基于IEC61850的智能变电站网络技术研究

张英

摘 要： 随着智能变电站的大规模试点建设以及对IEC61850标准体系的深入研究，有必要对已经在工程应用中存在通信网络结构进行剖析，以便对智能变电站大规模建设中的系统网络结构选型提供理论支持。从IEC61850在变电站过程层应用的角度出发对网络结构进行分析，对不同的组网方案进行分析，并根据工程应用实际提出一种新型的过程层混合组网方案。该方案采用灵活的组网方法，把已经存在的几种组网方案进行了有机的统一，有效地提高了全站网络系统的可靠性和安全性，实现了经济和安全的统一。

关键字： 智能变电站； IEC61850； 网络结构； 混合组网方案

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）06?0151?04

0 引 言

智能变电站的建设是国家推进统一、坚强智能电网的重要一环，也是坚强智能电网的重要节点，关系着整个电网的安全、可靠。当前，以太网通信网络技术在智能变电站领域中得到了广泛应用。为了确保智能变电站自动化系统安全、可靠运行，通常会采用不同的网络结构来提高其通信网络的可靠性和安全性。在前期的智能变电站试点建设中，积累了大量的科研资料和工程经验，但是由于对变电站通信系统的网络结构没有严格的、统一的规范和标准，造成在数字化系统中对于采用何种的网络结构连接智能电子设备（Intelligent Electronic Devices，IED）存在比较多的类型和不同网络结构性能好坏的争论，这也成为了IEC61850标准在实际应用过程中碰到的突要问题。因此，在智能变电站试点建设前期有必要对已经在工程应用中存在的多种通信网络结构进行简单的剖析，以便对智能变电站通信系统将来更大规模的建设中的网络结构的选取提供理论支持和技术支撑。

1 IEC61850标准与智能变电站通信网络

作为智能变电站自动化系统中枢神经系统的通信网络，其安全性、可靠性决定了智能变电站系统运行的适用性。本文着重从一下两点分析IEC61850与通信网络之间的关系：一是基于IEC61850标准的智能变电站通过哪种通信网络结构进行信息传输与共享；二是采用IEC61850标准规定的哪种协议栈机制来满足变电站内多种类型信息及时、可靠的传输。对IEC61850规约通信方式的研究在文献[1]中有比较详细的介绍：IEC61850标准借鉴了工业以太网标准通信模型定义，这在一定程度上避免了网络结构的双重规定并且保证了网络结构定义的一致性，但是给工程应用过程和解决通信冗余带来了复杂多样性。总体来说，智能变电站建设中通过引用工业以太网标准，使得IEC61850标准更好地保障了其可扩充性，以及对将来通信技术发展需求的适应性。由于国内的多种类型的数据信息对实时性和准确性的要求不同，需要采用不同的协议栈机制来满足需求，文献[2]中对此有详细的论述。IEC61850的映射机制如图1所示[3]。

2 网络通信结构分析

在IEC61850 标准中，智能变电站自动化系统从逻辑上从上而下划分为站控层、间隔层、过程层，并通过高速网络通信实现各层之间及各层内部数据传输，各层电气设备信息的共享与互动操作通过分层分布式实现[2]。结合国家电网公司颁布的关于智能变电站的技术导则规范以及前期试点工程应用实践，当下智能变电站网络通信结构主要存在以下四种方案：

（1） 采用光纤点对点与GOOSE网络相结合的方式；

（2） 采用光纤点对点、采样值MSV网络与 GOOSE网络相结合的方式；

（3） 采用过程总线方式；

（4） 采用完全过程总线方式[4]。

其中方案（2）与方案（3）在整体运行结构上基本相似，只是方案（2）采用国际流行的B码对时，而方案（3）采用IEEE1588进行对时处理。

2.1 采用光纤点对点与GOOSE网络相结合的方式

该网络结构与传统变电站的过程层网络结构基本是一致的，只是用IEC61850规约替换了IEC60870规约。该方案中的过程层网络采用光纤点对点与GOOSE网络相结合的方式，即采样点与合并单元采用点对点的方式把交流采样的实时数据通过光纤介质传输到保护、测控、计量、录波等装置，而GOOSE网络则传输由智能操作箱产生的跳合闸等开关量信息，两者通过光纤统一链接，这样既能保持采样数据的独立传输又能保证GOOSE信号及时传输；另外，必须按照双网方式组建GOOSE网来保证信息传输的冗余，且双网组建必然要采用同时工作于主机的方式来保证保护动作的可靠性。目前，100M工业以太网技术应用比较成熟，其采样数据能保证独立传输且能够保证数据响应实时性，但是仍然需要敷设大量光缆来满足点对点的传输，具体结构如图2所示。

优点：利于传统变电站升级改造，采样数据独立传输且能保证响应实时。

缺点：由于采样信息传输是点对点方式，造成工程应用中需要铺设大量光缆设备，造成人力、物力、财力的很大浪费。

2.2 采用采样值MSV网络与GOOSE网络相结合的方式

该方案与方案一相似，其中采样值到合并单元是通过光纤点对点连接，而保护、测控、电能表计量、故障录波信息是通过获取；该方案不需要配置网络交换机，同时也不用担心网络上的数据流量对于其他设备信息传输的影响；该方案的MSV采样值网络与GOOSE网络均是单独组网，没有形成共享网络，所以只要选取能满足数据传送的带宽、接收方CPU处理数据能力的光纤介质即可，具体网络结构如图3所示。

优点：组网方式简单可靠，具有开关量信息和采样信息共享能力。

缺点：在实际工程应用中光纤组网连线工作繁杂，安装方式不灵活且无法在标准范围内实现跨间隔保护和信息共享。

2.3 过程总线方式

该方案的特点在于采样值数据MSV网和开关量信号GOOSE网通过同一条过程总线组成二合一网，通过总线把采样数据和开关信息传输给保护、测控、电能表计量、故障录波等设备，有效的实现了数据信息的网络化、共享化。该方案中引用多播报文技术有虚拟局域网（VLAN）技术将变电站系统网络划分为功能子网，对每个子网配置具有信息分级服务和优先传输机制的高性能网络交换机，能有效地解决报文信息优先级及网络延时问题。其具体结构如图4所示。

优点：采用虚拟局域网技术和用交换机分级服务，解决了网络延时并提高了系统处理报文的能力；实现采样值MSV网与GOOSE网信息共享。

缺点：需要精确计算网络上的数据传输流量，并需要采用报文过滤技术抑制广播风暴，保证数据的安全、有序、高效传输。

2.4 完全过程总线方式

该方案实现了交流采样MSV网、GOOSE网和IEEE 1588对时网通过一条过程总线共同组网，其中IEEE 1588网络对时技术很好的解决了三网合一中的时间同步问题，并在理论上实现了真正意义上的的共享网络信息平台，但该方案需要配置高性能网络交换机。具体组网方案：采样值采用IEC61850?9?2协议标准组成MSV网、开关信息量按照GOOSE通信协议组成GOOSE网 、对时信息采用IEEE1588标准网，这三个网络共用一条过程总线传输数据到保护、测控、电能表计量、故障录波等设备。具体结构如图5所示。

优点：实现了三网合一即GOOSE网、MSV网、IEEE 1588标准对时网共同组网，很好地实现了站内信息共享，其通信网络结构层次清晰，链接方便，可以节省大量的光缆，便于设计、维护、施工，是未来技术发展的方向。

缺点：共网传输中的精确对时难度较大，且对网络交换机的处理能力要求太高，现阶段该款交换机国产化较低且性能不稳定，在实际应用中其可靠性受到不少质疑。

以上所述几种网络结构组网方案都是从理论的角度出发分析其不同网络结构之间的差异，但是在智能变电站自动化系统的实际应用中，根据工程可以采用灵活的组网方案把上述几种方式进行有机的统一，以形成一种新型的混合组网方案。

该方案具体组网方法：计量采样为点对点方式、继电保护与智能控制箱之间的开关量控制也是点对点方式、故障录波、测控等通过组网方式实现；由于保护装置采用点对点方式，所以要加强对保护装置可靠性、安全性的检测并选取可靠性高的保护装置，防止因系统网络信号错误造成系统保护功失效[4]。相比较前面介绍的4种方案，该方案中的智能控制箱、合并单元、母线合并单元和备自投保护设备等需要更多的光纤接口，其中智能控制箱与合并单元至少需要8个光纤接口来满足点对点直连和组网需求[5]。

该组网方案既能满足智能变电站自动化系统对信息数字化、通信协议标准化和信息传输网络化的具体要求，同时也满足了国家电网公司颁布的智能变电站相关技术标准。在实际应用中，该组网方案也更加安全、可靠、实用，必将成为智能变电站组网方式的首选。图6所示为结构示意图。

3 结 语

在智能变电站自动化系统逻辑分层中，过程层起着承上启下的作用。现在，通信网络在智能变电站自动化系统中扮演着中枢神经的角色，而过程层网络又是总站网络的基础和支撑，承担了一、二次设备继电保护信号、跳闸开关信号和全站电压电流等数据信息的采集传输工作[6]，所以过程层网络性能的好坏直接决定了整站自动化系统的安全性、可靠性和稳定性。

总之，随着国家坚强智能电网的建设和智能变电站试点工作的持续展开，在实际应用中必须坚持以可靠、安全为主，经济、实用为辅的原则，以满足电力系统生产需求为出发点，根据具体情况来确定智能变电站自动化系统的网络结构。

参考文献

[1] 胡道徐，李广华.IEC61850通信冗余实施方案[J].电力系统自动化，2007，31（8）：100?103.

[2] 高翔.数字化变电站应用技术[M].北京：中国电力出版社，2008.

[3] 郭秋萍.计算机网络技术[M].北京：清华大学出版社，2010.

[4] 樊陈，倪益民，窦仁辉，等.智能变电站过程层组网方案分析[J].电力系统自动化，2011，35（18）：67?71.

[5] IEC. IEC61850 Communication networks and systems in substation [R]. [S.l.]： IEC， 2004.

[6] 苏麟，孙纯军，褚农.智能变电站过程层网络构建方案研究[J].电力系统通信，2010，31（7）：10?13.

[7] 常夏勤，周余，王自强，等.新型数字化变电站长录波系统设计[J].现代电子技术，2010，33（18）：192?196.

[8] 黄治，陈伟，王向群.IEEEl588在工业以太网交换机中的关键应用[J].现代电子技术，2012，35（23）：90?93.

[9] 钱科军，梁锋.分布式状态估计技术在智能变电站的应用[J].电网与清洁能源，2013（9）：27?31.

优点：采用虚拟局域网技术和用交换机分级服务，解决了网络延时并提高了系统处理报文的能力；实现采样值MSV网与GOOSE网信息共享。

缺点：需要精确计算网络上的数据传输流量，并需要采用报文过滤技术抑制广播风暴，保证数据的安全、有序、高效传输。

2.4 完全过程总线方式

该方案实现了交流采样MSV网、GOOSE网和IEEE 1588对时网通过一条过程总线共同组网，其中IEEE 1588网络对时技术很好的解决了三网合一中的时间同步问题，并在理论上实现了真正意义上的的共享网络信息平台，但该方案需要配置高性能网络交换机。具体组网方案：采样值采用IEC61850?9?2协议标准组成MSV网、开关信息量按照GOOSE通信协议组成GOOSE网 、对时信息采用IEEE1588标准网，这三个网络共用一条过程总线传输数据到保护、测控、电能表计量、故障录波等设备。具体结构如图5所示。

优点：实现了三网合一即GOOSE网、MSV网、IEEE 1588标准对时网共同组网，很好地实现了站内信息共享，其通信网络结构层次清晰，链接方便，可以节省大量的光缆，便于设计、维护、施工，是未来技术发展的方向。

缺点：共网传输中的精确对时难度较大，且对网络交换机的处理能力要求太高，现阶段该款交换机国产化较低且性能不稳定，在实际应用中其可靠性受到不少质疑。

以上所述几种网络结构组网方案都是从理论的角度出发分析其不同网络结构之间的差异，但是在智能变电站自动化系统的实际应用中，根据工程可以采用灵活的组网方案把上述几种方式进行有机的统一，以形成一种新型的混合组网方案。

该方案具体组网方法：计量采样为点对点方式、继电保护与智能控制箱之间的开关量控制也是点对点方式、故障录波、测控等通过组网方式实现；由于保护装置采用点对点方式，所以要加强对保护装置可靠性、安全性的检测并选取可靠性高的保护装置，防止因系统网络信号错误造成系统保护功失效[4]。相比较前面介绍的4种方案，该方案中的智能控制箱、合并单元、母线合并单元和备自投保护设备等需要更多的光纤接口，其中智能控制箱与合并单元至少需要8个光纤接口来满足点对点直连和组网需求[5]。

该组网方案既能满足智能变电站自动化系统对信息数字化、通信协议标准化和信息传输网络化的具体要求，同时也满足了国家电网公司颁布的智能变电站相关技术标准。在实际应用中，该组网方案也更加安全、可靠、实用，必将成为智能变电站组网方式的首选。图6所示为结构示意图。

3 结 语

在智能变电站自动化系统逻辑分层中，过程层起着承上启下的作用。现在，通信网络在智能变电站自动化系统中扮演着中枢神经的角色，而过程层网络又是总站网络的基础和支撑，承担了一、二次设备继电保护信号、跳闸开关信号和全站电压电流等数据信息的采集传输工作[6]，所以过程层网络性能的好坏直接决定了整站自动化系统的安全性、可靠性和稳定性。

总之，随着国家坚强智能电网的建设和智能变电站试点工作的持续展开，在实际应用中必须坚持以可靠、安全为主，经济、实用为辅的原则，以满足电力系统生产需求为出发点，根据具体情况来确定智能变电站自动化系统的网络结构。

参考文献

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[9] 钱科军，梁锋.分布式状态估计技术在智能变电站的应用[J].电网与清洁能源，2013（9）：27?31.

优点：采用虚拟局域网技术和用交换机分级服务，解决了网络延时并提高了系统处理报文的能力；实现采样值MSV网与GOOSE网信息共享。

缺点：需要精确计算网络上的数据传输流量，并需要采用报文过滤技术抑制广播风暴，保证数据的安全、有序、高效传输。

2.4 完全过程总线方式

该方案实现了交流采样MSV网、GOOSE网和IEEE 1588对时网通过一条过程总线共同组网，其中IEEE 1588网络对时技术很好的解决了三网合一中的时间同步问题，并在理论上实现了真正意义上的的共享网络信息平台，但该方案需要配置高性能网络交换机。具体组网方案：采样值采用IEC61850?9?2协议标准组成MSV网、开关信息量按照GOOSE通信协议组成GOOSE网 、对时信息采用IEEE1588标准网，这三个网络共用一条过程总线传输数据到保护、测控、电能表计量、故障录波等设备。具体结构如图5所示。

优点：实现了三网合一即GOOSE网、MSV网、IEEE 1588标准对时网共同组网，很好地实现了站内信息共享，其通信网络结构层次清晰，链接方便，可以节省大量的光缆，便于设计、维护、施工，是未来技术发展的方向。

缺点：共网传输中的精确对时难度较大，且对网络交换机的处理能力要求太高，现阶段该款交换机国产化较低且性能不稳定，在实际应用中其可靠性受到不少质疑。

以上所述几种网络结构组网方案都是从理论的角度出发分析其不同网络结构之间的差异，但是在智能变电站自动化系统的实际应用中，根据工程可以采用灵活的组网方案把上述几种方式进行有机的统一，以形成一种新型的混合组网方案。

该方案具体组网方法：计量采样为点对点方式、继电保护与智能控制箱之间的开关量控制也是点对点方式、故障录波、测控等通过组网方式实现；由于保护装置采用点对点方式，所以要加强对保护装置可靠性、安全性的检测并选取可靠性高的保护装置，防止因系统网络信号错误造成系统保护功失效[4]。相比较前面介绍的4种方案，该方案中的智能控制箱、合并单元、母线合并单元和备自投保护设备等需要更多的光纤接口，其中智能控制箱与合并单元至少需要8个光纤接口来满足点对点直连和组网需求[5]。

该组网方案既能满足智能变电站自动化系统对信息数字化、通信协议标准化和信息传输网络化的具体要求，同时也满足了国家电网公司颁布的智能变电站相关技术标准。在实际应用中，该组网方案也更加安全、可靠、实用，必将成为智能变电站组网方式的首选。图6所示为结构示意图。

3 结 语

在智能变电站自动化系统逻辑分层中，过程层起着承上启下的作用。现在，通信网络在智能变电站自动化系统中扮演着中枢神经的角色，而过程层网络又是总站网络的基础和支撑，承担了一、二次设备继电保护信号、跳闸开关信号和全站电压电流等数据信息的采集传输工作[6]，所以过程层网络性能的好坏直接决定了整站自动化系统的安全性、可靠性和稳定性。

总之，随着国家坚强智能电网的建设和智能变电站试点工作的持续展开，在实际应用中必须坚持以可靠、安全为主，经济、实用为辅的原则，以满足电力系统生产需求为出发点，根据具体情况来确定智能变电站自动化系统的网络结构。

参考文献

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