220kV智能變電站網(wǎng)絡(luò )結構及交換機配置優(yōu)化方案研究

圍繞智能變電站自動(dòng)化設計方案，分析智能變電站網(wǎng)絡(luò )結構及以太網(wǎng)交換機的先進(jìn)技術(shù)，結合工程實(shí)際提出采 用數字化系統網(wǎng)絡(luò )的措施和方案及以太網(wǎng)交換機配置優(yōu)化方案。

近年來(lái)基于IEC61850標準的智能變電站建設越來(lái)越多，多數220kV的智能變電站配置站控層、間隔層和過(guò)程層3層結構。隨著(zhù)對IEC61850標準研究和應用的深入以及國內各廠(chǎng)商基于IEC61850標準產(chǎn)品的豐富，特別是智能一次設備中更多的整合二次設備的功能，利用先進(jìn)的以太網(wǎng)交換機信息傳播技術(shù)，使間隔層與過(guò)程層合并在技術(shù)上成為可能。

本文描述的智能變電站含2個(gè)電壓等級220/66kV，2臺主變壓器，4回220kV出線(xiàn)，10回66kV出線(xiàn)，220kV配電裝置采用雙母線(xiàn)接線(xiàn)，66kV采用單母線(xiàn)分段接線(xiàn)。通過(guò)經(jīng)濟技術(shù)比較，提出了220kV智能變電站兩層設備一層網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )結構體系，并對組網(wǎng)交換機進(jìn)行優(yōu)化配置。

智能變電站設備的整合優(yōu)化

1)智能化的一次設備。一次設備被檢測的信號回路和被控制的操作驅動(dòng)回路采用微處理器和光電技術(shù)設計，變電站二次回路中常規的繼電器及其邏輯回路被可編程序控制器代替，常規的強電模擬信號和控制電纜被光電數字和光纖代替。

220kV智能變電站220kV配電裝置集成智能接口裝置，包括合并單元和智能終端，智能接口裝置對外接口均為光纖以太網(wǎng)口，實(shí)現了一次設備對二次的智能接入。

2)網(wǎng)絡(luò )化的二次設備。變電站內常規的二次設備，如繼電保護裝置、測量控制裝置、防誤閉鎖裝置、遠動(dòng)裝置、故障錄波裝置、同期操作裝置以及在線(xiàn)狀態(tài)檢測裝置等全部基于標準化、模塊化的微處理機設計制造，設備之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡(luò )通信，二次設備不再出現功能裝置重復的I/O現場(chǎng)接口，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )真正實(shí)現數據共享、資源共享，常規的功能裝置變成了邏輯的功能模塊。

3)數字化的計量設備。有數字接口的計量裝置不再需要模擬量采集回路。模擬量是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )獲取電流、電壓的瞬時(shí)采樣值，通過(guò)采取適當的算法進(jìn)行電能的計算。因此全數字化的計量裝置可以集成到保護測控裝置中，即可實(shí)現保護、測量、控制和計量一體化。

網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化與整合

智能化一次設備和網(wǎng)絡(luò )化二次設備的使用，使通常三層兩網(wǎng)的智能變電站網(wǎng)絡(luò )結構得以?xún)?yōu)化整合。

相對于以往的智能變電站，本站采用兩層設備一層網(wǎng)絡(luò )，具備以下特點(diǎn)。

1)設備層內部的信息交換，如測量保護裝置與合并單元之間采用直接采樣的方式，與智能終端之間直接交互GOOSE信息。以上信息傳輸均不經(jīng)過(guò)系統層網(wǎng)絡(luò )，在系統層及系統層網(wǎng)絡(luò )失效的情況下，仍能獨立完成設備的信息采集、設備運行的控制和保護命令的執行等。而且所有雙重化配置保護均采用直采直跳，采樣值信息與GOOSE信息的傳輸通道在物理上完全獨立，不存在共網(wǎng)傳輸的可能，當一個(gè)通道/設備異?；蛲顺鲞\行時(shí)不影響另一通道/設備的運行，完全滿(mǎn)足智能變電站繼電保護技術(shù)規范的要求。

2)設備層之間的信息交換，主要為跨間隔的跳閘及設備層各設備之間的聯(lián)閉鎖。220kV母線(xiàn)保護采用直接采樣直接跳閘的方式，信息傳輸不需要經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò )，母線(xiàn)保護所需開(kāi)入量(失靈啟動(dòng)、刀開(kāi)關(guān)位置觸點(diǎn)、母聯(lián)斷路器過(guò)電流保護啟動(dòng)失靈和主變壓器保護動(dòng)作解除電壓閉鎖等)采用GOOSE網(wǎng)絡(luò )傳輸;66kV母線(xiàn)保護采用直接采樣直接跳閘的方式。主變壓器保護直接采樣、直接跳閘各側斷路器;主變壓器保護跳母聯(lián)、分段斷路器采用GOOSE網(wǎng)絡(luò )傳輸。設備之間的聯(lián)閉鎖通過(guò)GOOSE網(wǎng)絡(luò )實(shí)現，此類(lèi)信息占用網(wǎng)絡(luò )流量較少，且僅在正常操作引起設備變位時(shí)有信息交換。以上所有GOOSE信息均可以通過(guò)IEEE802.1p優(yōu)先級排隊協(xié)議設置較高的優(yōu)先級等級，保證信息傳輸的實(shí)時(shí)性;同時(shí)可以通過(guò)GMRP組播技術(shù)保證數據的定向分流，如主變壓器保護跳母聯(lián)斷路器的GOOSE報文僅發(fā)至母聯(lián)間隔而不發(fā)到其他間隔，如圖1所示。

3)設備層與系統層之間的信息交換，本站計算機監控系統主機(含保護信息管理子站、一次在線(xiàn)監測主機等功能)、遠動(dòng)主機、二次設備在線(xiàn)監測及故障錄波系統主機直接接入系統層網(wǎng)絡(luò )。其中二次設備在線(xiàn)監測及故障錄波系統需采集采樣值信息及各種GOOSE信息，網(wǎng)絡(luò )流量較大。本站采用多端口鏡像技術(shù)，二次設備在線(xiàn)監測及故障錄波系統直接與各交換機通過(guò)光纖以太網(wǎng)相連，避免了大流量數據在系統層內部傳輸。其余各保護測控計量一體化裝置上傳信息、在線(xiàn)監測主IED、一體化電源系統等上傳信息均為MMS信息，數據量小，且可通過(guò)GMRP技術(shù)實(shí)現信息的定向傳輸;本站由站域控制實(shí)現低周減載功能，通過(guò)GOOSE網(wǎng)絡(luò )切除66kV負荷線(xiàn)路，此類(lèi)信息通過(guò)交換機設置IEEE802.1p優(yōu)先級排隊協(xié)議，保證跳閘信息的實(shí)時(shí)性傳輸。

4)系統層內部的信息交換。此類(lèi)信息主要為MMS信息及GOOSE信息，網(wǎng)絡(luò )流量較少且對實(shí)時(shí)性要求不高。

5)全站的網(wǎng)絡(luò )交換機均支持IEC61588協(xié)議，邊界時(shí)鐘的同步性能也不會(huì )受到網(wǎng)絡(luò )負載影響。

基于以上分析，220kV智能變電站將過(guò)程層設備和間隔層設備整合為設備層設備，設備層設備與系統層設備之間為系統層網(wǎng)絡(luò );形成兩層一網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )結構。系統層MMS網(wǎng)絡(luò )、采樣值網(wǎng)絡(luò )和GOOSE網(wǎng)絡(luò )與61588對時(shí)網(wǎng)絡(luò )共網(wǎng)傳輸。兩層設備及邏輯接口的邏輯關(guān)系如圖2所示。

智能變電站網(wǎng)絡(luò )的流量分析

為避免交換機流入流量超負荷，使網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)生阻塞，依據全站交換機的配置原則，本節對智能變電站網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行流量分析，分別針對星形網(wǎng)絡(luò )和環(huán)形網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行流量理論計算，得到如下結論。

(1)SMV數據流量

IEC61850-9-2工程中實(shí)際最大報文長(cháng)度單間隔SMV理論計算流量，按照每幀1點(diǎn)(12個(gè)模擬量通道)計算，一個(gè)合并單元的數據流量為5.088Mbit/s。