数字化变电站过程层网络不同组网模式的比较分析

张 文，吴宗熙，郑润蓝，涂长庚，余晓鸿，王科清，李正天

（1.深圳供电局有限公司，深圳 518000；2.国家电网公司华中分部，湖北 武汉 430077；3.国家电网北京市电力公司 物资公司，北京 100031；4.华中科技大学 强电磁工程与新技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074）

随着以太网技术的进步以及IEC 61850标准的实施，以过程层设备数字化为主要特征的数字化变电站受到了国内外的广泛关注。利用以太网取代并行电缆，不仅可以简化设备连接方式和系统结构，降低成本，还可以集成原有的各种专用信息，形成统一的综合信息平台，实现系统信息共享与信息集成，消除各种信息和自动化孤岛，为解决不同设备之间的互操作问题提供了条件［1］。

过程层作为数字化变电站3层结构的最底层，涉及变电站一次设备的数据传输和设备的实时控制，如数据采集和保护跳闸等，过程层网络结构设计的合理性在很大程度上决定了变电站全站运行的稳定性和可靠性，意义重大［2］。

1 过程层网络关键要素

1.1 组网的总体原则

过程层网络的组网形式多种多样，从不同角度有不同的划分方法［3］：①按数据报文不同来划分，既可以采用SV，GOOSE分开组网，也可以采用SV，GOOSE合并组网；②按电压等级来划分，既可以采用多电压等级合并组网，也可以按不同电压等级分开组网；③按级联方式来划分，既可以采用间隔交换机+中心交换机进行组网，也可以采用单层交换机合并组网；④按网络类型来划分，既可以采用站控层网络与过程层网络合并组网，也可以采用站控层网络与过程层网络分开组网。

不同的组网划分方式有不同的考虑，适用于不用的场合，但从目前数字化变电站应用的技术水平可以设定一个总体原则：

1）站控层与过程层网络分开组网，可以降低网络流量，减少交换机运行压力，保证网络运行稳定性；

2）不同电压等级分开组网，避免所有电压等级共网情况下网络故障带来的严重后果，这点对于220kV及以上变电站尤为重要；

3）采用“间隔层交换机+中心交换机”模式组网，减少单一交换机网络运行压力，同时可以将风险降至最低；

4）110kV变电站可以考虑SV与GOOSE合并组网，而220kV变电站基于安全稳定运行的考虑，建议SV与GOOSE分开组网。

1.2 组网划分的关键要素

不同组网模式有不同的应用场合，如何把握实际工程的组网需求，必须考虑以下几个关键要素。

1）网络流量。交换机是数字化变电站网络的重要载体，其运行可靠性直接关系到网络的安全乃至全网设备的运行稳定性。而交换机网络流量是交换机的一个重要考量指标，当单个交换机上所接入的MU过多，势必会造成级联口负担过重。交换机级联层级越多，级联口的端口流量也越大。因此，组网模式设计时必须要考虑交换机端口（百兆口）流量的大小，确保在正常运行工况以及故障工况下网络流量均在一个合理水平，即交换机在各种情况下都能保持100%的吞吐量及零丢包率。

2）网络风暴抑制。网络风暴主要包括广播、组播、未知地址单播。它们的共同特点是在整个网络上进行传播，它将占用大量网络带宽，降低了网络性能，有可能导致装置接收到大量无用报文，使得装置运行异常［4］。

网络风暴抑制的途径有多种，除了IED及交换机自身可以进行风暴抑制之外，组网模式的不同也会直接影响到风暴的传播途径及影响范围。因此，如何选择有效的组网模式以最大程度地降低网络风暴的影响范围也成为过程层网络组网模式选择必须要考虑的因素。

3）报文类型。过程层网络传输的是SV和GOOSE报文，SV报文主要是指采样值数据，它强调数据的连续性和实时性；GOOSE报文主要是指开关量数据，它包含重要的网络跳闸及联闭锁信息［5-6］。组网模式下，如何保证GOOSE报文可靠传输以及SV报文实时传输将直接影响到保护自动化设备的动作准确性。

4）信息共享与监视。不同组网模式有不同的信息流，网络划分越粗，信息共享与监视能力越强，实现也更为简单，但网络压力也越大；网络划分越细，各网络的运行稳定性越好，但信息共享与监视的能力也越差，对于站域保护、安自设备以及报文分析仪等实现起来也越复杂［7］。如何保证网络运行稳定的前提下最大程度的实现信息共享也是组网模式选择的考虑因素。

5）成本核算。数字化变电站相对于传统变电站，成本越来越多的向交换机倾斜，可以说交换机的数量直接影响到数字化变电站的建设成本。如共享双网所需交换机数量最少，双单网次之，而独立双网所需交换机是双单网的两倍，由此可以看出，网络的安全与成本的核算相悖。如何能在有效控制成本的同时最大限度的保证网络安全成为组网模式选择的又一议题。

6）交换机级联。按照广东电网数字化变电站技术规范要求，组网模式下交换机级联个数不得超过4个［7］。这样，网络划分过细将不满足上述要求。例如，当采用“中心交换机+间隔交换机”的配置模式时，如果各个间隔独立配置间隔交换机，就极大地增加了中心交换机的接口数量，进而必须进行中心交换机的级联，此时若再考虑不同电压等级中心交换机的级联，有可能就会出现交换机级联个数大于4的情况［8］。因此，如何在保证网络稳定的同时满足技术规范的要求也成为组网模式的限制因素。

7）设备关联性。考虑到不同设备与设备之间有信息交换的需求，如安自设备、站域保护等需要与多个电压等级的多个设备联系，220kV双回线之间也有相互的联闭锁信息，如果组网模式设计不合理，同时又要满足交换机层级不大于4的需求，势必会出现特定情况下的光纤直连以满足站内的信息交互。这种光纤直连将无法进入网络监控，不满足全站所有设备网络信息共享。这一问题也必须在组网模式选择时加以考虑。

8）设备组网口数量。对于安自、母差等设备由于同时需要接入多个MU的采样数据，为了避免单个光口流量过大，有时需要配置多个组网口共同完成MU的接入。但设备组网口数量增加的同时也会加重中心交换机的负担，由于中心交换机光口数量有限，任意2个IED之间的级联层级又不得超过4级，这样当单一设备组网口过多时，有可能会出现交换机接口数量不够的情况，这一问题对于220kV及以上数字化变电站尤为突出。如何保证设备与交换机的光口数量配合成为组网模式选择的又一限制因素。

9）间隔检修。考虑到日常运行维护中的设备检修操作，往往需要将某一间隔停运检修，这种情况下，希望在退出该间隔保护测控设备的同时也能将其对应的网络交换机停运检修。此时，如果多个间隔接入同一交换机时，该交换机将无法同步停运。尤其是对于GOOSE网络，由于设备之间的关联性多，这种问题暴露得尤为突出，组网模式选择时也必须加以考虑。

2 不同组网模式分析

2.1 典型220kV数字化变电站主接线

以典型的220kV数字化变电站为例讨论其组网模式，其主接线如图1所示。

图1 220kV数字化变电站典型主接线示意Figure 1 Typical main wiring diagram of 220kV digital substation

2.2 220kV数字化变电站设备典型配置

根据图1对该站进行典型配置（站控层设备按传统配置，在此不列出；10kV设备除变低、分段、接地变外，由于不进入过程层网络暂不考虑；另因该文研究内容不涉及电子式互感器及电度表，其配置也不考虑）：

1）220kV线路、母线及断路器失灵、母联和分段均配置双重化保护，测控装置按单套配置。

2）220kV主变配置双重化电气量保护和一套非电量保护；主变各侧的测控装置按单套配置。非电量保护测控一体化装置按单套配置。

3）110kV线路、母线及母联和分段配置双套保护装置，测控装置按单套配置。

4）110～220kV电压等级合并单元按双重化配置。

5）主变各侧、中性点合并单元按双重化配置。

6）110～220kV电压等级智能终端按断路器双重化配置，与双重化保护、双跳闸线圈配合。

7）主变220，110kV侧智能终端按双重化配置，主变本体智能终端单套配置，10kV侧双重化智能终端与合并单元合一配置。

8）安稳装置及220，10kV备自投单套配置。

9）故障录波器及报文分析仪合一，按电压等级双套配置。

2.3 220kV数字化变电站组网模式分析

根据典型220kV数字化变电站主接线及其系统配置进行组网模式探讨。站内设备统计如表1所示（按单套最大化统计，双重化部分类似）。

1）组网模式1。从保证网络可靠性为重点进行划分，结果如表2所示，组网模式1考虑网络的安全性和设备的独立性，各间隔配有独立的间隔交换机，网络划分清晰，同时，SV采用独立双网配置，形成四重网络传输，既保证了网络的独立性，也保证了数据传输的可靠性；GOOSE采用共享双网配置，保证了GOOSE报文传输的可靠性。

2）组网模式2。以保证成本最优为首要考虑进行划分，结果如表3所示，组网模式2按交换机数量最少的方式进行配置，节省了成本，同时，能最大程度实现站内设备的信息共享，这点对于GOOSE网络之间的信息交换优势明显。

3）组网模式3。以电压等级为首要考虑，不同电压等级网络采取不同的组网模式，结果如表4所示，组网模式3按电压等级划分网络，可以满足不同电压等级配置不同组网模式，配置灵活，网络划分清晰。220kV电压等级网络安全性要求高，采用SV独立双网+GOOSE共享双网的模式进行配置，保证了数据传输的可靠性；110kV间隔数量大，单间隔接入设备少，按2～3个间隔接入一个间隔交换机的方式进行配置既保证了网络端口流量不超过合理水平，同时也节省了交换机数量，控制了成本。

表1 220kV数字化变电站典型系统配置Table 1 Typical system configuration of 220kV digital substation

表2 组网模式1划分方法Table 2 Classification method for networking mode 1

表3 组网模式2划分方法Table 3 Classification method for networking mode 2

表4 组网模式3划分方法Table 4 Classification method for networking mode 3

4）组网模式4。将主变间隔独立组网，同时考虑到10kV设备少，将其合并进入110kV电压等级网络中，再按照电压等级区分，不同电压等级网络采取不同的组网模式，结果如表5所示，组网模式4考虑主变跨越3个电压等级，但同属一个间隔，采取独立配置方式，减少了不同电压等级之间的信息交换，确保级联端口流量不越限；另一方面，由于10kV电压等级设备少，且与主变关联性最大，采取与相应主变间隔合并组网的方式既满足了现场应用需求，也减少了网络层级及交换机数量。

5）组网模式5。考虑间隔之间的关联性，将联系紧密的不同间隔纳入同一网络中，打破电压等级的划分方式进行组网，结果如表6所示，组网模式5按设备之间关联紧密性进行划分，将全站GOOSE网络纳入同一个网内，继承了组网模式2的优点，最大程度的满足了站内设备GOOSE信息的交互，信息共享能力强，既保证了级联端口流量不越线，同时也减少了网络层级和交换机数量；另一方面，SV网络也继承了组网模式3和4的优点。

表5 组网模式4划分方法Table 5 Classification method for networking mode 4

表6 组网模式5划分方法Table 6 Classification method for networking mode 5

6）组网模式6。按照设备停电检修时能同时将间隔交换机停运的划分方式进行组网，结果如表7所示，组网模式6以间隔停运检修的便利性为首要考虑因素，保证了间隔停运的同时其过程层网络交换机也可以同步停运，便于日常运维管理，同时考虑到主变与接地变停运的同步性，将接地变单独接入相应主变间隔交换机中。同时，它也继承了组网模式3和4的优点。

7）组网模式7。为规避单一设备跨接双网可能引起的双网瘫痪进行组网模式划分，结果如表8所示，组网模式7按照单个IED只允许接入单个网络的要求进行配置，保证了单一设备故障不会同时造成双重化的两个网络同时发生故障；另一方面，它也继承了组网模式3和4的优点。

表7 组网模式6划分方法Table 7 Classification method for networking mode 6

2.4 不同组网模式比较分析

通过对7种组网模式的划分方法进行比较可以发现，组网模式1，2相对极端，网络的安全性和网络的经济性本身就是一个矛盾点，如何将二者融合，寻求一个最佳的平衡点才是目前数字化变电站的正确技术指导路线。

组网模式4将主变间隔独立组网，在遵循不同电压等级配置不同组网模式的原则下进行一定程度的整合，它是组网模式3的升级版，也是组网模式1，2的基本平衡点。

表8 组网模式7划分方法Table 8 Classification method for networking mode 7

组网模式5，6，7是在组网模式4的基础上按照不同的侧重点进行划分，三者各有利弊。现将其进一步比较分析，如表9所示。

综合来讲，组网模式5，6都是比较好的过程层网络构建方式，不同的应用场合可以选取不同的组网方式，而且还可以在此基础上进行更为人性化的划分，以满足实际工程需要；组网模式7由于过多的强调了单一网络接入设备的唯一性，虽然降低了双网同时发生网络风暴的概率，但也牺牲了很多其他方面需要考虑的要素，其中，GOOSE报文采用双单网传输以及单套配置的安自设备只能单网接入，极大降低了网络传输的可靠性，增加了设备运行风险。因此，该种组网模式不做推荐。

表9 组网模式5，6，7对比分析Table 9 Comparative analysis of networking mode 5，6，7

3 结语

随着数字化变电站的广泛应用，其过程层网络结构设计的合理性在很大程度上决定了变电站全站运行的稳定性和可靠性，意义重大。笔者即围绕此项展开，首先介绍了过程层网络的传输方式，比较发现网络传输更符合数字化变电站的发展需求，在此基础上，总结了过程层网络构建需要考虑的几个重要因素，然后，以典型的220kV变电站为例，提出了7种过程层组网模式，并对其进行了比较分析，最后，得出以设备关联性为首要考虑因素的组网模式是数字化变电站过程层网络的首选。

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［7］高翔.数字化变电站应用技术［M］.北京：中国电力出版社，2008.

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