智能變電站過程層組網方案分析

李佳懿 陳文明

摘要：過程層作為智能變電站3層結構的最底層，涉及變電站一次設備的數據傳輸和設備的實時控制，如數據采集和保護跳閘等，過程層網絡結構設計的合理性在很大程度上決定了變電站全站運行的穩定性和可靠性，意義重大。本文重點就是對過程層網絡的構建方案進行討論。

關鍵詞：智能 變電站 過程層 組網

隨著技術的不斷成熟，智能變電站中越來越多地采取將過程層 SV 網和 GOOSE 網合二為一， SV與 GOOSE 組播報文共網傳輸的方式 。考慮到 SV 組播報文數據量大、占用網絡帶寬資源多以及 GOOSE 組播報文數據量小、實時性要求高的特點，在智能變電站過程層網絡中需要對數據流進行分類導向及流量控制，以滿足智能變電站對信息實時性和高效性的要求。 支持 IEEE 802.1Q 的虛擬局域網（ VLAN ）技術 可實現智能變電站網絡報文的精確控制，使整個站內過程層網絡交換機的每個端口都只發送必要的組播報文，同時與交換機端口相連的終端設備也只接收其所需的組播報文，有效解決了傳統共享式組播傳輸方式造成的網絡沖突加劇、智能終端設備組播誤收增加的問題，在智能變電站過程層組網方案中得到了廣泛應用。 但對于采用網絡采樣的網絡記錄分析儀以及故障錄波裝置而言 ，其需要接收過程層網絡上傳輸的所有 SV 和GOOSE 組播報文。 當智能變電站規模較大時，將導致站內過程層網絡上傳輸的數據流量激增，有時甚至會接近或超出網絡交換機、網絡記錄分析儀以及故障錄波裝置的百兆以太網光口容量，使得網絡傳輸的載波沖突、延遲抖動加劇，甚至出現丟包現象，嚴重影響了變電站自動化系統的安全性與穩定性。目前，已有學者針對此問題展開了相關研究。 提出通過將百兆以太網交換機更換為千兆以太網交換機來降低網絡交換機的負載率，提高實時性和可靠性，但是這將導致投資成本大幅上升。 此外，當采用此種方案時，與網絡交換機接口的大量智能終端設備的相應光接口也須升級更換為千兆光口，這也將導致投資成本大幅增加。

1 智能變電站過程層網絡拓撲

智能變電站過程層網絡拓撲的主要結構有總線形網絡、環形網絡以及星形網絡等。其中，總線形網絡網絡延遲較高，安裝成本低，但是其運行的穩定性和可靠性最低;環形網絡網絡延時較高，安裝成本最高，但是運行方面的可靠性和穩定性較高;相對以上兩種結構而言，星形網絡結構總體優點比較突出，雖然其運行中的可靠性和穩定性不高，但是網絡延遲比以上兩種結構小，安裝運行成本也不高。這種組網結構能有效提高變電站的整體性能，同時也極大程度降低了工程造價，使相關建設單位的經濟消息最大化。

2 智能變電站過程層組網結構

數字化采樣、實現 GOOSE 網，是智能變電站過程層通信的主要內容。電子式互感器和合并單元的使用即為數字化采樣，而實現 GOOSE 可以理解為智能操作箱或智能開關的使用。由此可知，過程層組網與全站的數據源以及開關控制有著密切聯系。因此，對全站的運行穩定性、可靠性有重要影響。加強對組網方式的討論，選擇可靠安全、經濟適用的組網方式，確保全站安全、穩定地運行很有必要。下面主要分析目前主要的幾種組網方式。

2.1 GOOSE 直連與 MSV 直連（網絡連接方式）

GOOSE 直連與 MSV 直連的網絡連接方式，與傳統的變電站電纜連接方式十分相似，最大的差別就是當前的MSV 直連方式是以 MSV 點對點與跳閘點對點類似設備直連的形式連接，也就是將直連全部更換為光纜連接，連接過程中不需要經過網絡交換機。雖然這種網絡連接方式需要使用能同時提供多個網絡電接口或光接口的電子設備，一定程度增加了所需成本，對光纜的需求量也較大，設備極易發熱且熱量極大，也無法進行采樣值數據的共享，但是這種方式為變電站穩定、可靠地進行數據傳輸提供了保障。如果將智能操作箱或者合并單元徹底下放至一次設備，該方法還可以應用。但是，如果選擇幾種配置，將會增加光纜的連接數量，該方案就沒有實用性。

2.2 MSV 組網與 GOOSE 直連

MSV 組網與 GOOSE 直連的組網方案可以為 MSV 網實現數據共享提供幫助，其結構示意圖如圖 1 所示。

在數字化變電站的建設初期，GOOSE 網跳閘的可靠性和穩定運行性還沒有得到人們的重視和廣泛運用。這時期，電子式互感器的應用成為實現數字化的主要方式，而 MSV 數據網的構建受到社會各界相關人士的廣泛關注，并有少數人對其進行了深入研究，逐漸形成了 MSV 組網與 GOOSE 直連的組網方式。

2.3 GOOSE 組網與 MSV 組網

GOOSE 組網與 MSV 組網的連接方式完全能夠達到過程層網絡通信的標準，其結構如圖 2 所示。

GOOSE 組網與 MSV 組網方式可以使過程層 MSV 組網共享全站數據以及 GOOSE 組網網絡跳閘的目的，因此這種組網方式與變電站自動化發展方向相吻合，同樣適用于智能變電站建設。但是，該方式的網絡結構相對復雜，對交換機質量、性能及數量的要求較高，特別是雙重化冗余配置方式的需求量會明顯增加，導致投資成本顯著提升。因此，當前采用此方式的變電站投資都比較大，而全站二次設備的花費都在交換機的購置上。

3 過程層網絡報文過濾

3.1 MVLAN

對于 GOOSE 組網和 MSV 組網方式，為了能夠降低交換機各個端口轉發報文量，減緩網絡擁堵程度，達到提高報文傳輸的可靠性和效率的目的，必須先進行組網設備VLAN 劃分。VLAN 技術是目前在數字化變電站中應用最廣泛的報文過濾技術，其不設計設備本身，只需對交換機進行配置。但是，該方式對交換機的配置相當繁瑣，會增加現場維護、施工復雜性。同時，如果網絡結構一調整，就必須進行 VLAN 重新劃分。

3.2 GMRP 的應用

GMRP 是基于 GARP 的多播注冊協議，主要用于交換機維護中的多播注冊信息。該信息交換機制保障了同一交換網絡中所有支持 GMRP 的設備維護一致性。與 VLAN比較，GMRP 不需要對交換機進行復雜配置，僅要求交換機具備支持 GMRP 功能，有利于變電站的擴建、改建，能夠顯著降低運行維護的難度。

4 結語

綜上所述，過程層組網方案的選擇對智能變電站的運行安全性、經濟性有重要影響。本文簡單分析幾種組網方案，并對其利弊進行對比分析，希望能夠為今后智能變電站建設，特別是過程層網絡結構的設計提供一定的參考。

參考文獻：

[1] 趙家慶，錢科軍，俞瑜，等.智能變電站采樣值組網分布式同步技術及應用[J].電力自動化設備，2014，（9）：154-158.

（作者單位：國電南瑞南京控制系統有限公司）