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智能变电站过程层组网方案分析
樊 陈,倪益民,窦仁辉,沈 健,高春雷,黄国方
()国电南瑞科技股份有限公司,江苏省南京市210061
摘要:智能变电站是智能电网建设的重要环节,过程层网络则是智能变电站的重要基础,直接关系
到全站数据采集和开关控制的可靠性和实时性。总结分析了智能变电站建设过程层设备所涉及的网络报文,针对数据采样和通用面向对象变电站事件(通信的不同组合方式所形成的网络GOOSE)方案进行了对比分析,讨论了采用IEEE1588标准对时的三网合一组网方案和混合模式组网方 案,针对5最后介绍了虚拟网络划分所涉及的00kV等级变电站过程层组网方式进行了实例讨论,虚拟局域网(和组播注册协议(技术。VLAN)GMRP)关键词:智能变电站;IEC61850;过程层;IEEE1588;VLAN;GMRP
0 引言
中国的智能电网建设包含发电、输电、变电、配电、用电和调度6个环节,变电站是其中的重要节点之一。早期国内基于IEC61850标准建设的变电站 统称为数字化变电站,智能电网建设为变电站的发展提出了新的要求,这些新要求和新功能与数字化变电站相融合,产生了智能变电站的概念。所谓智能变电站,就是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的
以全站信息数字化、通信平台网络化、信智能设备,
息共享标准化为基本要求,自动完成信息采集、测
量、控制、保护、计量和监测等基本功能,并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决
1]
。策、协同互动等高级功能的变电站[建设好安全可靠的智能变电站对智能电网的发
展至关重要。国家电网公司为指导其建设专门制定,了《智能变电站技术导则》该规范于2009年12月
正式颁布实施。过程层作为智能变电站3层结构的最底层,涉及变电站一次设备的数据传输和设备的实时控制,如数据采集和保护跳闸等,过程层网络结构设计的合理性在很大程度上决定了变电站全站运行的稳定性和可靠性,意义重大。本文重点就是对过程层网络的构建方案进行讨论。
作箱(智能开关)等典型设备。对此,典型的报文主
要有多播采样值(报文和通用面向对象变电MSV)站事件(跳闸报文2类,个别采用IGOOSE)EEE
[]
EEE1588标准1588标准2对时的变电站还存在I
对时网络。
智能变电站的采样报文主要依据IEC600447 -[][][]
标准3、以IEC600448标准4、IEC61850915( - --[]
)、下简称“以下简91标准”IEC6185092标准6(- --)。早期建设的数字化变电站以采用称“92标准”-但此标准目前已经被I因91标准居多,EC废除,-此,92标准成为今后采样数据组网的唯一报文格-式。9便捷的方式能够满足2标准的报文以灵活、-工程的要求,已经得到推广,但对设备整体性能要求较高,早期实现对设备来说还有难度,但随着产品的升级完善,当前二次设备厂家的产品都能够支持9-2标准。而IEC600447和IEC600448标准目前 - -也仍然被保留使用,主要是为了满足《智能变电站继
[7]
电保护技术规范》中保护装置“直采直连”的要求,合并单元以直连的方式采用IEC600447和IEC -600448标准的格式给保护装置传输采样数据。-智能变电站的跳闸网络主要是指GOOSE网,其实现原理和方式与当前数字化变电站完全相同,仅保护跳闸按照《智能变电站继电保护技术规范》的要求采用直跳的方式,即网络直连。
针对采用I过程层EEE1588标准对时的网络, 组网还涉及IEEE1588标准对时网络。该网络无 须单独组建,仅需要依附在MSV网或GOOSE跳闸网上即可;无须增加额外的电气连接,但支持对时的网络主时钟需单独提供,而且交换机也必须支持IEEE1588标准对时功能。
1 智能变电站过程层网络通信报文
智能变电站过程层设备在一定程度上与数字化、变电站相同,主要涉及电子式电压互感器(EVT)、电子式电流电压互感器(合并单元、智能操ECVT)
;修回日期:。收稿日期:2011030320110622----)。国家电网公司科技项目(SG11002,SG11004
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2 智能变电站过程层网络拓扑
过程层组网网络拓扑与间隔层网络拓扑结构相
同,可分为星形网络、环形网络、总线形网络3种主要方式。总线形网络可靠性最低,网络延迟大,造价最低;星形网络可靠性较低,网络延迟最小,造价适中;环形网络可靠性较高,网络延迟较大,但造价也
8]
。从以前国内数字化变电站工程的建设情况最高[
大多数变电站在组网时选择了星形结构,以实来看,
现性能和造价的最优化。目前在高电压等级的变电站中,也多采用星形网络。
3.2 MSV直连和GOOSE组网
此方式MS但通过网络方式跳V采用点对点,闸,与跳闸点对点相比,在一定程度上实现了数据传输的网络化,并具有较高的自动化程度。其结构示意图如图2所示。
3 智能变电站过程层网络结构
智能变电站过程层通信涉及数字化采样,即电子式互感器和合并单元的使用,同时也涉及
即智能操作箱或智能开关的使GOOSE网的实现,
用。从一定程度上看,过程层网络涉及全站的数据
对全站的稳定运行起着重要作用。源和开关的控制,
因此,有必要对其组网方式进行详细讨论,并挑选最
最经济的组网方式来保证现场安全稳定安全可靠、
运行。当前涉及的组网方式主要有以下几种。3.1 MSV直连和GOOSE直连
此方式的实现与传统变电站的电缆连接方式极为类似,区别是当前的直连(也称点对点)全部更换
即MS成光缆连接,V点对点与跳闸点对点类似设
备直连,不经过网络交换机的方式。MSV和
其结构示意GOOSE的实现原理及方式保持不变,
图如图1所示。
图2 MSV直连和GOOSE组网结构Fi.2 StructureofGOOSEnetworkandMSV g
directconnectwith
采用此方式实现MS仍然无法实现V点对点,
采样的数据共享,但过程层网络跳闸有利于节省光缆连接,实现GOO这符合ISE网跳闸,EC61850标
也符合智能开关设备接准对GOOSE的使用要求,收GOOSE网跳闸命令的趋势。今后若开关设备进
这行智能化升级改造,GOOSE网能满足这一要求,正体现了IEC61850标准通用性和可扩展性的特
点。此方式在早期数字化变电站建设中已有工程应用经验,尤以220kV等级变电站居多。以浙江外
就是过程层开关跳闸全陈变220kV变电站为例,部通过GOO在网络SE网来实现。工程实践证明,
重负载情况下GOOSE跳闸命令也能够实时传送,完全满足工程应用的要求。
3.3 MSV组网和GOOSE直连
此方式仅涉及MS有利于MSV网的实现,V网的数据共享。其结构示意图如图3所示。
图1 MSV直连和GOOSE直连结构
Fi.1 StructureofGOOSEandMSVwithdirectconnect g
此方式虽然能够保证数据传输的可靠性,但是
直连需要智能电子设备采样值数据无法实现共享,
(同时提供多个网络电接口或光接口,增加了IED)
而且设备发热量大,光缆用量也较大。设备的成本,
若合并单元或智能操作箱彻底下放到一次设备,此方式还可采用;但若进行集中配置,例如典型的组屏配置,则无形中增加了光缆的连接数量,此方式就不适合。目前此方式在智能变电站试点工程中已有应
如江苏2用,20kV西泾变中,220kV电压等级就采用了如此连接方式。—68—图3 MSV组网和GOOSE直连结构
Fi.3 StructureofMSVnetworkand g
GOOSEdirectconnect
此方式主要出现在早期数字化变电站建设阶段,由于GOOSE网跳闸的性能和可靠性还未得到
广泛推广,初期数字化的实现就着重于电子式互感器的应用,因而多关注于MSV数据网的构建。在当前智能变电站建设阶段,此方式大多会应用于传
·智能变电站专题· 樊 陈,等 智能变电站过程层组网方案分析
统变电站的升级改造。
3.4 MSV组网和GOOSE组网
此方式完全符合IEC61850标准对过程层网络
通信的要求。其结构示意图如图4所示。
需 采用此方式对网络及其交换机的要求更高,
并且对过程层设要支持IEEE1588标准对时功能,
备也提出了更高的要求,装置的网络芯片不仅需要支持I还需要具有更高的EEE1588标准对时功能, 处理能力,此方式下百兆网络已显得有些不足,千兆网络是此方式的最佳途径。但如此会涉及所有过程层设备的升级和换代,不仅在技术上需要进行有效而且会增加设备投资,从而导致全站建设成本升级,的提高;另外,支持IEEE1588标准对时的交换机 也需进行开发,当前满足此类要求的交换机仅有几
而且都是新产品,价格昂贵,稳定性和可靠性还款,
图4 MSV组网和GOOSE组网结构
Fi.4 StructureofGOOSEandMSVnetwork g
需工程验证,目前在一些试点站中发现主钟的对时
报文经过交换机后会有上百毫秒的修正延时,远超过规定的要求,而且出现的频率较高,因此,交换机总体性能仍需进一步提高。
总体上看,IEEE1588标准对时是一个系统化 的工作,需要I网络交换机和变电站主时钟的支ED、持以及合理的网络拓扑结构等,只有各个环节都支持且相互有效配合,其小于1μs的对时精度要求才能达到。当前浙江大侣1辽宁朝阳10kV变电站、马山220kV变电站、110kV金南变电站等都采用此方式,作为技术性的尝试和探索已经积累了一定的工程经验。但此方式需对网络进行划分,工作量虽然较为先进,但总体运行的稳定性和可靠性较大,
还有待进一步检验,建议待技术成熟和积累丰富运行维护经验后再推广应用。
3.6 混合组网
混合组网方式是结合上述几种方式、根据实际工程的运用灵活进行调整的一种组网方式。在此介绍一种保护采样和跳闸点对点,其余通过组网方式实现。其结构示意图如图6所示。
此方式中,过程层MSV组网能够实现全站数据的共享,跳闸GOOSE组网也能够实现网络跳闸,因此,符合变电站自动化发展方向,也满足智能变电站组网的要求。但此方式的网络结构较为复杂,所需要的交换机数量较大,尤其是双重化冗余配置的方式需求量会翻倍,投资巨大,全站二次设备大部分投资都花在购置交换机上,因为当前同时满足电磁兼容要求和IEC61850标准要求的交换机型号不 多,同时,采样和GOOSE网对网络的稳定性和可靠这就对交换机的性能提出了较高的要性要求更高,求,而满足这一要求的产品价格都很昂贵,因此,当前采用此方式的变电站投资都相当大。目前数字化变电站已有较多此类工程实例,有一定的工程经验。采用此方式的设备数据同步大多采用IRIG-B码对时。
3.5 MSV,GOOSE和IEEE1588标准对时共网
此方式和上述方式基本相同,仅对时方式有区
,别。考虑到I这EEE1588标准对时精度小于1μs 一对时精度能够满足变电站所有领域的要求;同时,
无需额外的线路连IEEE1588标准通过网络对时, 接,提高了全站设备对时的可靠性,也能节省投资。
为此,采用IEEE1588标准对时方式在变电站得到 了有效推广和应用。其结构示意图如图5所示。
图6 智能变电站保护设备组网结构
rotectionFi.6 Structureofnetworksof pg
insmartsubstation
图5 MSV,GOOSE和IEEE1588标准对时组网结构
Fi.5 StructureofnetworksofGOOSE, g
MSVandIEEE1588
此方式主要考虑保护装置安全可靠性的要求,
尽量避免因为网络故障而导致保护功能失效。此方智能变电站继电保护技术规范》中有明确的定式在《
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义,亦即:除了保护装置外,其余的测控、网络分析、
录波等设备仍然采用组网的方式实现。虽然如此,但此方式对过程层和间隔层设备仍然提出了较高的
合并单元、智能操作箱等都需要增加多个光接要求,
口以满足直连和组网的需求,目前设备光接口至少需要8个,母线保护、备自投保护等跨间隔的设备需针对此方式组网所需要的要的光接口更多。目前,
设备还处于升级改造或开发中,智能变电站第一批试点的一些变电站已经按照此方式进行设计建设,第一批试点工程中已有部分产品投入运行。//现以500kV等级变电站(500kV220kV
为例,除了保护装置的采样和GOO35kV)SE通过
光缆直接连接外,其他500kV和220kV电压等级设备的MS其V网和GOOSE网都可以单独组网,中MS由于V网和GOOSE网都可采用星形网络,
为避免相220kV及以上等级变电站保护双套冗余,
互影响,2套设备组网。当500kV母线采用/过程层交换机按串配置。32接线方式时,
对于3要根据现场情况5kV电压等级的间隔,
进行设计。若采用保护测控一体化设备并且下方有开关,可采用点对点方式进行组网;若采用保护测控一体化设备但组屏建设,则可以分别组建MSV网和GOOSE网或MSV,GOOSE和IEEE1588标准
)。但此方式投入较对时共网(也有称为“三网合一”大,对于35kV等级GOOSE网可采用站控层网络
进行传输。
全站对时方式可采用较为成熟的IRIG-B码对时,也可尝试在各电压等级的MSV网和GOOSE网中实现I只需通过网络与主EEE1588标准对时, 时钟连接即可,但要求设备和交换机都需支持IEEE1588标准。
总体看来,混合式组网方式既满足了国家电网公司相关标准和规范的需求,同时也在提高保护安全性和可靠性的基础上满足了全站信息数字化、标
将成为今后智能变电站建设准化和网络化的要求,的主要组网方式。
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4 过程层网络报文的过滤
过程层网络承担着全站数据采集以及设备状态
信息、二次设备保护、控制信号的传输工作,其性能的好坏直接影响到全站运行的稳定性和可靠性。为了有效降低交换机的负荷,提高网络的安全性,增加网络管理的灵活性,方便网络的维护、IED的调试和变电站的扩建,在过程层物理网络架构确定后需要进行报文过滤,即从大量的网络报文中接收需要的报文并摒弃不需要的报文。目前,过程层网络常用的报文过滤技术有V虚拟局域网)和基于通LAN(用属性注册协议(enericattributereistration gg,多播注册协议(以下rotocolGARP)GMRP)2种,p
对其进行技术比较分析。
4.1 VLAN的应用
对于MS为了V和GOOSE单独组网的方式,减少交换机各端口转发报文的数量,减少网络阻塞,提高报文传输的可靠性和实时性,需对组网设备进行VLAN的划分。对于采用MSV网、GOOSE网和I由于多种报文EEE1588标准对时共网的方式, 共存,更需要进行报文过滤,亦可避免主时钟接收其他非IEEE1588标准报文。
VLAN技术是目前数字化变电站中应用最广的报文过滤技术,因为它不涉及设备本身,只需对交
。但换机进行配置即可,具体原理可参考文献[9]是,该方式对交换机的配置较为繁琐,增加了现场施
工和维护的复杂性,一旦网络结构有调整就必须重新划分V工作量较大。为此,另一种较为灵LAN,活的网络协议GMRP得到了应用。4.2 GMRP的应用
用GMRP是基于GARP的一个多播注册协议,
于维护交换机中的多播注册信息,其原理可参考文]。献[1012-这种信息交换机制确保了同一交换网络内所有支持GMR特别P的设备维护的多播信息的一致性,适合智能变电站中基于订阅/发布机制的MSV92-采样值、GOOSE信息传输。与VLAN相比,仅需交换机GMRP不需要对交换机进行繁琐配置,支持GMR方便了变电站的改扩建,有效降P功能,低了运行维护的难度。
总体上看,VLAN的实现仅需在交换机上进行配置,不涉及设备本身的改进,实现相对容易,但是在网络结构变化或调整后,VLAN必须重新划分,使用和维护工作量较大。而GMRP虽涉及设备和交换机,但是其实现方式更加灵活,能够灵活地满足工程建设和维护的需要。
—70—·智能变电站专题· 樊 陈,等 智能变电站过程层组网方案分析
5 结语
智能变电站建设第一批试点工程已经全面展
开,第二批试点也已规划完毕,现已全面进行推广建设。过程层组网方案的选择对智能变电站的安全性、可靠性和经济性具有重要影响。本文对当前智能变电站建设的各种组网方案进行了对比分析,总结归纳了各方案的利弊。最后着重对混合组网方式,即按照《智能变电站继电保护技术规范》对保护设备过程层组网的要求,设计了全面的网络架构,并介绍了具体的工程实例,以便为今后智能变电站的建设尤其是过程层网络结构的设计提供参考。
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artsridrocessAbstract:Smartsubstationisthekeofsmartandthenetworkoflaerisanimortantfoundationforsmart pgpyyp substationwhichisrelatedtothereliabilitandrealtimeofdataacuisitionandswitchcontrol.Theteofrocesslaer - yqyppy
,Menericmessaewhichincludeobectorientedsubstationevent(GOOSE)SV(multilesamlevalue)andsnchronization ggjppyeneralized.TherocesswithnetworkareschemesoflaernetworkwithdifferentcombinationbetweenGOOSEandMSVare gpy
,discussed.ThemereschemeofGOOSE,MSVandsnchronizationwithIEEE1588isresearchedtheschemeofrocesslaer gypynetworkinasubstationof500kVisdiscussedasanexamle.Thevirtuallocalareanetwork(VLAN)andmulticast p
reistrationrotocol(GMRP)basedonGARPwhichareusedtodividethevirtualnetworkareroosed. gppp
ThisworkissuortedbStateGridCororationofChina(No.SG11002,No.SG11004). ppyp ;;rocessKewords:smartsubstationIEC61850;laerIEEE1588;VLAN;GMRP pyy
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