浅谈数字化变电站自动化系统网络结构及数据交互

林中时，吴 波，施 峰

（浙江省送变电工程公司，杭州 311232）

0 引言

变电站综合自动化，是指将变电站的二次设备经过功能组合和优化设计，利用先进的电子技术、计算机技术和通信技术等，实现对变电站的主要设备和输、配电的自动监视、自动控制和保护以及调度通信等综合性的自动化功能[1]。

数字化变电站自动化系统建立在各设备制造厂商的产品软硬件标准化的基础上，为实现自动化提供了一个开放的平台，通过标准化的通信协议和抽象的逻辑接口，实现不同类型的保护装置、测控装置及其他智能电子设备间的集成和交互功能，实现变电站内所有信息的传输和交换。

数字化变电站站内信息在本地共享的同时，通过标准化的通信协议与远动装置通讯并经远动接口与各级调度系统进行信息共享和交互。

1 通信协议

数字化变电站自动化系统是由许多智能电子设备（IED）组成，各智能电子设备与自动化系统的关系如图1所示。各智能电子设备间通过通道相互通讯，各IED均采用标准化的通信协议—IEC61850系列标准, 执行诸多与自动化系统环境有相互作用的任务，如遥测、遥信、遥控和保护跳闸等功能。

IEC61850系列标准具有四大特点：信息分层、数据自描述、面向对象统一建模、使用抽象服务接口以及互操作性等[2]，它规范了变电站内所有智能电子设备（IED）之间的通信行为和相关的系统要求，要求各制造厂商均按统一的标准协议实施，解决了以往因各制造厂商不同类型的IED之间通信协议并不完全兼容而导致的通信接口问题。

图1 自动化系统及其环境的结构

2 自动化系统网络结构

2.1 通信服务逻辑接口

从物理上看，数字化变电站还是分一次设备（智能化开关、光电式互感器等）和二次设备（测控、保护、通信设备等）两个层面，但由于一次设备智能化、二次设备网络化，所以数字化变电站一、二次设备之间的联系较常规变电站更加紧密。

从逻辑上看，数字化变电站的结构自下而上分为三层，分别为：过程层、间隔层和变电站层，各层间的关系以及各逻辑接口之间的逻辑关系如图2所示。

过程层功能包括所有涉及与过程层接口的功能，如电流电压数据采集、设备状态信息采集和控制命令发布等，这些功能均通过逻辑接口4、5与间隔层完成通讯。

图2 变电站自动化系统的层和逻辑接口

间隔层功能：采用一个间隔的数据，并完成对该间隔一次设备的操作。如某220kV线路的测控装置对该线路间隔一次设备的控制功能。间隔层功能是通过逻辑接口4、5与过程层通讯，而间隔层之间的设备则通过逻辑接口3完成通讯。

变电站层功能包括两方面：一方面功能是采用多个间隔或整变电站的数据，并对该部分的一次设备进行监视和控制，如母线保护、变电站级防误闭锁、设备操作程序化控制等，这部分功能主要通过逻辑接口8通讯；另一方面功能与站控层功能紧密相关，如自动化系统与远方工程师工作站的接口这部分功能通过逻辑接口1、6并经过逻辑接口7通讯；与各级调度端（远方控制中心）的接口这部分功能则通过逻辑接口1、6并经逻辑接口10通讯实现数据交互。

2.2 变电站网络结构及数据交互

数字化变电站中信息的采样、控制命令的形成是由网络上多个CPU协同完成的，如：某回220kV线路的母线侧电压与线路侧电压分别由两个不同的合并单元（MU）完成采样处理及数据上送。这种情况下，如何控制好采样的同步和控制命令的快速输出就成了数字化变电站网络系统的关键。显然，现场总线技术肯定已不能胜任数字化变电站要求，所以，以太网就开始普遍应用于数字化变电站自动化系统。

通常，数字化变电站的网络拓扑有以下三种类型：即级联、星型和环型网络结构[3]。

1）级联结构：网络中所有的交换机均首尾串联，每个交换机均通过一个端口连接至相邻的交换机上。这种结构的优点是接线最少，但也存在明显的缺点即网络冗余差。

2）星型结构：将网络中某一交换机作为主交换机，连接其他所有的交换机，任意两个交换机上的IED之间进行信息交互只需经过主交换机即可。这种结构的优点是等待时间很短，缺点是没有冗余度，一旦主交换机故障，系统将失去所有IED的信息。

3）环型结构：在级联结构的基础上，首尾两个交换机再相互连接形成一个闭环。这种结构中，IEEE 802.1D标准中所定义的生成树协议可使交换机检测环路，因此环型网络具有环路中任何一点故障都有一定程度的冗余的优点，但也存在系统等待时间长、网络结构复杂等缺点。

在上述三种典型的网络结构的基础上，变电站建设实际应用中往往还会派生出一些可靠性更高的网络结构，如双星型、双环型等冗余结构网络。

如浙江省某已投产的220kV数字化变电站就采用了高可靠性的双环型冗余结构的网络结构，如图3所示。

图3 双环型冗余结构网络

在该变电站中，各智能电子设备（IED）通过交换机来完成设备间的水平通讯，实现各设备间的联闭锁、跳合闸命令传输、交流采样信息交互等各种功能，从而满足间隔层设备的安全生产需要。

同时，各智能电子设备通过该网络以双环型的方式与站控层设备通讯，完成与站控层的数据交互，从而使站控层设备实现了对变电站所有设备的信息采集、监视和控制功能，满足了变电站内部的安全生产管理。

3 对外的数据交互

在满足了数字化变电站内部生产管理的前提下，变电站还需将该部分信息上送至生产调度系统，同时从生产调度系统接收调度控制命令等。变电站对外的数据交互通道共有三种，分别是：模拟通道、数字通道和网络通道。

变电站远动通信网络结构及数据交互方式如图4所示。

图4 远动通信网络示意图

变电站自动化系统与各级调度端系统间的数据传输，包括变电站内的实时监测信息（如温度、电流、电压等）、设备异常及告警信息、设备状态信息、各级调度端系统发送至变电站的控制命令等，这些信息对于调度监视和控制是非常重要的，是满足调度生产所必需的，因此，必须保证该部分信息传输的快速性和高度正确性。

4 结束语

数字化变电站在数字化、智能化、自动化和互操作性等多方面具有得天独厚的优势，已成为目前变电站建设的主流[4]。

自动化网络系统是数字化变电站内的神经系统，选择合适的网络结构将对变电站的可靠性、稳定性和安全性起着至关重要的作用。设计网络结构时，既要考虑所有信息传输的快速性即需简化网络，又要考虑信息传输的可靠性即需适当增加网络的冗余度。

在数字化变电站中，智能一次设备和二次设备分层组建，在IEC61850标准通信协议基础上，实现各智能电子设备间信息交互和互操作，实现变电站与各级调度的信息交互。为变电站安全生产提供了技术保障，从而为更高效地管理变电站开辟了新空间。

[1] 黄益庄.变电站综合自动化技术[M].中国电力出版社.2000.

[2] 任雁铭,秦立军,杨奇逊.IEC61850通信协议体系介绍和分析[J].电力系统自动化.2000(8).

[3] 徐礼葆,刘宝志.开放式数字化变电站自动化系统的讨论[J].继电器.2004(6).

[4] 高翔.数字化变电站应用展望[J].华东电力.2006(8).