李 鵬，李洪凱，樸在林，張 靜

（1.國(guó)網(wǎng)朝陽(yáng)供電公司，遼寧 朝陽(yáng) 122000；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110161）

基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站過程層組網(wǎng)技術(shù)研究

李 鵬1，李洪凱1，樸在林2，張 靜1

（1.國(guó)網(wǎng)朝陽(yáng)供電公司，遼寧 朝陽(yáng) 122000；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110161）

選擇適當(dāng)?shù)闹悄茏冸娬具^程層組網(wǎng)方式，采用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)對(duì)過程層交換機(jī)進(jìn)行合理的VLAN劃分，可大大提高交換機(jī)的使用效能，避免產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)阻塞。介紹了智能變電站系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)技術(shù)，研究了智能變電站的過程層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并根據(jù)VLAN技術(shù)，探討了網(wǎng)絡(luò)的VLAN劃分方案，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)例提出了220 kV智能變電站具體的組網(wǎng)方案及VLAN劃分實(shí)現(xiàn)方式。通過220 kV馬山變電站的實(shí)例應(yīng)用證明，獨(dú)立星型雙單網(wǎng)方式及基于端口的VLAN劃分能有效地保證智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。

智能變電站；過程層；組網(wǎng)方式；VLAN劃分

智能變電站是由電子式互感器、智能化一次設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備在IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上分層構(gòu)建而成，具有智能電子設(shè)備間的信息共享性和互操作性。由于高速以太網(wǎng)和IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，智能變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在繼承分層分布式變電站結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又有了不同于常規(guī)變電站的革新性變化。目前，相關(guān)設(shè)備運(yùn)行業(yè)績(jī)少、時(shí)間短，相關(guān)方案尚未完全達(dá)成共識(shí)，對(duì)安全性和可靠性的擔(dān)憂也不能忽視［1］。本文在介紹智能變電站系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究了智能變電站的過程層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并根據(jù)VLAN技術(shù)，探討了網(wǎng)絡(luò)的VLAN劃分方案，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)例提出了220 kV智能變電站具體的組網(wǎng)方案及VLAN劃分實(shí)現(xiàn)方式。

1 過程層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 優(yōu)點(diǎn)

相對(duì)于常規(guī)變電站，智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)化主要有如下優(yōu)點(diǎn)。

a.該網(wǎng)絡(luò)取代原來的二次接線，對(duì)實(shí)時(shí)性、安全性和可靠性要求較高。

b.該網(wǎng)絡(luò)的主要用戶是繼電保護(hù)裝置及測(cè)控裝置，根據(jù)《智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》及《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》的相關(guān)規(guī)定，要求220 kV智能變電站的繼電保護(hù)需雙重化配置，要求2套保護(hù)的回路相互獨(dú)立。因此，取代二次回路的過程層網(wǎng)絡(luò)也必須是2個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)［2］。

c.1個(gè)交換機(jī)的故障要盡可能減少影響保護(hù)的套數(shù)。

1.2 常見類型

目前較常見的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有總線型網(wǎng)絡(luò)、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)及星型網(wǎng)絡(luò)?？偩€型網(wǎng)絡(luò)的可靠性不能滿足過程層網(wǎng)絡(luò)的要求，因?yàn)?臺(tái)交換機(jī)故障有可能導(dǎo)致失去多套保護(hù)。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的可能性較高，出于安全性考慮，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)亦不適用于220 kV變電站的過程層網(wǎng)絡(luò)［3］。鑒于此，星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是較好的選擇，也是目前過程層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最多的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。另外，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中普遍采用快速生成樹技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余，其網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)時(shí)間是秒級(jí)的，若在此期間發(fā)生故障，將延緩故障切除時(shí)間，對(duì)電網(wǎng)極為不利。

典型的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有共享星型雙網(wǎng)、獨(dú)立星型單網(wǎng)和獨(dú)立星型雙網(wǎng)3種［4］。如圖1所示，共享星型雙網(wǎng)是保護(hù)測(cè)控裝置、合并單元和智能終端都接入A網(wǎng)和B網(wǎng)中，雙套裝置共用雙套網(wǎng)絡(luò)。獨(dú)立星型單網(wǎng)如圖2所示，2套裝置分別接入A網(wǎng)和B網(wǎng)中，1套裝置只能與1個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接，2個(gè)網(wǎng)絡(luò)彼此獨(dú)立。獨(dú)立星型雙網(wǎng)如圖3所示，它是1套裝置與1個(gè)雙網(wǎng)相連，另1套裝置與另1個(gè)雙網(wǎng)連接，2個(gè)雙網(wǎng)彼此獨(dú)立。目前3種類型的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都有應(yīng)用，但共享星型雙網(wǎng)和獨(dú)立星型雙網(wǎng)投資和工程量較大，而獨(dú)立星型單網(wǎng)造價(jià)低，工程量相對(duì)較小，且能滿足安全可靠性要求，完全能夠滿足工程實(shí)際應(yīng)用，故應(yīng)用較多［5］。

2 交換機(jī)VLAN劃分實(shí)現(xiàn)

虛擬局域網(wǎng)VLAN（Virtual Local Area Networ）技術(shù)充分體現(xiàn)了現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要特征：高速、靈活、管理簡(jiǎn)便和易擴(kuò)展。是否具有VLAN功能是衡量局域網(wǎng)交換機(jī)的1項(xiàng)重要指標(biāo)。VLAN技術(shù)是通過將局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備邏輯地劃分成不同網(wǎng)段，從而實(shí)現(xiàn)組建虛擬工作組的技術(shù)，達(dá)到減少碰撞和廣播風(fēng)暴、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性，并為802.1p協(xié)議的實(shí)現(xiàn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，提供了實(shí)現(xiàn)手段［6］。

交換機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)著絕對(duì)的位置，從某種意義上說，交換機(jī)的性能與成本決定了網(wǎng)絡(luò)的性能與成本［7］。目前10／100M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)是市場(chǎng)的主流［8］。智能變電站網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)總量十分可觀，但大部分信息數(shù)據(jù)不需要橫向流通，在過程層網(wǎng)絡(luò)中采用VLAN技術(shù)，為100M以太網(wǎng)交換機(jī)在智能化變電站組網(wǎng)中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)，降低了組網(wǎng)成本，滿足了網(wǎng)絡(luò)的安全性及可靠性。

圖1 共享星型雙網(wǎng)

圖2 獨(dú)立星型單網(wǎng)

圖3 獨(dú)立星型雙網(wǎng)

2.1 傳輸流量計(jì)算

因?yàn)椴煌g隔間需要共享部分信息，而不是全部信息，因此將全站過程層交換機(jī)經(jīng)過主干交換機(jī)進(jìn)行星形模式級(jí)聯(lián)［9］。如果不對(duì)間隔層交換機(jī)流出數(shù)據(jù)進(jìn)行流量控制，交換機(jī)容易發(fā)生流量超負(fù)荷的情況，使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生阻塞甚至癱瘓。對(duì)單間隔的SV數(shù)據(jù)流量及GOOSE數(shù)據(jù)流量進(jìn)行理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)試，結(jié)果與預(yù)期相一致。

IEC61850－9－2標(biāo)準(zhǔn)中最大報(bào)文長(zhǎng)度（SVLD為變長(zhǎng)量），單間隔SV計(jì)算流量如下。

按每幀1點(diǎn)（12個(gè)模擬量通道）計(jì)算，1個(gè)合并單元1 s的數(shù)據(jù)流量為

實(shí)際測(cè)試SV流量和理論計(jì)算數(shù)據(jù)相當(dāng)。GOOSE在實(shí)際工程中的最大報(bào)文長(zhǎng)度按T0＝10 s計(jì)算，智能終端1 s的數(shù)據(jù)流量為

交換機(jī)數(shù)據(jù)吞吐總量由流入交換機(jī)的數(shù)據(jù)決定，理論上流入數(shù)據(jù)都可以正確流出，只是數(shù)據(jù)流量的大小決定了網(wǎng)絡(luò)（延時(shí)）性能。

2.2 VLAN劃分方案

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對(duì)智能變電站網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)劃分，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信息的不同需求和要求，給予不同報(bào)文不同的優(yōu)先級(jí)［10］。VLAN劃分常用的模式有基于端口的VLAN劃分、基于MAC地址的VLAN劃分、基于路由的VLAN劃分及基于策略的VLAN劃分。其中基于端口的VLAN劃分模式是最簡(jiǎn)單有效的方法，在智能變電站中得到大量應(yīng)用?；诙丝诘腣LAN劃分模式是從邏輯上把交換機(jī)按照端口劃分成不同的虛擬局域網(wǎng)絡(luò)，使其在所需的局域網(wǎng)絡(luò)中流通。

對(duì)于SV采樣數(shù)據(jù)，合并單元和其對(duì)應(yīng)的裝置應(yīng)劃分到1個(gè)VLAN，且全站唯一。合并單元應(yīng)和其所在母線上全部需要采樣值的裝置劃分為1個(gè)VLAN且全站唯一。對(duì)于全站GOOSE信息，采用IEC61850－9－2標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)統(tǒng)一分配1個(gè)VLAN，且全站唯一。對(duì)于對(duì)時(shí)報(bào)文，可統(tǒng)一分配1個(gè)VLAN。按間隔劃分VLAN是過程層組網(wǎng)的基本原則，典型變電站線路交換機(jī)配置如圖4所示，VLAN靜態(tài)配置如表1所示。

3 工程實(shí)例應(yīng)用

根據(jù)《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，220 kV馬山智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)采用混合組網(wǎng)方式，母線保護(hù)采用直采網(wǎng)跳方式，其他保護(hù)采用直采直跳方式，其余的測(cè)控、網(wǎng)絡(luò)分析及錄波等設(shè)備采用獨(dú)立星型雙單網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)了SV、GOOSE和IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)對(duì)時(shí)共網(wǎng)，亦稱為“三網(wǎng)合一”。該站過程層雙單網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)配置主干交換機(jī)2臺(tái)，主變交換機(jī)4臺(tái)，線路及其他間隔交換機(jī)6臺(tái)，主干交換機(jī)采用RUGGEDCOM交換機(jī)，其余采用北京東土交換機(jī)。馬山智能變電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。鑒于所有的合并單元、智能終端、IED設(shè)備都連接在過程層網(wǎng)絡(luò)上，數(shù)據(jù)量尤其是來自合并單元的SV采樣值巨大，龐大的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)消耗網(wǎng)絡(luò)帶寬，使網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，因此合理地利用VLAN劃分將相互間無數(shù)據(jù)交換的設(shè)備隔離起來，以提高交換機(jī)的數(shù)據(jù)交換性能，避免發(fā)生網(wǎng)絡(luò)阻塞。

在本工程中，通過帶有優(yōu)先級(jí)的VLAN來降低過程層網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的負(fù)載，并通過VLAN把不相干的設(shè)備獨(dú)立出來。按照間隔和功能來劃分VLAN，把SV、GOOSE劃分到不同的VLAN，鑒于IEEE1588對(duì)時(shí)信息的特殊性，對(duì)時(shí)網(wǎng)不再劃分單獨(dú)的VLAN，而是采用交換機(jī)默認(rèn)的VLAN方式。本文僅列出1個(gè)交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接線方式和VLAN劃分，220 kV馬山變電站的主干A網(wǎng)交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接線及VLAN劃分情況如圖6和表2所示。

圖4 線路間隔交換機(jī)配置

表1 VLAN靜態(tài)配置

表2 A網(wǎng)1號(hào)交換機(jī)VLAN靜態(tài)配置

圖5 220 kV馬山變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖6 220 kV主干A網(wǎng)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)配置

4 結(jié)束語(yǔ)

選擇適當(dāng)?shù)闹悄茏冸娬具^程層組網(wǎng)方式，采用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)對(duì)過程層交換機(jī)進(jìn)行合理的VLAN劃分，可大大提高交換機(jī)的使用效能，避免產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)阻塞。本文提出了3種過程層星型組網(wǎng)方案及VLAN劃分方式，根據(jù)變電站的結(jié)構(gòu)及規(guī)模等選用過程層組網(wǎng)方式和VLAN劃分方案。通過220kV馬山智能變電站的實(shí)例應(yīng)用證明，獨(dú)立星型雙單網(wǎng)方式及基于端口的VLAN劃分能有效地保證智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。

［1］智能變電站技術(shù)導(dǎo)則：Q／GDW 383—2009［S］.

［2］智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范：Q／GDW 44—2010［S］.

［3］劉振亞.智能電網(wǎng)技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2010.

［4］高浩清，康科飛，米雪松.基于智能數(shù)字化變電站進(jìn)程通信組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2010，17（12）：129－131.

［5］尹中華.數(shù)字化變電站現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)應(yīng)用.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)［J］.2010，17（8）：89－91.

［6］王曉晨，黃繼東.基于直采直跳模式的智能變電站的母線保護(hù)應(yīng)用研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（19）：150－154.

［7］黃少雄，張沛超.智能變電站GOOSE網(wǎng)配置方案研究［J］.東北電力技術(shù)，2010，31（10）：47－50.

［8］李兆祺，楊 貴.智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究［J］.東北電力技術(shù)，2014，35（4）：27－30.

［9］張幼明，高忠繼，黃 旭.智能變電站技術(shù)應(yīng)用研究分析［J］.東北電力技術(shù)，2012，33（5）：1－3.

［10］楊 貴，王兆強(qiáng)，王文龍，等.智能變電站過程層交換機(jī)關(guān)鍵技術(shù)探討［J］.電氣技術(shù)，2012，13（1）：51－55.

Research on Process Layer Network Technology of Smart Substation Based on IEC61850

LI Peng1，LI Hong?kai1，PIAO Zai?lin2，ZHANG Jing1
（1.State Grid Chaoyang Power Electric Supply Company，Chaoyang，Liaoning 122000，China；2.Shenyang Agricultural University，Shenyang，Liaoning 110161，China）

By the appropriate process layer network in smart substation，using the VLAN technology and the rational VLAN partition，using efficiency of the switch is greatly improved and the network congestion is avoided.On the basis of the basic system structure and networking technology of smart substation，the process layer network topology structure is studied.The VLAN partition scheme of the network is discussed，the specific networking scheme of 220 kV smart substation and the implementation method of VLAN partition are proposed by the engineering examples，the real time and reliability of the process layer network data transmission in the smart substa?tion are ensured effectively by using the independent star double single network mode and the VLAN partition port－based.

Smart substation；Process layer network；Networking mode；VLAN partition

TM63

A

1004－7913（2016）03－0052－04

李 鵬（1979—），男，博士，高級(jí)工程師，從事繼電保護(hù)、智能變電站繼電保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究。

2015－10－16）