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

(2)GOOSE數據流量

GOOSE工程中實(shí)際最大報文長(cháng)度為6016bit，按照GOOSE的發(fā)送機制，一個(gè)智能設備變位時(shí)的最大數據流量為0.03Mbit/s。

(3)MMS數據流量

發(fā)生故障時(shí)是MMS數據流量最大的情況，包含遙測及遙信量，經(jīng)過(guò)理論計算值為0.012Mbit/s。

(4)網(wǎng)絡(luò )記錄分析儀及故障錄波系統

網(wǎng)絡(luò )記錄分析儀及故障錄波系統自網(wǎng)絡(luò )流出流量為SMV、GOOSE信息，數據流量較大，但對于網(wǎng)絡(luò )流量分析需要的流入流量?jì)H為MMS信息，理論計算值為0.012Mbit/s。

(5)公用設備數據流量

母線(xiàn)保護、公用測控裝置和一體化電源系統等流入交換機的數據主要包含GOOSE、MMS信息，上述設備的數據流量分別按照GOOSE、MMS的理論計算值核算。

(6)流量計算

最?lèi)毫忧闆r下(如220kV母線(xiàn)保護動(dòng)作切除220kV所有斷路器)，全站數據流量統計如表1、表2所示。

雙星形情況下A、B網(wǎng)冗余配置，B網(wǎng)主干交換機數據流量相當于A(yíng)網(wǎng)主干交換機數據流量。

環(huán)形網(wǎng)絡(luò )最大流量考慮當某一通道發(fā)生故障時(shí)，某一交換機發(fā)送信息到最遠交換機的數據流量。

智能變電站網(wǎng)絡(luò )的性能分析

本節結合上節得出的流量結果，分別針對星形網(wǎng)絡(luò )和環(huán)形網(wǎng)絡(luò )作出了性能分析。

本站使用兩層一網(wǎng)的拓撲結構，使網(wǎng)絡(luò )具備眾多優(yōu)點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò )簡(jiǎn)單，易于布線(xiàn);擴展容易，不會(huì )引起網(wǎng)絡(luò )中斷;便于維護，任何一個(gè)間隔故障，僅需對交換機相關(guān)部分進(jìn)行隔離，無(wú)需更換交換機;交換機數量少，投資少;任何網(wǎng)絡(luò )通道故障，可以實(shí)現快速自愈，保證系統的穩定性。

網(wǎng)絡(luò )性能、功能主要體現在以下幾個(gè)方面。

(1)響應能力分析

測量數據、保護信號和控制命令等都要求實(shí)時(shí)傳送。特別是出現故障時(shí)要求信息能在站內通信網(wǎng)絡(luò )上快速傳送，保證嚴格的時(shí)限要求。

實(shí)時(shí)性要求有以下3個(gè)方面：①傳輸速度快。指單位時(shí)間內傳輸的信息多。②響應時(shí)間短。指事件發(fā)生時(shí)，傳輸到網(wǎng)絡(luò )上及執行器接收到該信息馬上執行所需的時(shí)間。響應時(shí)間由執行器控制中斷的能力、信息在通信協(xié)議的應用層與物理層之間的傳輸時(shí)間、等待網(wǎng)絡(luò )空閑的時(shí)間和避免信息在網(wǎng)絡(luò )上碰撞的時(shí)間4個(gè)方面的因素決定，這個(gè)時(shí)間對大多數通信協(xié)議是一個(gè)隨機數。③巡回時(shí)間短。指系統與所有通信對象都至少完成一次通信所需要的時(shí)間。

由于本站設備較少，星形和環(huán)形網(wǎng)絡(luò )均能滿(mǎn)足相應能力的要求。

(2)網(wǎng)絡(luò )延時(shí)分析

網(wǎng)絡(luò )延時(shí)定義為一幀報文從發(fā)送者到接收者的網(wǎng)絡(luò )傳輸花費的全部時(shí)間。網(wǎng)絡(luò )延時(shí)由以下4部分組成：①幀發(fā)送延時(shí)(Transmit Lantency，T0)。②交換延時(shí)(SaveForward，T1)。③線(xiàn)路傳輸延時(shí)(Wire Latency，T2)。④幀排隊延時(shí)(Queue Latency，T3)。

以上4種延時(shí)中，前3種延時(shí)由網(wǎng)絡(luò )本身的硬件和軟件決定，只有排隊延時(shí)具有不確定性。要分析以太網(wǎng)延時(shí)，就必須分析出影響排隊延時(shí)的因素，通過(guò)減小排隊延時(shí)將有利于提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統的實(shí)時(shí)性能。影響以太網(wǎng)通信延時(shí)的主要因素是節點(diǎn)數目和通信速率，也就是說(shuō)網(wǎng)絡(luò )負荷是造成通信延時(shí)的主要原因。

在電力系統中，站點(diǎn)之間傳輸的主要是短信息幀。當節點(diǎn)數目較少時(shí)，通信延時(shí)很小，隨著(zhù)節點(diǎn)數目的增加，延時(shí)也隨之增大;同時(shí)，在數據吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著(zhù)網(wǎng)絡(luò )負荷的減輕和網(wǎng)絡(luò )延時(shí)的減小，從而改善以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性能。

根據上節統計的數據流量，計算出兩種結構的網(wǎng)絡(luò )延時(shí)情況如表3所示。

計算表明，雙星形網(wǎng)絡(luò )在網(wǎng)絡(luò )延時(shí)方面較環(huán)形網(wǎng)絡(luò )有一定優(yōu)勢，但兩者都能滿(mǎn)足智能變電站系統層網(wǎng)絡(luò )的要求。

(3)可靠性分析

網(wǎng)絡(luò )可靠性表示網(wǎng)絡(luò )連續無(wú)故障工作的能力，其判斷依據是網(wǎng)絡(luò )的任意兩節點(diǎn)之間至少存在一條可通信的鏈路。經(jīng)分析可得，環(huán)形網(wǎng)絡(luò )和雙星形網(wǎng)絡(luò )均能滿(mǎn)足變電站可靠性要求。

經(jīng)濟技術(shù)比較

3種方案的經(jīng)濟技術(shù)比較如表4所示。

經(jīng)比較可以看出，3種方案均能滿(mǎn)足智能變電站的需求，而兩層一網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò )的經(jīng)濟性大大超出其他兩種方案，因此智能變電站推薦選擇兩層一網(wǎng)環(huán)網(wǎng)的組網(wǎng)方式。

智能交換機配置方案

220kV智能變電站以太網(wǎng)交換機要求具備以下功能：可靠性符合IEC61850-3標準;支持多環(huán)組網(wǎng)方案;Zero-Packet-Loss零丟包技術(shù);滿(mǎn)足C3級(-40～120℃)寬溫度范圍;滿(mǎn)足IEC61000-6-5標準的抗電磁干擾能力;支持802.1QVLAN;支持802.1p優(yōu)先級排隊協(xié)議;支持GMRP組播技術(shù);支持IEEE61588對時(shí)方式;每臺交換機按16端口配置。

系統層網(wǎng)絡(luò )采用環(huán)形配置方式，共2臺公用交換機，其余交換機按電壓等級配置。220kV每

2個(gè)間隔配置1臺以太網(wǎng)交換機，共配置3臺;66kV每段母線(xiàn)配置1臺以太網(wǎng)交換機，共配置2臺;每臺主變壓器配置1臺以太網(wǎng)交換機，共配置2臺。全站共配置9臺以太網(wǎng)交換機。

繼電器室內網(wǎng)絡(luò )通信介質(zhì)采用以太網(wǎng)線(xiàn);通向戶(hù)外的通信介質(zhì)采用光纜;采樣值和保護GOOSE等可靠性要求較高的信息傳輸采用光纖。

結束語(yǔ)

220kV智能變電站整站建立在IEC61850通信技術(shù)規范基礎上，按分層分布式來(lái)實(shí)現智能變電站內智能電氣設備間的信息共享和互操作性。本站按兩層設備一層網(wǎng)絡(luò )構建，兩層為系統層和設備層，一層網(wǎng)絡(luò )為系統層網(wǎng)絡(luò )。