特高压变电站过程层网络设计

张志鹏，郭朝云，朱 萍（河北省电力勘测设计研究院，河北 石家庄 050031）



特高压变电站过程层网络设计

张志鹏，郭朝云，朱 萍
（河北省电力勘测设计研究院，河北 石家庄 050031）

摘要：论述了500 kV及750 kV智能变电站过程层网络方案和交换机配置方案。 分析了特高压变电站特点和设计要求，提出了特高压变电站过程层网络两个设计原则：高可靠性原则和技术统一性原则。基于两个设计原则，提出四个1000 kV过程层网络设计方案，推荐SV和GOOSE共同组网、双重化保护各设置独立的双网。分析了冗余信息的应用层处理方案和链路层处理方案，提出1000 kV过程层网络可采用基于FPGA的应用层处理方案，也可采用基于PRP的链路层处理方案。

关键词：特高压变电站；智能变电站；过程层网络；冗余方案；并行冗余协议。

构建以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强智能电网是国家电网公司的战略目标，智能变电站是统一坚强智能电网的重要基础和支撑。目前，国网公司110（66）～750 kV新建变电站均按照智能变电站设计。

对于已投运和在建的特高压变电站，智能化相关技术也得到了一定应用，如一次设备在线监测、智能辅助控制系统、站控层与间隔层之间基于IEC61850标准的信息交换、信息综合分析与智能告警等。基于可靠性和技术成熟度考虑，智能变电站的关键技术-过程层数字化，未在特高压变电站中应用。随着过程层数字化技术的日益成熟，建设特高压智能变电站将成为发展目标，这也是建设坚强智能电网的必然要求。

建设特高压智能变电站，构建高可靠性的过程层网络是关键。目前特高压变电站过程层网络的相关研究较少，更无相关标准和规范。本文拟结合特高压变电站的地位和特点，吸收500 kV及750 kV智能变电站过程层网络设计经验，提出一种高可靠性和具有一定经济性的过程层网络方案，保障特高压智能变电站的可靠运行。

1 500 kV及750 kV智能变电站过程层网络方案

1.1 配置原则

文献［1］提出了500 kV及750 kV变电站过程层网络配置原则如下：

（1）采用一个半断路器接线时，分别设置SV和GOOSE星形双网；SV和GOOSE每网按串配置交换机。

（2）双重化保护与双重化网络按照一一对应的方式连接。

基于上述原则的500 kV及750 kV电压等级过程层网络示意图见图1。

图1 3/2断路器接线过程层网络示意图

1.2 交换机配置方案

在智能变电站工程应用中，过程层交换机可选择如下规格：

8光口（百兆）、16光口（百兆） 、22光口（百兆20，千兆2） 、22光口（百兆18，千兆4）。

1.2.1 GOOSE交换机

以A网为例，串内交换机端口需求如下：

（1）串内不带电抗器时端口需求见表1。

（2） 串内带2组（1组）电抗器时端口需求见表2。

表1 串内GOOSE交换机端口需求情况1

表2 串内GOOSE交换机端口需求情况2

（3）小结

串内不带或带1组电抗器时，每串每个GOOSE网可配置1台22口交换机；串内带2组电抗器时，每串每个GOOSE网需配置2台16口或22口交换机。

1.2.2 SV交换机

所有IED均按照80点采样率考虑，每台合并单元SV数据流量约为8 Mbit/s。按照百兆网络流量不超过40%考虑，每个百兆交换机允许接入5台合并单元，超过5台合并单元时，宜采用千兆端口级联。

以A网为例，串内交换机端口需求如下：

（1）串内不带电抗器时端口需求见表3。

表3 串内SV交换机端口需求情况1

（2） 串内带2组（1组）电抗器时端口需求见表4。

表4 串内SV交换机端口需求情况2

（3）小结

串内不带电抗器时，每串每个SV网可配置1台16口或22口交换机；串内带2组或1组电抗器时，每串每个SV网需配置1台22口交换机（带千兆口）。

1.2.3 交换机数量需求

根据上述分析，串内不带或带1组电抗器时，每串需配置4台过程层交换机；串内带2组电抗器时，每串需配置6台过程层交换机。

2 特高压变电站过程层网络设计

2.1 特点和设计要求

（1）特高压电网正处于起步阶段，相对薄弱，对特高压变电站的可靠性要求极高。

（2）站内一般设置1000 kV、500 kV和110 kV三个电压等级。1000 kV和500 kV均采用3/2断路器接线，110 kV采用单母线接线；

（3）站内500 kV等级二次设备配置原则与500 kV变电站相同；1000 kV等级除每套线路保护需采用双通道外，其余配置原则同500 kV等级。

2.2 过程层网络设计原则

2.2.1 高可靠性原则

特高压变电站在电网中的地位要求1000 kV过程层网络具有比750 kV和500 kV过程层网络更高的可靠性。具体要求如下：

（1）应采用可靠性高的星形结构。

根据文献［3］的分析，与总线型和环形结构相比，星形结构扩展方便、协议简单、网络传输延时小、无广播风暴风险，是过程层网络的首选结构。

（2）交换机N-1故障不应影响保护信息传输。

文献［4］要求智能变电站继电保护保护直采直跳，启动失灵/重合闸、失灵联跳等信息通过过程层网络传输，特高压智能变电站仍应贯彻此原则。

当保护与过程层网络一一对应连接时，交换机N-1故障将造成一个网络的信息交换中断，某些重要功能（失灵联跳等）可靠性降低50%，对特高压电网的安全运行带来不利影响。因此，1000 kV过程层网络设计必须考虑交换机N-1方式下的保护信息传输可靠性问题，要求保护设备采用冗余连接方式。

（3）交换机N-2故障应尽量减少对两套保护的影响。

虽然过程层网络交换机发生N-2故障概率很低，但1000 kV过程层网络设计应考虑减少此种故障的影响，提高极端情况下抵御风险的能力。

2.2.2 技术统一性原则

特高压变电站过程层网络设计原则应与相应等级保护装置的技术原则统一，体现二次系统设计的统一性。基于此原则，特高压变电站各等级过程层网络设计原则如下：

（1）站内500 kV等级过程层网络采用500 kV智能变电站相应等级设计原则，双重化保护与双重化网络按照一一对应的方式连接，与保护的配置和通道组织原则统一。

（2）站内110 kV等级过程层网络采用220 kV智能变电站110 kV等级设计原则，主进配置双重化网络，无功配置单套网络。

（3）站内1000 kV等级建议每套保护均与双重化网络连接，既体现了高可靠性原则，又与1000 kV线路保护双通道的技术原则保持了统一。

2.3 1000 kV过程层网络方案论证

基于2.3确立的网络设计原则，提出以下4种网络设计方案。

2.3.1 方案1

SV、GOOSE分别组网，双重化保护各设置独立的双网，示意图见图2。

图2 方案1过程层网络示意图

方案特点：

（1）每串需设置8个网络，配置8台或12台交换机。

（2）双重化的A、B套装置过程层信息相互独立传输，交换机负载较轻。

（3）交换机N-1故障不影响保护信息传输，N-2故障最多影响一套保护的信息交换，不影响第二套保护功能。

（4）中心交换机需求数量多，至少配置8台。中心交换机与串内子交换机级联端口有可能只需采用百兆口。

2.2.2 方案2

SV、GOOSE分别组网，双重化保护接入统一双网，网络示意图见图3。

图3 方案2过程层网络示意图

方案特点：

（1）每串需设置4个网络，配置6台或10台交换机。

（2）双重化的A、B套装置过程层信息共网传输，交换机负载较重。

（3）交换机N-1故障不影响保护信息传输，N-2故障有可能影响两套保护的信息交换。

（4）中心交换机至少配置4台。中心交换机与串内子交换机级联端口需采用千兆口。

2.2.3 方案3

SV、GOOSE共同组网，双重化保护各设置独立的双网，网络示意图见图4。

图4 方案3过程层网络示意图

方案特点：

（1）基于共网共端口技术，SV、GOOSE共网传输。

（2）每串需设置4个网络，配置4台或8台交换机。

（3）双重化的A、B套装置过程层信息相互独立传输，交换机负载较轻。

（4）交换机N-1故障不影响保护信息传输，N-2故障最多影响一套保护的信息交换，不影响第二套保护功能。

（5）中心交换机至少配置4台。中心交换机与串内子交换机级联端口需采用千兆口。

2.2.4 方案4

SV、GOOSE共同组网，每套保护接入统一的双网，网络示意图见图5。

图5 方案4过程层网络示意图

方案特点：

（1）基于共网共端口技术，SV、GOOSE共网传输；

（2）每串需设置2个网络，配置4台或6台交换机；

（3）双重化的A、B套装置过程层信息共网传输，交换机负载较重。

（4）交换机N-1故障不影响保护信息传输，N-2故障有可能影响两套保护的信息交换。

（5）中心交换机至少配置2台。中心交换机与串内子交换机级联端口需采用千兆口。

2.3.5 网络方案选择

上述4个方案均能满足交换机N-1故障时不影响保护信息传输，其中方案1和方案3在交换机N-2故障下的网络可靠性更高。

方案1 与方案3相比，优点是各子网络功能明确，管理方便；缺点是交换机用量多、装置端口多、网络利用率低，需占用较多屏位。考虑到在智能变电站工程实践中，SV、GOOSE信息共网传输技术已十分成熟，工程应用较多，利用VLAN技术可保证SV和GOOSE信息传输的相对独立和网络可靠性，推荐方案3作为1000 kV过程层网络方案。

3 冗余信息处理方案

推荐的1000 kV过程层网络方案要求每个IED装置均接入冗余双网，必然带来冗余信息的处理问题。目前存在两种冗余信息处理方案，即应用层处理方案、链路层处理方案。

3.1 应用层处理方案

应用层冗余方案又可分为双网双工方式和双网热备方式。双网热备方式实现简单，但存在网络切换通信中断问题（切换时间为秒级），适用于MMS网络；对于可靠性和实时性要求高的过程层网络，必须采用双网双工方式。

文献［9-10］提出了一种基于应用层的GOOSE双网接受机制，通过判断收到的GOOSE事件序号和报文序号，实现冗余信息的处理。SV双网接收机制与GOOSE类似。

GOOSE双网接受机制流程图见图6。

图6 GOOSE双网接收机制

基于双网双工方式的应用层处理方案特点如下：

（1）IED提供2个独立的MAC地址或IP地址的网口，采用通用的以太网报文及网络控制器。

（2）可实现双网信息的零延时切换。

（3）应用层处理实现方式上有软件方式和硬件方式两种。为减少装置CPU的负担，宜采用基于FPGA的硬件方式处理冗余信息。

3.2 链路层处理方案

IEC62439提出了一系列网络冗余标准，其中IEC62439-3规定的并行冗余协议（Parallel Redundancy Protocol， PRP）适用于各种变电站通信网络结构。

基于PRP协议的网络要求每个终端节点（IED设备）设置链路层冗余单元（LRE），在链路层的LRE实现报文的双发双收和冗余信息的处理。LRE收到发送节点上层应用传来的发送报文，将报文加上标识后复制成2份同时从两个网口发出，接收节点从两个网口先后收到该报文，LRE对标识判别后丢弃后到的报文，而先到的报文去除标识后传送给上层应用。PRP终端节点结构见图7。

图7 PRP终端节点结构

基于PRP的链路层处理方案特点如下：

（1）IED的2个并行两个以太网卡具有相同的MAC地址和IP地址，其冗余对于应用层是透明的，但需采用专用的PRP网络控制器；

（2）发送端在每个数据帧后增加4 字节的冗余控制跟踪位，以处理重复报文、实现双网信息的零延时切换，但需要交换机能够处理非标准以太网报文。

3.3 方案选择

在国内智能变电站工程实践中，国内厂家对于过程层网络均采用了基于FPGA的双网双工应用层处理方案，并制定了规范的双网接受机制，能够满足可靠性和实时要求，但工程配置较为复杂。

基于PRP协议的链路层处理方案工程配置相对简单，但需采用专用硬件接口，国内厂家IED产品目前尚不支持。

两种方案均能满足1000 kV过程层网络方案要求，实际应用时宜根据技术发展和IED产品支持情况进行选择。

4 结论

本文对特高压变电站过程层网络设计方案和冗余信息处理方案进行了详细论证，提出了特高压变电站各电压等级过程层网络实施方案，结论如下：

（1）提出了特高压变电站过程层网络两个设计原则：高可靠性原则和技术统一性原则。

（2）基于交换机N-1和N-2故障方式下网络可靠性原则，1000 kV过程层网络方案推荐如下：SV、GOOSE共同组网，双重化保护各设置独立的双网，按串配置交换机。

（3）基于技术统一性原则，特高压变电站500 kV等级过程层网络采用500 kV智能变电站相应等级设计原则，110 kV等级过程层网络采用220 kV智能变电站相应等级设计原则。

（4）冗余信息处理方案可采用基于FPGA的双网双工应用层处理方案或基于PRP的链路层处理方案。

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中图分类号：TM63

文献标志码：B

文章编号：1671-9913（2016）01-0069-06

* 收稿日期：2015-07-06

作者简介：张志鹏（1977- ），男，高级工程师，硕士，主要从事电力系统继电保护、自动化及二次方面的设计研究。

Network Design of Process Layer for UHV Substation

ZHANG Zhi-peng， GUO chao-yun， ZHU Ping
（Hebei Electric Power Design & Research Institute， Shijiazhuang 050031， China）

Abstract:This article discusses the process layer network scheme and switch configuration scheme in 500kV and 750kV Smart Substation. Analyses the characteristic and design requirements in UHV Substation， put forward two design principles of process layer network in UHV Substation， the principles are high reliability principle and technology unity principle. Based on the two design principles， put forwards four design schemes of 1000kV process layer network， the recommended scheme is that SV and GOOSE should set up the network together， each one of double protections should set up independent dual network. Analyses the application layer treatment scheme and the link layer treatment scheme for redundant information， put forwards that 1000kV process layer network can use the application layer treatment scheme based on the FPGA， and 1000kV process layer network also can use the link layer treatment scheme based on the PRP.

Key words:UHV substation； smart substation；process layer network； redundancy scheme； PRP.