智能变电站通信网络技术方案

智能变电站通信网络技术方案1智能变电站通信网络总体结构智能变电站通信网络采用IEC61850国际标准，IEC61850标准将变电站在结构上划分为变电站层、间隔层和过程层，并通过分层、分布、开放式网络系统实现连接。变电站层与间隔层之间的网络称为变电站层网络，间隔层与过程层之间的网络称为过程层网络。变电站层网络和过程层网络承载的业务功能截然不同。为了保证过程层网络的实时性、安全性，在现有的技术条件下，变电站层网络应与过程层网络物理分开，并采用100M及以上高速以太网构建。远动工作站1MMS/GOOSE网超五类屏蔽双绞线系统服务器兼操作员站1保护测控系统服务器兼操作员站2远动工作站2通讯在线监视终端故障录波电能计量其他智能设备SMV网GOOSE网光缆变电站层间隔层合并单元智能单元过程层过程层网络变电站层网络光缆电缆电子式互感器开关设备（主变、断路器、刀闸）保护及故障信息管理子站GOOSE视频联动服务器智能变电站通信网络基本构架示意图2变电站层网络技术方案功能：变电站层网络功能和结构与传统变电站的计算机监控系统网络基本类似,全站信息的汇总功能(包括防误闭锁）可依靠MMS/GOOSE网络实现。拓扑结构选择：环形和星形拓扑结构相比，其网络可用率有所提高（单故障时两者均不损失功能，少数的复故障环形网可以保留更多的设备通信），但是支持环网的交换机和普通星型交换机相比价格大大提高。国内经过多年的技术积累，装置普遍具备2~3个独立以太网口,星型网络在变电站实际应用有着更加丰富的使用经验。国内220kV及以上变电站层网络一般采用双星型拓扑结构；110kV及以下变电站层网络一般采用单星型拓扑结构。变电站层双星型网络结构示意图保护测控系统服务器兼操作员站远动工作站保护测控保护测控保护测控变电站层交换机1变电站层交换机2变电站层变电站层网络间隔层变电站层双环型网络结构示意图3过程层网络技术方案功能:过程层网络分为SMV采样值网络和GOOSE信息传输网络。前者的主要功能是实现电流、电压交流量的上传；后者的主要功能是实现开关量的上传及分合闸控制、防误闭锁等。SMV采样值传输协议:IEC60044-7/8标准：传输延时确定，可以在接收端实现插值同步，有利于差动保护同步的实现，但协议私有程度较高，各厂家装置间配合较困难，且不能应用于对采样率要求较高的场合。IEC61850-9-1标准：沿用IEC60044对合并单元功能和输出数据格式的定义，延时有较小的抖动范围、需依靠同步信号实现同步，协议较通用，各厂家装之间配合较容易，但不符合IEC61850发展趋势（IEC61850标委会已不再修订9-1，未来将逐渐被IEC61850-9-2标准取代）。IEC61850-9-2标准：是从IEC61850模型配置的角度出发而制定的采样数据共享协议，其优势在于采样值数据的自由配置和共享，代表IEC61850未来发展趋势，但合并单元与保护测控装置之间的数据匹配过程复杂，网络带宽和CPU编解码的开销较大，延时抖动范围较大，现阶段实现难度较大。SMV采样值网络结构：方案一：点对点方式，协议采用IEC60044-7/8或IEC61850-9-1/2标准。对于保护双重化要求的间隔，网络按照双重化配置，物理上做到相互独立；对保护单重化要求的间隔，网络按照单重化配置。(目前ABB公司在欧洲已投运试点站中采用过点对点方式的IEC61850-9-2LE，运行情况良好）方案二：网络方式，协议采用IEC61850-9-2标准。对于保护双重化要求的间隔，网络按照双重化配置，物理上做到相互独立；对保护单重化要求的间隔，网络按照单重化配置。（目前国内、国外正积极试点网络方式下IEC61850-9-2LE的采样值传输）点对点方式优点为：延时较确定、投资较小、实现较容易。缺点为：设备间连接较复杂、设备接口数量较多、信息共享性较差。组网方式优点为：设备间连接简单清晰、设备接口数量较少、信息共享性好、代表未来发展趋势。缺点为：延时不确定（对差动保护影响大）、交换机投资大（分间隔配置时）、继电保护可靠性受到影响。目前国内外试点站考虑到安全性、可靠性因素，220kV及以上变电站的SMV采样值网络一般采用点对点方式，极少站点实现部分间隔组网；110kV及以下变电站的SMV采样值网络不少采用了组网方式，并采用了IEC61850-9-2LE通信。另外，目前还有研发厂商正在试验SMV采样值网络和GOOSE网络共网传输模式。GOOSE网络：方案一：间隔内采用点对点方式，跨间隔（如：主变、母差、录波等)采用星型以太网组网方式。对于保护双重化要求的间隔，建议GOOSE网络按照双套单网配置，两套GOOSE网络物理上应做到相互独立；对保护单重化要求的间隔，建议GOOSE网络按照单网配置。此方案以继电保护的可靠性为前提，尽量降低交换机故障给保护带来的影响，但装置的接口、连接介质的数量较多，接线较复杂。方案二：全站GOOSE均采用星型以太网方式，GOOSE交换机可以按照电压等级配置，以220kV、110kV、35kV、主变为单位分别组网，并采取合适的网络处理机制（例如划分VLAN，设置优先级）。对于保护双重化要求的间隔，建议GOOSE网络按照单网配置，两套GOOSE网络物理上应做到相互独立；对保护单重化要求的间隔，建议GOOSE网络按照双网配置，保证在任意单重网络故障或单套交换机检修的情况下对系统的正常工作不造成影响。此方案着眼于GOOSE的信息共享，交换机投资大于方案一，但装置的接口、连接介质的数量较少，接线较简单。目前国内试点变电站两种GOOSE网络配置方案均有采用。至220kV母差GOOSE交换机1（同时去录波器）220kV线路保护测控1合并单元1智能单元1远动工作站1GOOSE/MMS网220kV线路保护测控2系统服务器兼操作员站1远动工作站2双重化至220kV母差1至故障录波器A网B网220kV母线PT合并单元1合并单元2智能单元2至220kV母差2220kV母线PT合并单元2线路CT线路PT线路CT线路PT本间隔断路器及刀闸本间隔断路器及刀闸电能表220kV线路间隔系统服务器兼操作员站2220kV1MPT220kV2MPT220kV1MPT220kV2MPT至220kV母差GOOSE交换机2（同时去录波器）220kV线路间隔过程层网络典型方案一（采样值、GOOSE均点对点）至220kV母差1220kV线路保护测控1合并单元1智能单元1远动工作站1GOOSE/MMS网220kV线路保护测控2系统服务器兼操作员站1远动工作站2双重化至220kV母差1至故障录波器A网B网220kV母线PT合并单元1合并单元2智能单元2至220kV母差2220kV母线PT合并单元2线路CT线路PT线路CT线路PT至220kV母差2至故障录波器GOOSE交换机220kVGOOSE交换机1220kVGOOSE交换机2本间隔断路器及刀闸本间隔断路器及刀闸电能表220kV线路间隔系统服务器兼操作员站2220kV1MPT220kV2MPT220kV1MPT220kV2MPT至故障录波器GOOSE交换机220kV线路间隔过程层网络典型方案二至220kV母差1至故障录波器GOOSE交换机220kV线路保护测控1合并单元1智能单元1220kV线路保护测控2双重化至220kV母差SMV交换机1至故障录波器SMV交换机220kV母设SMV交换机1合并单元2智能单元2至220kV母差SMV交换机2线路CT线路PT线路CT线路PT至220kV母差2至故障录波器GOOSE交换机本间隔断路器及刀闸本间隔断路器及刀闸至电能表SMV交换机1SMV交换机2220kV线路间隔远动工作站1系统服务器兼操作员站1远动工作站2A网B网系统服务器兼操作员站2220kV母设SMV交换机2220kVGOOSE交换机1220kVGOOSE交换机2GOOSE/MMS网220kV线路间隔过程层网络典型方案三GOOSE单网、双网的机制：对于保护双重化配置的间隔（如：220kV、主变），设置双重化的GOOSE单网。智能单元、保护测控装置设置GOOSE单网口，每个GOOSE网络设置单套GOOSE交换机，两个GOOSE网络物理上完全独立。此方案在保证可靠性的基础上遵循了继电保护一一对应的原则。对于保护单重化配置的间隔（如：110kV），设置GOOSE双网。智能单元、保护测控装置设置GOOSE双网口，GOOSE网络设置双套冗余的GOOSE交换机。对于智能单元上传的信息，保护测控装置采用“单帧数据确认方式”，即两个通道中以任意先到的GOOSE信息为准；对于保护测控装置下行的合闸命令、联闭锁信息，智能单元采用“单帧数据确认方式”；对于保护测控装置下行的分闸命令，智能单元采用“双帧数据确认方式”，即同一通道或不同通道中不同时刻接收到的GOOSE分闸命令在数据帧一致的情况下才执行。此方案在保证了保护单重化间隔网络的可靠性，在任意单重网络故障或单套交换机检修的情况下对系统的正常工作不造成影响，降低网络信息流量的措施：按实际间隔的信息流向划分VLAN，实现对无关信息的隔离和过滤。目前交换机对VLAN端口的设置有人工静态配置和交换机自动配置两种。前者工作量较大，但配置固定、不易出错；后者实现自动配置，但配置灵活、出错几率大。4同步对时网络技术方案同步对时网络方案比较国内试点变电站均采用方案一和方案二的组合，即硬接线和ＳＮＴＰ网络对时方式相结合．缺点是光缆电缆连接线多，且当过程层采用组网方案时，可靠性受到影响．目前研发厂商正在积极开发应用基于IEEE1588（v2）标准网络对时方式的装置和交换机，该方式对时精度高，硬接线连接少，在智能变电站有着更为广泛的应用前景。方案优点缺点基于硬接线的ＩＲＩＧ－B码或秒脉冲对时技术成熟，精度可以达到微秒级需要额外的信号电缆或光缆基于网络方式的SNTP协议采用以太网传输方式，实现简单，不需要额外的电缆精度只能达到毫秒级基于网络方式的IEEE1588(V2)标准采用以太网传输方式，精度可以达到微秒级，技术先进，且不需要额外的电缆。支持IEEE1588(V2)版的交换机很少，保护、测控、过程层设备厂家的装置也需要同步开发。