智能变电站过程层点对点与组网模式比较分析

秦建松，陈 瑛，吕 亮，俞永军，傅三川

（国网浙江省电力公司绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000）

智能变电站过程层点对点与组网模式比较分析

秦建松，陈 瑛，吕 亮，俞永军，傅三川

（国网浙江省电力公司绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000）

通过对智能变电站过程层网络模式的比较分析，提出按功能区分过程层网络模式，即主保护点对点其余组网模式。介绍了智能变电站过程层4种网络模式，比较了点对点模式和组网模式在造价成本和性能等方面的优劣，论证组网模式网络流量、延时的可行性；介绍了主保护点对点其余组网模式的光链路寄生回路，并提出解决办法。最后介绍了主保护点对点其余组网模式的工程应用情况，并展望全网合一的应用前景。

智能变电站；过程层；点对点；组网；寄生回路

0 引言

随着智能变电站的全面推广建设，2016年，智能电网建设进入引领提升阶段。智能变电站采用过程层、间隔层、站控层的3层网络结构[1]，其中，过程层作为智能变电站与常规变电站的主要区别而显得十分重要，过程层网络设计的合理性直接影响到变电站运行的可靠性。

过程层一般有点对点模式和组网模式2种方案。国家电网公司（以下简称国网）在《110（66）-220kV智能变电站施工图设计》中，对过程层组网方式进行了适当约定。其中，110kV过程层网络描述为：

（1）单母线或双母线接线的110kV变电站，当110kV间隔层设备集中布置在二次设备室时，110kV过程层宜设置单星型以太网络，GOOSE（面对通用对象的变电站事件）及SV（采样值）报文宜采用网络方式传输，GOOSE网与SV网共网设置；当110kV间隔层设备布置在配电装置时，GOOSE及SV均不组网，采用点对点方式传输。

（2）桥式接线、线变组接线的110kV变电站，110kV GOOSE报文及SV报文宜采用点对点方式传输，不宜组建过程层网络[2]。

点对点模式和组网模式已在各级实验室进行过多次动模试验，有较多的试验数据，以下根据工程实践情况，从工程实际角度来比较分析智能变电站过程层网络模式。

1 过程层网络模式

1.1 点对点模式

点对点模式即“直采直跳”模式（如图1所示），该模式保护测控等二次装置通过光纤点对点直接采样，直接跳合闸。直接采样最大的优点在于传输途径只经过光纤，不采用交换机，无需考虑合并单元的采样是否同步，考虑一个固定延时后采用插值法实现采样同步，提高可靠性，避免网络传输延时抖动对保护的影响[3]。

图1 点对点模式

1.2 “网采网跳”组网模式

组网模式包含“直采网跳”和“网采网跳”模式。“网采网跳”模式下SV和GOOSE数据均通过交换机传输（如图2所示），合并单元需要全站同步，保护装置收到采样数据后通过序号方式进行同步，完成保护计算[3]。该模式利用网络信息共享的优势，简化了装置的硬件设计和光纤接线，继电保护动作可靠性受网络可靠性的影响。

图2 “网采网跳”模式

1.3 按报文不同“直采网跳”组网模式

此模式根据报文类型选择点对点模式还是组网模式，保护、测控等装置与合并单元之间采用光纤直连方式传输SV数据，与所有装置通过交换机传输GOOSE数据（如图3所示），既利用了组网模式信息共享、布线简洁的优势，又充分考虑SV流量大而采用直连方式传输。

图3 直采网跳模式

1.4 主保护点对点其余组网模式

此模式是根据装置功能选择不同的过程层网络模式，即全站主要保护SV与GOOSE数据点对点采集，其余保护、测控、记录分析仪等设备过程层SV与GOOSE数据组网采集（如图4所示）。110kV变电站多为终端变电站，全站主保护为主变压器（以下简称主变）保护，主变保护选择点对点模式，其余均选择组网模式，既满足了全站可靠性，又最大程度实现了数据共享，有较高的工程应用价值。

图4 主保护点对点其余组网模式

2 过程层网络配置比较

2.1 点对点模式

以国网通用设计110kV内桥接线变电站为例，根据以往工程统计得知，点对点模式全站过程层约需光纤4900 m，总计约140根光纤，每根光纤平均长度约35 m。配套的24口光纤配线架约需52台，各装置端口要求详见表1。可见，过程层点对点模式光纤、各装置端口量及相关配套的光纤配线架需求均很大。

2.2 组网模式

组网模式只讨论前文1.4所述主保护点对点其余组网模式（以下简称组网模式4），结合工程实际，采用组网模式4，110kV内桥接线变电站全站过程层约需光纤2500 m，总计约100根光纤。因过程层组网光纤可就近接入，每根光纤平均长度约25 m，增加免熔接光纤尾缆的使用，而光纤总量减少，可减少光配的配置和光纤的熔接，24口光纤配线架只需约32台。过程层网络的增加，方便了各装置特别是记录分析仪的接入，各装置端口要求详见表2，其中，因增设过程层网络，需配置16口100M过程层交换机4台。

表1 点对点模式主要装置端口要求

表2 主保护点对点其余组网模式主要装置端口要求

3 过程层网络性能比较

3.1 成本比较

上文所述2种网络模式成本比较详见表3。由表可知，主保护点对点其余组网模式在成本上节省约2.8万元，对装置减少了44%的端口需求，现场安装铺设光缆和光纤熔接的工程量也相应减少，有较大的成本优势。

从技术层面分析可知，110kV内桥接线因未配置主变110kV高压侧开关，相比110kV线路间隔较少的单母分段接线，过程层点对点模式接线更为复杂，组建过程层网络更有必要。

表3 2种网络配置成本比较

3.2 整体性能比较

点对点模式，全站配置简洁，但在数据共享、网络整合方面缺乏灵活性，给记录分析仪和备自投等跨间隔设备配置带来较大难度，也不契合通信技术、信息技术和计算机技术的发展趋势。

主保护点对点其余组网模式下，点对点实现全站主保护的简洁可靠配置，避免了网络对主保护的影响，确保主保护的可靠性；组网模式实现全站其余功能，实现数据高度共享，方便全站设备配置。

智能变电站SV数据传输产生一个重要变化——数据同步。数据同步即采样数据的时间同步，用以避免相位和幅值产生的误差。在继电保护、故障测距、故障分析、自动控制以及电度采集等方面数据同步都十分重要，例如一般的传输线路保护，时间同步精度应在4 μs以内，即大于网络传输的延时，因此必须有可靠的同步机制来保证数据采集的同步性。解决时间同步问题有插值计算和使用公共时钟脉冲同步2种方法。对于插值法，要求合并单元提供采样的传输延时（一般是固定延时），保护测控设备通过减去延时来还原站内实际采样时刻，然后利用插值算法通过非同步样本点来计算同步样本点，适用于点对点方式9-2传输SV数据。对于利用公共时钟脉冲的同步方法，各合并单元必须有时钟输入，并具备依照时钟输入信号给定的时间状态取得同步样本，进而取得符合实际的电网数据，适用于组网方式9-2传输SV数据。

3.3 流量、延时分析

3.3.1 链路延时

数据位在光纤链路上的传输速度大约是光速的2/3，当部署很长距离的以太网线路时，才需要考虑这个延时。链路延时Lw1可以按式（1）计算：

式中：L表示链路长度；V表示光纤链路上数据位的传输速率。

3.3.2 交换机网络存储转发延时

显然，点对点模式下，无需考虑网络流量和交换延时。组网模式下，交换机收到数据直到最后一帧接收完毕，接着从相应的端口转发数据帧出去，这个延时与被转发数据帧的大小成正比，与速率成反比，按式（2）计算。

式中：Lsf是存储转发延时；FS是以位计算的帧大小；BR是以bit/s为单位的速率。

对于100 Mbps速率的交换机：最大的以太网帧1518字节的延时为1518×8/（100×106），即121 μs；最小的以太网帧64字节的延时为64×8/（100×106），即5 μs；IEC618509-1标准的以太网帧111字节的延时为（111×8+96）/（100×106），即10 μs；IEC618509-2标准的以太网帧159字节（80点）的延时为159×8/（100×106），即13 μs，目前工程应用保护采用的就是IEC618509-2标准80点采样率；256点采样率以太网帧1037字节的延时为1037×8/（100×106），即83 μs；GOOSE的以太网帧752字节延时为752×8/（100×106），即60 μs。

3.3.3 交换机交换延时

以太网交换机的内部是交换机制，交换机制由复杂的硬件电路执行存储转发引擎、MAC地址表、VLAN及CoS等，交换机制产生的延时用以执行这些逻辑功能。各个厂商交换机制延时各不相同，如罗杰康产品的交换机制延时是3～7 μs[4]，国网物资招标要求10 μs以下。

在110kV智能变电站，过程层最多经过2级交换。IEC61850体系标准要求GOOSE报文延时小于4 ms，过程层100M交换机组网延时为（60+10×2）=80 μs，满足延时要求。

3.3.4 网络负荷

通常网络延时跟网络负荷成比例，因此仍需分析智能变电站组网的网络负荷，一般要求交换机负荷率在30%～40%。

SV报文数据流量按照采样率80点/周波、每帧1点（12个模拟量通道）计算，1个合并单元数据流量为5.088 Mbit/s。GOOSE传输机制如图5所示，突发传输机制下的突发GOOSE量很小，对流量影响不大。全站约50个智能设备传送GOOSE，与SV流量相比，GOOSE流量对网络带宽的影响基本可以忽略。

图5GOOSE传输机制

110kV智能变电站主变保护最多要连接6个合并单元（线路、内桥、本体、母线、低压侧分支1和2），SV报文和GOOSE报文的流量要求，对100M交换机来讲负荷偏大。上文组网方式4主变保护采用点对点，很好地规避了这个问题。对组网设备来讲，110kV备自投一般采集3个合并单元SV数据，对应交换机网口负荷率较轻，可满足要求。全站记录分析仪需要采集全站所有合并单元（110kV智能变电站为18个）的SV数据，对此可以通过划分VLAN，记录分析仪以3到4个口接入过程层交换机，有效解决这个问题。

另外，可能出现的网络风暴，其产生的原因有：某个装置异常，多发报文；有非法装置接入网络，发出“未知单播地址”的报文；网络中出现大量异常广播。对于第1种情况，组网模式交换机作为近似透明设备无法防护，同样点对点模式也无法防范；对于第2种情况，交换机具有“未知单播地址抑制”功能，可以很好地防御此类现象；对于第3种情况，交换机具有“端口速率限制（单播/组播/广播）”功能，可以进行有效防御。

3.4 光链路分析

点对点模式下，光链路清晰简洁，不会产生寄生回路。组网模式下，光链路相对复杂，如组网模式4中，主保护与对应智能终端有点对点链路和交换机链路2条链路同时接通，形成了并联寄生回路（见图4）。对此，需要在设计时明确智能终端网络口不接受保护GOOSE，只接受测控GOOSE，完善各装置GOOSE中断信息逻辑，确保智能变电站光链路和保护动作正确。

由于工程设计阶段各厂家未提供相关配置信息，虚端子和ICD文件未区分装置网络口和点对点端口的详细信息，具体工程调试时各厂家实现设计要求的方法又各不相同，这些可能形成寄生回路的因素，需引起注意，应逐步把光链路规范、端口规范纳入智能通用设备规范，逐步约定各装置的参数，真正实现IEC61850装置的可互换性。

另外，主保护GOOSE的双回路也可以认为是一种双重化，仅仅回路的双重化与目前保护双重化配置要求从源到终端的装置与回路均独立概念不一致，故不考虑利用光回路的双重化。或许在相关规范更新以后，智能变电站保护光回路双重化可以逐步开展应用，从另一个角度实现共享。

4 结语

通过对过程层网络模式各方面的综合比较分析和论证，可以看出主保护点对点其余组网模式有较大优势，具有推广应用价值。目前，该模式已在国网绍兴供电公司十多个工程实践中得到应用，未来随着交换机带宽、性能和稳定性的提升、设备的集成化设计及保护装置对同步问题处理能力的增强，全站点对点的传输方式必然会被组网方式淘汰。

随着智能变电站各项技术的进一步发展，全站共网模式，即过程层、间隔层、站控层网络和对时网络融合，也将逐步展开应用。国网绍兴供电公司2010年投产的110kV大侣变电站试点工程已实现全站共网，并安全运行5年多。大侣变电站已进行多次动模试验和短路试验，全站共网通过了实践考验。当然在逐步发展过程中，主保护点对点其余组网模式是一个值得推广的过渡模式。

[1]Q/GDW383-2009智能变电站技术导则[S].北京：中国电力出版社，2009.

[2]中国电机工程学会电力信息化专业委员会.110（66）-220kV智能变电站施工图设计[M].北京：中国电力出版社，2013.

[3]兰金波，钱国明，季玮，等.无锡220kV西泾智能变电站关键技术[J].江苏电机工程，2012（3）:26-29.

[4]李铁成，张立，郝晓光，等.智能化变电站网络传输延时分析[J].陕西电力，2011，39（4）:65-67.

[5]李晨曦，赵鹏，刘斌，等.智能变电站优化组网的通信网络研究[J].陕西电力，2014，42（8）:52-54.

[6]张凡，周志勇，王余全，等.智能变电站网络设计研究[J].水电能源科学，30（4）:146-148.

[7]冯亚东，李彦，王松，等.IEC61850点对点采样值传输在继电保护中的实现与应用[J].电力系统自动化，2012，36（2）:82-85.

[8]刘益青，高厚磊，魏欣，等.智能变电站中过程层和间隔层功能一体化IED的设计[J].电力系统自动化，2011，35（21）:58-62.

[9]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.

[10]刘慧源，郝后堂，李延新，等.数字化变电站同步方案分析[J].电力系统自动化，2009，33（3）:55-58.

（本文编辑：方明霞）

Comparative Analysis of Point-to-point and Networking Mode of Process Level in Smart Substation

QIN Jiansong，CHEN Ying，LYU Liang，YU Yongjun，FU Sanchuan
（State Grid Shaoxing Power Supply Company，Shaoxing Zhejiang31200，China）

Through comparative analysis on network mode of process level in smart substation，the paper suggests distinguishing network mode of process layer in accordance to the functions，namely point-to-point mode of main protection and other networking modes.This paper introduces four network modes of process level in smart substation and compares point-to-point mode and networking mode in terms of construction cost and performance；besides，it demonstrates the feasibility of the network flow and delay of networking mode and introduces parasitic of optical fiber link of this mode and proposes a solution.Finally,the paper introduces the engineering applications of this mode and prospects the application of an all-network combination.

smart substation；process level；point-to-point；networking；parasitic circuit

TM631

：B

：1007-1881（2016）09-0020-05

2016-04-21

秦建松（1979），男，高级工程师，主要从事智能变电站设计工作。