(yè)務流量分析

流入交換機的數(shù)據(jù)決定了智能變電站過程層交換機數(shù)據(jù)吞吐總量，數(shù)據(jù)流量的大小決定了網(wǎng)絡（延時）性能，理論上流入數(shù)據(jù)都可以正確流出。網(wǎng)交換機上流入的數(shù)據(jù)主要包括單間隔或跨間隔保護需要的數(shù)據(jù)，如失靈保護、母線保護等需要的數(shù)據(jù)和電能質(zhì)量終端及計量終端需要的計量數(shù)據(jù)，另外根據(jù)《新一代智能變電站關(guān)鍵技術(shù)及設備技術(shù)方案》，還有一些設備狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)。

根據(jù)IEC61850業(yè)務數(shù)據(jù)分類，過程層網(wǎng)絡傳輸?shù)臉I(yè)務數(shù)據(jù)主要有3類，PTP1588/SNTP/NTP 對時報文、面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录笪模℅OOSE）、采樣值報文（SMV）。

（1）依據(jù)IEC61850-9-2 標準，智能變電站過程層網(wǎng)絡進行采樣報文SMV 傳輸。該標準是采樣數(shù)據(jù)組網(wǎng)的唯一報文格式。采樣值報文通過網(wǎng)絡傳輸實現(xiàn)了智能變電站采樣數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)共享。利用過程層網(wǎng)絡獲得采樣值，通常再通過組播、VLAN 等技術(shù)手段減少采樣值傳輸流量對過程層網(wǎng)絡通信性能的影響。

（2）面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录笪模℅OOSE）以發(fā)布者/訂閱者的模式在通信協(xié)議棧的數(shù)據(jù)鏈路層通信， 依據(jù)IEC61850-8-1 標準，GOOSE報文傳輸采用超時重傳機制， 突發(fā)GOOSE變位時產(chǎn)生瞬時GOOSE傳輸報文，平時無故障時數(shù)據(jù)流量較小，對采樣值SMV 的傳輸效率影響不大。

（3）PTP1588/SNTP/NTP 對時報文、狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡設備管理等信息流量很小，所以無需獨自物理組網(wǎng)，網(wǎng)絡簡單且便于運行維護。

3 采樣值業(yè)務數(shù)據(jù)分析

智能變電站采樣值報文大部分在間隔內(nèi)傳輸，不同間隔間需要傳輸少量GOOSE報文，如果將全站過程層交換機經(jīng)過主干交換機進行星型模式級聯(lián)。如果不對間隔層交換機流出數(shù)據(jù)進行流量控制，主干網(wǎng)交換機很容易流入流量超負荷的情況。下文分別對單個間隔的交換機和多個間隔的級聯(lián)主干交換機的 SMV 數(shù)據(jù)流量進行理論計算和實際測試。

3.1 單間隔采樣值業(yè)務流量分析

基于IEC61850-9-2 工程中實際報文長度（SVLD為變長量），依據(jù)采樣值報文格式如下圖1所示及變電站實際業(yè)務需求單間隔 SMV最大計算流量為：

變電站內(nèi)一個間隔考慮3級母線級聯(lián)電壓3相電壓，總共9個電壓通道，另3相保護電流，總共12個通道，為保證保護數(shù)據(jù)的可靠性，一般都采用AD采樣。即12 * 2 = 24個通道，另外有三相測量電流及零序電流和間歇零序電流。總共29個通道。而電能質(zhì)量等計量類裝置只需要電壓和電流，不可能超過29個通道，按照最大29個通道計算。如果每幀采樣值報文傳輸一組采樣值計算，那么采樣值報文的長度為302個字節(jié)。一個合并器每秒種的數(shù)據(jù)流量：

采樣頻率為每周波80個點：

Q=302字節(jié)×8bit/字節(jié)×50周波/s×80點/周波= 12.08Mbit/s；

采樣頻率為每周波256個點：

Q=302字節(jié)×8bit/字節(jié)×50周波/s×256點/周波= 30.9Mbit/s；

單個間隔SMV報文典型數(shù)據(jù)流量為：

按照每幀1組采樣值12個模擬量通道計算，一個合并器每秒種的數(shù)據(jù)流量：

采樣頻率為每周波80個點：

Q=159字節(jié)×8bit/字節(jié)×50周波/s×80點/周波= 5.088Mbit/s；

采樣頻率為每周波256個點：

S=159字節(jié)×8bit/字節(jié)×50周波/s×256點/周波= 16.2816Mbit/s。

3.2 跨間隔采樣值業(yè)務流量分析

根據(jù)保護業(yè)務需求，一些保護功能的實現(xiàn)只需要單個間隔的采樣值數(shù)據(jù)，而有些保護功能的實現(xiàn)則需要跨間隔的采樣值數(shù)據(jù)，就必須統(tǒng)計過程層主干網(wǎng)交換機流量，目前保護功能需要的多間隔采樣數(shù)據(jù)的最大個數(shù)為24個，例如母線差動保護。

國家電網(wǎng)2011年發(fā)布的《電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)宜進行主干電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測、 配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測和特殊需求電能質(zhì)量監(jiān)測。根據(jù)不同監(jiān)測要求，監(jiān)測點的位置宜選擇在： 重要的供電母線及線路；向敏感和污染源用戶供電母線及線路；電源接入點，如發(fā)電廠（場、站）高壓母線及送出線路；其他特需監(jiān)測點，如裝設 FACTS 設備的母線及線路、 直流輸電換流站等。

根據(jù)電能質(zhì)量規(guī)范及現(xiàn)場工程的實施方案，過程層網(wǎng)絡中電能質(zhì)量設備對跨間隔數(shù)據(jù)接入不可能超過24個，這里按照保護業(yè)務的最大需求24個間隔計算。

如果按照極限情況考慮，每個單間隔都按照最大流量計算：

采樣頻率為每周波80個點：

Q=12.08Mbit/s×24=289.92Mbit/s。

采樣頻率為每周波256個點：

Q=30.09Mbit/s×24=722.16Mbit/s。

從統(tǒng)計結(jié)果我們可以看出，如果采樣值頻率達到256點每周波，間隔內(nèi)交換機采樣值流量達到容量的30%。跨間隔的采樣值如果按每個間隔都按照都達到最大30.09 Mbit/s流量，過程層交換機的最大數(shù)據(jù)流量達到了722.16 Mbit/s，而實際工程中，不存在每個間隔的數(shù)據(jù)都為最大數(shù)據(jù)流量的情況。

4 過程層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

過程層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)主要有裝置交換機環(huán)形網(wǎng)和星形網(wǎng)，各有其優(yōu)缺點：

（1）交換機環(huán)形網(wǎng)。智能變電站交換機之間采用實時環(huán)網(wǎng)進行組網(wǎng)的通信方式。環(huán)形網(wǎng)絡缺點是：網(wǎng)絡實時性差，環(huán)網(wǎng)中節(jié)點間的網(wǎng)絡通信延時比星型網(wǎng)絡要高；并且網(wǎng)絡可靠性比較差，環(huán)網(wǎng)通信的快速生成樹協(xié)議，通信故障時可能會引起網(wǎng)絡風暴問題；此外，環(huán)型網(wǎng)絡的投資成本明顯高于星形網(wǎng)，因為交換機需要的網(wǎng)口數(shù)要比星型網(wǎng)絡多。 環(huán)形網(wǎng)絡優(yōu)點是：網(wǎng)絡冗余性最好，當交換機之間網(wǎng)絡發(fā)生故障的時候，可以通過環(huán)網(wǎng)自愈依然以保證網(wǎng)絡通信。

（2）交換機星形網(wǎng)。星形網(wǎng)是智能變電站交換機采用星型級聯(lián)方式組網(wǎng)。星型網(wǎng)絡的缺點是：網(wǎng)絡冗余性較差，星形網(wǎng)交換機之間網(wǎng)絡發(fā)生單點故障時，網(wǎng)絡通信將受到較大影響。但其優(yōu)點在于：網(wǎng)絡實時性好，網(wǎng)絡延時最少，并且不會產(chǎn)生網(wǎng)絡風暴，符合智能變電站過程層網(wǎng)絡的需求。為了保證網(wǎng)絡實時性的同時提高網(wǎng)絡冗余性，當前智能變電站過程層的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以采用雙星形冗余結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

對智能變電站過程層網(wǎng)絡業(yè)務及數(shù)據(jù)流量分析，特別對智能變電站采樣數(shù)據(jù)SMV數(shù)據(jù)流量進行了分析統(tǒng)計，分析了過程層組網(wǎng)結(jié)構(gòu)環(huán)形網(wǎng)絡和星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。提出了采用雙星形冗余結(jié)構(gòu)，在保證網(wǎng)絡實時性的同時提高網(wǎng)絡冗余性。

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