智能变电站过程层网络技术的研究与应用

王芝茗，张延鹏，赵志刚

（1.辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110000;

2.东北电力科学研究院有限公司，辽宁 沈阳 110000;3.沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110000）

0 引言

随着IEC61850变电站网络与通信协议标准的发展和广泛应用，智能变电站实现了全站信息的数字化、通信平台网络化以及信息共享标准化。IEC 61850将智能变电站自动化系统从功能逻辑上分为变电站层、间隔层和过程层三层结构，各层及逻辑接口的逻辑关系如图1所示［1］。

过程层是智能变电站区别于传统变电站的特点之一，智能变电站的过程层是一次设备与二次设备的结合面，能够更加有效地解决设备易受干扰、高低压无法有效隔离、信息不能共享等缺点。但是由于智能变电站的信息数据量庞大，对数据传输的可靠性、实时性要求很高，过程层又大量应用了新设备、新技术，而相关设备和技术的运行业又不是很成熟，因此随之产生的安全性和可靠性方面的问题不容忽视［2－3］。本文提出了几种典型的过程层网络构建方案，并结合实际案例分析研究了其中的关键性技术。

图1 智能变电站自动化系统接口模型

1 智能变电站过程层的功能及其拓扑结构

智能变电站自动化系统三层结构之间用分层、分布、开放式网络系统实现连接，过程层位于最底层，包含的设备有变压器、断路器、隔离开关等一次设备及其所属的智能组件。可以完成运行设备状态的监测、基本状态量和模拟量的数字化输入/输出、操作控制命令的执行以及实时运行电气量的采集等功能［4］。

相应的信息经由过程层网络传输，包括SV（采样值）网和GOOSE（面向通用对象的变电站事件）网，采用基于光纤通信的传输方式，多个智能电子设备之间通过GOOSE、采样值传输机制传递信息，采集到包括变电站电力系统运行的暂态、稳态、动态以及变电站设备的运行状态和图像等电力系统的断面全景数据［5］。

图2 采用方案一的线路保护示意图

2 过程层组网设计方案

2.1 方案一

本方案又被称为常规互感器方案，即是利用采集单元帮助常规互感器实现采样值的数字化。下面以线路保护为例来进行说明。该方案的实现与传统变电站的电缆连接方式相似，点对点采用光缆直连，其结构示意图如图2所示［6－7］。整个过程层网络的设计基于IEC61850标准，采集单元独立配置是本方案的优点，这方便后期工程进行改造，同时系统中的继电保护装置不必经过交换机直接进行采样，可通过GOOSE网络直接跳断路器，启动断路器失灵、重合闸。但是本方案有个缺点，就是增加了采集单元，这提高了过程层网络的结构复杂度，同时常规电流互感器的饱和问题不易解决。

2.2 方案二

本方案建立在IEC61850标准基础上，电压、电流互感器采用电子式。优点是传输延时固定，由继电保护装置利用插值法对数据进行同步，可以不依赖于外部时钟。采样值和信息传输采用网络模式，按电压等级进行组网分类。本过程层组网方案采用IEEE1588或IRIG－B码方式对时，所有的保护都要求配置主后备功能。另外有几点需要说明的是，变压器中性点的电流和间隙电流要并入相应侧MU;跳母联、分段断路器及闭锁备自投和启动失灵等变压器保护采用GOOSE网络传输。本方案不需要交换机环节，也不依赖于同步对时信号，真正实现了变电站信息传输的数字化和功能的集成化，不足是由于继电保护和合并单元都需要较多的网口，使得系统发热量很大，并且需要大量的光缆和交换机。

2.3 方案三

本方案采用 IEC61850－9－2标准的100Mbit/s光线以太网采样信息、GOOSE信息、IEEE1588精确时钟协议，实现对时信息的同网传输，是一种三网合一结构。如图5所示，间隔层与过程层合并单元之间采用IEC61850－9－2标准，与智能终端的通信要遵循GOOSE通信协议。过程层的每个间隔需要单独配置独立交换机，而各间隔之间信息交换要通过主干网的交换机实现，其各间隔系统的结构图如图3所示。这种组网方案能够实现信息共享最大化，网络结构简单、经济，维护方便。

图3 配置方案三的示意图

2.4 方案三的验证及效果分析

为了更进一步的验证三网合一技术方案是否能满足智能变电站安全、稳定运行的需要，本项目组在辽宁大石桥智能变电站应用该方案进行了多次专项测试。该变电站的220 kV和110 kV的电子式互感器全部采用光纤数字量输出的形式，其余全部采用电流、电压一体化小信号模拟量输出的形式。本站的过程网络主要分为四个部分:（1）22 kV过程层网络:220 kV除主变高压侧外的所有间隔，采用双星型拓扑结构;（2）110 kV过程层网络:110 kV除主变中压侧外的所有间隔，采用单星型拓扑结构;（3）#2、#3主变压器过程层网络:包含主变三侧及本体，采用双星型拓扑结构;（4）35 kV GOOSE网络，采用单星型拓扑结构。

测试采用RTDS实时数字仿真仪模拟一次系统，所有二次设备，包括智能终端、合并单元、继电保护保护装置都要与实时数字仿真仪相连。过程层网络按三网合一方案搭建，各间隔层配置独立的间隔交换机，每个交换机首尾依次相连，构成了环形网络拓扑结构，采用千兆网口级联的交换机实现了过程层网络的信息共享。模拟实验发现，当一次系统的母线发生故障时，信息报文经由合并单元、多级交换机送达母线保护设备，母线保护设备根据对信息的处理，分析后判断母线发生的情况，之后发送GOOSE报文给智能终端，由智能终端作出跳闸指令。多次类似的故障模拟实验表明该系统的保护装置动作时间比较稳定，IEEE 1588对时应用以及GMRP组播协议的运行性能很好。在智能变电站采用三网合一技术方案，在正常负荷下能保证过程层网络延时性能稳定，千兆级联的环形网络拓扑结构下，跳闸延时每经过一级交换机网络将会延时增加5μs的时间。而全部动作时间的长短由继电保护的动作时间和智能终端的动作时间决定。另外在模拟实验中发现，当IEEE 1588报文驻留及链路延时的修正值出现与实际时间不一致的情况时，合并单元中的信息序号不连续，导致传送到继电保护装置的报文丢失。为了解决这一问题，研究专家组探讨应对策略，试验验证切实可行，很好地解决了这一问题。总之，多次的模拟试验结果有利证明证明，在实际的智能变电站过程网网络中采用三网合一技术是可行的，交换机、合并单元、继电保护装置等设备能够满足三网合一方案的运行要求。

3 结束语

过程层网络是智能变电站区别于常规变电站的特点之一，也是智能变电站的中枢神经。它以采样数字化、信息网络化为基础完成了变电站信息的网络传输，是控制技术的一次质的飞跃。本文列举并分析了较为较典型的过程层组网方案，其中，三网合一组网方案采用SMV采样信息、GOOSE网络通信协议、IEEEl588对时信息共同组网的星形网络模式，选用可靠性很高的网络交换设备。采用基于IEC61439可显著提高通信网络可用度 的PRP并行冗余技术方案，通过实际测试、现场检验证明，该方案符合变电站的技术规范，满足变电站的安全稳定的运行需求，可以简化变电站的过程层网络，最大程度地实现信息共享，同时运维管理方便，可在智能变电站中广泛推广应用。

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