基于IEC61850标准的智能变电站过程层组网技术研究

李 鹏，李洪凯，朴在林，张 静

（1.国网朝阳供电公司，辽宁 朝阳 122000；2.沈阳农业大学，辽宁 沈阳 110161）

基于IEC61850标准的智能变电站过程层组网技术研究

李 鹏1，李洪凯1，朴在林2，张 静1

（1.国网朝阳供电公司，辽宁 朝阳 122000；2.沈阳农业大学，辽宁 沈阳 110161）

选择适当的智能变电站过程层组网方式，采用虚拟局域网技术对过程层交换机进行合理的VLAN划分，可大大提高交换机的使用效能，避免产生网络阻塞。介绍了智能变电站系统基本结构和组网技术，研究了智能变电站的过程层网络拓扑结构，并根据VLAN技术，探讨了网络的VLAN划分方案，同时结合工程实例提出了220 kV智能变电站具体的组网方案及VLAN划分实现方式。通过220 kV马山变电站的实例应用证明，独立星型双单网方式及基于端口的VLAN划分能有效地保证智能变电站过程层网络数据传输的实时性和可靠性。

智能变电站；过程层；组网方式；VLAN划分

智能变电站是由电子式互感器、智能化一次设备及网络化二次设备在IEC61850通信标准基础上分层构建而成，具有智能电子设备间的信息共享性和互操作性。由于高速以太网和IEC61850标准的应用，智能变电站的系统结构在继承分层分布式变电站结构优点的同时，又有了不同于常规变电站的革新性变化。目前，相关设备运行业绩少、时间短，相关方案尚未完全达成共识，对安全性和可靠性的担忧也不能忽视［1］。本文在介绍智能变电站系统基本结构和组网技术的基础上，研究了智能变电站的过程层网络拓扑结构，并根据VLAN技术，探讨了网络的VLAN划分方案，同时结合工程实例提出了220 kV智能变电站具体的组网方案及VLAN划分实现方式。

1 过程层网络拓扑结构

1.1 优点

相对于常规变电站，智能变电站过程层网络化主要有如下优点。

a.该网络取代原来的二次接线，对实时性、安全性和可靠性要求较高。

b.该网络的主要用户是继电保护装置及测控装置，根据《智能变电站设计规范》及《智能变电站技术导则》的相关规定，要求220 kV智能变电站的继电保护需双重化配置，要求2套保护的回路相互独立。因此，取代二次回路的过程层网络也必须是2个独立的网络［2］。

c.1个交换机的故障要尽可能减少影响保护的套数。

1.2 常见类型

目前较常见的网络结构有总线型网络、环形网络及星型网络。总线型网络的可靠性不能满足过程层网络的要求，因为1台交换机故障有可能导致失去多套保护。环形网络产生网络风暴的可能性较高，出于安全性考虑，环形网络结构亦不适用于220 kV变电站的过程层网络［3］。鉴于此，星型网络结构是较好的选择，也是目前过程层网络应用最多的网络结构。另外，环形网络中普遍采用快速生成树技术实现网络冗余，其网络故障恢复时间是秒级的，若在此期间发生故障，将延缓故障切除时间，对电网极为不利。

典型的星型网络结构有共享星型双网、独立星型单网和独立星型双网3种［4］。如图1所示，共享星型双网是保护测控装置、合并单元和智能终端都接入A网和B网中，双套装置共用双套网络。独立星型单网如图2所示，2套装置分别接入A网和B网中，1套装置只能与1个网络连接，2个网络彼此独立。独立星型双网如图3所示，它是1套装置与1个双网相连，另1套装置与另1个双网连接，2个双网彼此独立。目前3种类型的星型网络结构都有应用，但共享星型双网和独立星型双网投资和工程量较大，而独立星型单网造价低，工程量相对较小，且能满足安全可靠性要求，完全能够满足工程实际应用，故应用较多［5］。

2 交换机VLAN划分实现

虚拟局域网VLAN（Virtual Local Area Networ）技术充分体现了现代网络技术的重要特征：高速、灵活、管理简便和易扩展。是否具有VLAN功能是衡量局域网交换机的1项重要指标。VLAN技术是通过将局域网内的设备逻辑地划分成不同网段，从而实现组建虚拟工作组的技术，达到减少碰撞和广播风暴、增强网络安全性，并为802.1p协议的实现奠定了技术基础，提供了实现手段［6］。

交换机在网络中占据着绝对的位置，从某种意义上说，交换机的性能与成本决定了网络的性能与成本［7］。目前10／100M自适应网络交换机是市场的主流［8］。智能变电站网络信息数据总量十分可观，但大部分信息数据不需要横向流通，在过程层网络中采用VLAN技术，为100M以太网交换机在智能化变电站组网中的应用奠定了理论基础，降低了组网成本，满足了网络的安全性及可靠性。

图1 共享星型双网

图2 独立星型单网

图3 独立星型双网

2.1 传输流量计算

因为不同间隔间需要共享部分信息，而不是全部信息，因此将全站过程层交换机经过主干交换机进行星形模式级联［9］。如果不对间隔层交换机流出数据进行流量控制，交换机容易发生流量超负荷的情况，使网络产生阻塞甚至瘫痪。对单间隔的SV数据流量及GOOSE数据流量进行理论计算和实际测试，结果与预期相一致。

IEC61850－9－2标准中最大报文长度（SVLD为变长量），单间隔SV计算流量如下。

按每帧1点（12个模拟量通道）计算，1个合并单元1 s的数据流量为

实际测试SV流量和理论计算数据相当。GOOSE在实际工程中的最大报文长度按T0＝10 s计算，智能终端1 s的数据流量为

交换机数据吞吐总量由流入交换机的数据决定，理论上流入数据都可以正确流出，只是数据流量的大小决定了网络（延时）性能。

2.2 VLAN划分方案

IEC61850标准对智能变电站网络上的数据进行了详细划分，根据网络信息的不同需求和要求，给予不同报文不同的优先级［10］。VLAN划分常用的模式有基于端口的VLAN划分、基于MAC地址的VLAN划分、基于路由的VLAN划分及基于策略的VLAN划分。其中基于端口的VLAN划分模式是最简单有效的方法，在智能变电站中得到大量应用。基于端口的VLAN划分模式是从逻辑上把交换机按照端口划分成不同的虚拟局域网络，使其在所需的局域网络中流通。

对于SV采样数据，合并单元和其对应的装置应划分到1个VLAN，且全站唯一。合并单元应和其所在母线上全部需要采样值的装置划分为1个VLAN且全站唯一。对于全站GOOSE信息，采用IEC61850－9－2标准时应统一分配1个VLAN，且全站唯一。对于对时报文，可统一分配1个VLAN。按间隔划分VLAN是过程层组网的基本原则，典型变电站线路交换机配置如图4所示，VLAN静态配置如表1所示。

3 工程实例应用

根据《智能变电站继电保护技术规范》的相关规定，220 kV马山智能变电站过程层网络采用混合组网方式，母线保护采用直采网跳方式，其他保护采用直采直跳方式，其余的测控、网络分析及录波等设备采用独立星型双单网的方式实现。实现了SV、GOOSE和IEEE1588标准对时共网，亦称为“三网合一”。该站过程层双单网网络配置主干交换机2台，主变交换机4台，线路及其他间隔交换机6台，主干交换机采用RUGGEDCOM交换机，其余采用北京东土交换机。马山智能变电站的网络结构如图5所示。鉴于所有的合并单元、智能终端、IED设备都连接在过程层网络上，数据量尤其是来自合并单元的SV采样值巨大，庞大的数据传输会消耗网络带宽，使网络延时，因此合理地利用VLAN划分将相互间无数据交换的设备隔离起来，以提高交换机的数据交换性能，避免发生网络阻塞。

在本工程中，通过带有优先级的VLAN来降低过程层网络区域内的负载，并通过VLAN把不相干的设备独立出来。按照间隔和功能来划分VLAN，把SV、GOOSE划分到不同的VLAN，鉴于IEEE1588对时信息的特殊性，对时网不再划分单独的VLAN，而是采用交换机默认的VLAN方式。本文仅列出1个交换机的网络接线方式和VLAN划分，220 kV马山变电站的主干A网交换机的网络接线及VLAN划分情况如图6和表2所示。

图4 线路间隔交换机配置

表1 VLAN静态配置

表2 A网1号交换机VLAN静态配置

图5 220 kV马山变电站网络结构

图6 220 kV主干A网交换机网络配置

4 结束语

选择适当的智能变电站过程层组网方式，采用虚拟局域网技术对过程层交换机进行合理的VLAN划分，可大大提高交换机的使用效能，避免产生网络阻塞。本文提出了3种过程层星型组网方案及VLAN划分方式，根据变电站的结构及规模等选用过程层组网方式和VLAN划分方案。通过220kV马山智能变电站的实例应用证明，独立星型双单网方式及基于端口的VLAN划分能有效地保证智能变电站过程层网络数据传输的实时性和可靠性。

［1］智能变电站技术导则：Q／GDW 383—2009［S］.

［2］智能变电站继电保护技术规范：Q／GDW 44—2010［S］.

［3］刘振亚.智能电网技术［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［4］高浩清，康科飞，米雪松.基于智能数字化变电站进程通信组网技术应用［J］.中国高新技术企业，2010，17（12）：129－131.

［5］尹中华.数字化变电站现场组网应用.中国高新技术企业［J］.2010，17（8）：89－91.

［6］王晓晨，黄继东.基于直采直跳模式的智能变电站的母线保护应用研究［J］.电力系统保护与控制，2011，39（19）：150－154.

［7］黄少雄，张沛超.智能变电站GOOSE网配置方案研究［J］.东北电力技术，2010，31（10）：47－50.

［8］李兆祺，杨 贵.智能变电站通信网络架构研究［J］.东北电力技术，2014，35（4）：27－30.

［9］张幼明，高忠继，黄 旭.智能变电站技术应用研究分析［J］.东北电力技术，2012，33（5）：1－3.

［10］杨 贵，王兆强，王文龙，等.智能变电站过程层交换机关键技术探讨［J］.电气技术，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 鹏（1979—），男，博士，高级工程师，从事继电保护、智能变电站继电保护关键技术研究。

2015－10－16）