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摘要：介紹了數字化變電站監控系統及網絡通信技術，分析了站控層、過程層通信網絡的結構類型和組網方式，為后續數字化變電站監控系統通信網絡方案的設計與選擇提供參考。
關鍵詞：數字化變電站；監控系統；通信技術；網絡構架
0引言
通信、計算機和自動控制等技術的進步，促進了智能電網的建設和全球能源互聯的發展。數字化變電站作為智能電網的基礎單元，擔負著電壓轉換、功率輸送和新能源接入的重任。經過近10年的發展，我國數字化變電站取得了重大突破，但在通信技術和網絡配置方面仍存在諸多不足，尤其是不定期的網絡“死數”、“通信中斷”、“丟包”等通信故障的發生，使得數字化變電站監控系統運行可靠性急速降低，嚴重影響了電網的安全運行。隨著智能電網建設的深入，對數字化變電站監控系統的要求越來越高。監控系統不僅要保障變電站的正常運行，還要滿足變電站系統與外部系統的數字化信息交互需求。基于此，本文對數字化變電站監控系統通信方式和網絡構架的優缺點進行分析和探討，并提出適用于不同電壓等級數字化變電站的監控系統通信網絡推薦方案，為數字化變電站監控系統的通信網絡設計和系統配置提供技術支持。
1數字化變電站監控系統介紹
隨著智能電網的發展，需要變電站提供的實時數據和信息越來越多，對變電站無人值班、信息交互、數據共享等數字化和智能化的要求越來越高。數字化變電站監控系統是變電站實現數字化、信息化和智能化的重要技術手段，是變電站發展的趨勢。與傳統變電站監控系統相比，其功能、作用和地位發生了明顯變化，最顯著的特點是數據采集與傳輸過程的數字化、通信系統的網絡化及監控信息與數據的共享化。數字化變電站監控系統按照系統構架和功能組成可分為站控層、間隔層、過程層和網絡層。站控層由操作員站、五防系統、遠動通信系統等組成，主要實現站內設備監控與接受調度管控；間隔層由測控、保護、測量、故障錄波等設備組成，主要完成站內一、二次設備的自動化控制和電氣量安全保護；過程層由電子式互感器、合并單元、智能終端和一次智能設備組成，主要實現數字化信息的采集與交互。通信網絡分為站－間層網絡與間－過層網絡：站－間層網絡由站控交換機與間隔層測控、保護裝置等網絡接口組成，主要實現整個變電站監控系統的生產信息和運行數據的實時傳送；間－過層網絡由過程層交換機與就地合并單元、智能終端設備組成，主要完成GOOSE和SV信號的傳輸。
2站控層通信網絡結構分析
通信技術是數字化變電站監控系統的重要技術支撐，其通信構架和網絡方式的合理性決定了監控系統數據采集和傳輸的實時性和可靠性，因而需要對數字化變電站通信技術進行分析，根據變電站的不同運行要求選擇合適的通信方案。目前，數字化變電站通信系統的典型網絡主要有星型、環型和總線型網絡結構。
2．1星型網絡
星型網絡結構主要以交換機N為數據交換中心，交換機N與其它交換機進行直連，交換機1與交換機（N－1）之間相互獨立運行并與間隔層對應的測控、保護裝置進行通信。本文以過程層某合并單元發送的信息量64B，交換機端口傳輸速率100Mbit／s，交換機自身延時時間6μs為例，計算數字化變電站星型網絡結構的最大延時。通信系統內部的信息傳輸時間TCS＝64B×8bit×（1／100Mbit／s）＝5．12μs。由于星型網絡結構的數字化變電站一次設備運行數據從過程層傳輸至站控層，至少經過3個交換機，因此傳輸最大延時TYS＝（TCS＋TIn）×3＝（5．12＋6）×3＝33．36μs。星型網絡結構的信息傳輸時間和傳輸延時相對固定，傳輸速率較快。星型網絡結構的優點是系統構架簡單、易擴展、接線較少和數據傳輸速率快等，除交換機N以外的任何交換機故障或異常均不會影響其它交換機和整個通信系統的運行，從系統構架上杜絕了網絡風暴的傳輸風險；但缺點是安全可靠性不高，一旦交換機N故障就將導致整個通信系統癱瘓，影響整個變電站的正常運行。同時，星型網絡結構需配置大量的交換機，會增加整個通信系統的成本。
2．2環型網絡
環型網絡結構是將交換機1～N組成封閉的環網，間隔層測控、保護裝置可任意接入環網中的任一交換機，環網中的數據可沿著環網順時針方向進行數據傳輸。若其中某臺交換機節點故障或異常，網絡系統便通過另一端口進行結構重組，形成兩路傳輸通道，從而保證非故障交換機節點的可靠運行，因而具有較強的可靠性。通常環型網絡的數字化變電站一次設備運行數據從過程層傳輸至站控層，至少經過5臺以上交換機，因此數據傳輸最小延時TYS＝（TCS＋TIn）×5＝（5．12＋6）×5＝55．6μs。環型網絡結構的優點是可靠性高、交換機數量少和布線簡單等；但缺點是傳輸數據經過的交換機較多，導致延時較長、傳輸速率較慢，且網絡結構較復雜，后續網絡節點接入較困難，不易擴展。同時，環型網絡結構對交換機的功能配置要求較高，環網內的所有交換機必須是管理性交換機，因而增加了通信系統網絡設備的投資成本。
2．3總線型網絡
總線型網絡結構是數字化變電站中應用最多的通信方式，其原理較簡單，所有運行交換機之間通過端口進行并連。圖3中，交換機1～N通過端口互連，形成一條總線，并連后所有交換機可視為一臺交換機。總線上的交換機按廣播方式通信，任何一臺交換機發出的信息，總線上的其它交換機均能接收。通常，總線型網絡結構的數字化變電站一次設備運行數據從過程層傳輸至站控層，至少經過2臺以上交換機，因此數據傳輸最小延時。總線型網絡結構的優點是結構簡單、布線方便、成本低、易維護；但缺點是冗余性差、信息安全能力薄弱，一旦總線上某個交換機節點故障，就將影響與之關聯的通信區域。通常，總線型網絡結構需要增加第2條總線，形成通信冗余網絡，保證通信可靠性。
3間隔層網絡通信技術分析
3．1間隔層
SV、GOOSE通信現狀當前，我國35kV以上電壓等級數字化變電站過程層通信組網方式分為兩種：一種是GOOSE網與SV網獨立網絡配置；另一種是GOOSE網與SV混合組網。SV報文主要負責傳輸合并單元所采集的遙測信息，傳輸信息量較大，對通信傳輸的可靠性要求較高。GOOSE報文則負責完成測控、保護裝置與智能終端之間的遙信、遙控信息的發送和接收，對通信傳輸速率和實時性的要求較高。數字化變電站中所有遙信、遙控及遙測信息均以SV、GOOSE報文形式進行傳輸。若間隔層網絡配置或通信方式選擇不當，則極易造成網絡丟包或網絡風暴現象發生，會對數字化變電站監控系統的安全運行造成極大影響。
3．2間隔層
SV、GOOSE混合組網方式間隔層SV、GOOSE混合組網的優點是組網方便、投資成本較低，但易受網絡交換機吞吐率和傳輸延時的影響。通常220kV及以上電壓等級數字化變電站過程層網絡交換機的速率限值為100Mb／s，正常情況下GOOSE報文的傳輸速率小于4Mb／s，SV報文的傳輸速率小于8Mb／s，遠遠小于網絡層交換機100Mb／s傳輸速率限制。然而，一旦間隔層交換機發生網絡風暴，網絡風暴就會占用交換機99Mb／s以上的傳輸速率。若GOOSE與SV混合組網，SV發生網絡風暴則會造成GOOSE網丟包現象；同理，GOOSE網發生網絡風暴不僅影響SV報文的傳輸速率，還會對間隔層測控、保護裝置的控制與保護功能造成影響。另外，GOOSE、SV混合組網時交換機需傳輸的信息量大，且傳輸速率快，會導致間隔層主交換機發生過熱現象，影響交換機的使用壽命和監控系統的安全性。
3．3間隔層
SV、GOOSE獨立組網方式間隔層SV、GOOSE獨立組網的目的是減少SV與GOOSE報文傳輸過程中的相互影響，保證間隔層數據傳輸的實時性和可靠性，但缺點是SV、GOOSE網需單獨配置交換機和網絡，使得投資成本較高、維護工作量大。由于SV網與GOOSE網相互獨立，因此抗網絡風暴的能力比混合組網方式強。當SV網或GOOSE網交換機發生網絡風暴時，SV報文、GOOSE報文信息仍能正常傳輸，保障了間隔層網絡信息傳輸的實時性與可靠性。
4結語
通過對數字化變電站站控層采用的星型、環型和總線型網絡結構的優缺點分析，可看出總線型網絡結構的可靠性差、信息安全能力不足及傳輸速率較慢，只適用于110kV及以下電壓等級數字化變電站監控系統，而220kV及以上電壓等級數字化變電站監控系統對站控層網絡傳輸的實時性和傳輸速率要求較高，適宜采用雙環網或雙星型網絡，同時網絡風暴對間隔層通信網絡的危害較大，在間隔層網絡設計之初就應綜合考慮數字化變電站的投資成本、傳輸速率及安全可靠性?；?5kV數字化變電站間隔層數據量較小、傳輸速率的要求不高，可采用SV、GOOSE混合組網方式，但對于110kV及以上電壓等級數字化變電站間隔層網絡則需單獨設置SV網與GOOSE網，以降低網絡風暴帶來的危害，保證過程層SV、GOOSE報文信息傳輸速率和實時性。
參考文獻
［1］高翔．數字化變電站應用技術［M］．北京：中國電力出版社，2008．
［2］黃天嘯，劉平，辛光明，等．智能變電站過程層網絡風暴的分析與處理［J］．中國電力，2014，47（11）：112－115.
作者:馬恩寧 單位:云南電網有限責任公司大理供電局
