基于智能变电站的网络结构优化的研究分析

基于智能变电站的网络结构优化的研究分析

发表时间：2016-11-08T14:41:07.017Z 来源：《电力设备》2016年第17期作者：刘鹏

[导读] 智能变电站由一次设备和二次设备2个层面构成，其基本的组成单元和普通数字化变电站并没有本质区别。

（国网北京经济技术研究院北京 102209）

摘要：介绍了智能变电站的层级构成以及各个层级的特点，在此基础上，对当前智能变电站主要的网络结构形式进行了分析，最后以某智能变电站的网络结构改造和优化为例，阐述了网络结构优化后的具体形式以及网络流量优化时所采用的优化方法。

关键词：智能变电站；网络结构优化；流量优化

引言

智能变电站由一次设备和二次设备2个层面构成，其基本的组成单元和普通数字化变电站并没有本质区别。智能变电站的优势主要体现在一次设备的智能化控制以及利用网络化来组织二次设备上，加之一次设备与二次设备之间采用了高速网络通信，因此二者之间的联系得以加强。从智能变电站组成的层次结构来看，从一次设备（互感器、断路器）开始，往下是过程层设备（主要是户外柜组件和过程层交换机），其次是隔离层设备（如各类保护装置和测控装置），最后是由以太网MMS、监控系统和远控装置构成的站控层设备。而从智能变电站的发展趋势来看，有向系统层和设备层2层结构简化的趋势。但这种2层简化结构需要依赖于大量的计算机和网络控制技术，因此短时间内还难以实现。当前的智能变电站多数仍采用传统的3层结构形式，该种结构框架的过程层设备和间隔层设备是通过过程层的网络连接来实现的。网络连接在过程层中承担着智能变电站主要数据的通信任务，这些传输数据来自于变电站运行中的状态实时数据，以及变电站的模拟量采样信息、网络中传输的设备管理信息和事件警告信息等。因此，在研究智能变电站的网络结构优化时，主要是考虑网络中数据传输的优化。

1智能变电站网络结构形式分析

智能变电站自动化系统分为站控层、间隔层和过程层3个大层次，通信连接一般都是靠站控总线和过程总线完成。其中站控总线处理站控层与间隔层各控制设备之间的通信，而过程总线处理间隔层与过程层中各种智能一次设备的通信。

从逻辑上讲，在设计时，通常可依据需要将站控总线设置为独立于过程总线，或将站控总线与过程总线合并的形式。这2种不同的布线方式各有优缺点。如果将站控总线与过程总线合并，可能会因数据时效性属性不同（实时性、非实时性）、数据控制属性不同（控制性、非控制性）而导致数据间的互相影响，降低网络资源的利用效率和网络的安全性。但这种布线方式能够提高硬件资源的利用效率，在条件允许的情况下，可通过以太网的优先级排队技术或虚拟局域网技术来实现对各类重要等级不同的数据进行分析处理。不论是采用站控总线和过程总线合并的形式还是单独布设的形式，从网络结构上看，都可以分为5个基本的层级结构：层级1（站控单元、站运行支持单元、路由器、远程控制中心）、层级2（一级交换机）、层级3（监控单元、保护单元）、层级4（二级交换机）、层级5（执行机构、传感器）。如果是站控总线和过程总线独立布设的形式，则各个层次的组成单元依次与下一层级的组成单元相连，同一层级的组成单元互不影响，形成从一级交换机开始的若干条独立的数据传输线路，此时一级交换机和二级交换机之间没有直接的线路连接，而是要经过层次3中的监控单元和保护单元。如果是站控总线和过程总线合并布设的形式，则在一级交换机和二级交换机之间直接存在直接的连接线路，但一级交换机所接收到的数据既有直接来自于二级交换机的数据，也有通过监控单元和保护单元的数据，这是这一布线方式可能存在数据干扰的根本原因。

2智能变电站网络结构优化

在本节中，将从某智能变电场升压站的组网结构优化及其网络的流量优化2个方面来展开讨论。该升压站的原系统结构，如图1所示。

2.1原系统结构特点分析

由图1可知，其网络结构为典型的“三层两网”式结构，站控层、间隔层和过程层的层次结构很明显，过程层和站控层这2级网络为独立式布置。在本例中，网络采用高速以太网搭建，过程层的网络采用了2类网络形式来分别处理上行数据和下行数据，其中电流和电压实时数据的上传、开关量的上传均由SV采样值网络完成，而分合闸控制量的下行则由GOOSE网络完成。站控层网络采用MMS/GOOSE通信方式来完成全站信息的汇总和处理。

在原站控层的组网方案中，采用的是双星型拓扑结构，冗余网络采用双网双工方式运行。而过程层的网络结构为单星型的以太网结构，保护装置由2套独立的单网配置提供，因此能够使过程层网络具有双重化的特点，且2套网络互相物理隔离。过程层中的网络采样值按点对点传输的方式完成，以直接跳闸的方式来实现对间隔层设备的保护。

采用上述组网结构后，可以实现GOOSE和SV以太网口的独立传输，在信息传输时交换机所承担的任务明确，能够有效避免数据之间的干扰。原过程层GOOSE网络承担着繁重的数据采样任务，但网络仅具备100M的流量承载力，影响了数据的传输效率，加之网络接口独立设置，因此不便于网络结构的维护。

2.2网络结构的优化

鉴于以上对原网络结构的分析，为了提高网络的实时性，充分发挥硬件的优势，本文采用了采样值信息共网传输方式，优化后的总体网络结构为GOOSE+SV并行结构。该结构在硬件方面进行了升级，交换机之间的级联端口采用千兆连接，其他硬件设备不做升级。在进行网络结构优化设计时，应参照国家电网《智能变电站技术导则》。

优化改造后的系统网络结构概述如下：（1）层次1。该层次中包含了220kV故障录波、220kV网络分析仪、220kV母线保护以及时钟服

务器等。（2）层次2。本层中设有220kV过程层母差交换机（标号#1），该交换机含有4个1000M的单模光口和16个100M的多模光口。（3）层次3。本层中单设一个具有9个1000M单模光口的220kV过程层母差交换机（标号#2），用于接收来自4个支路的数据，各支路的结构分别为：1）支路1。该支路直接连接于一个含有1个1000M单模光口和14个100M多模光口的220kV过程层间隔交换机（标号#3），该交换机与2条220kV线路（线路1、线路2）的测控、保护、MU和智能操作箱相连；2）支路2。该支路的基本结构和支路1类似，不同之处在于连接的线路为线路3和线路4；3）支路3。该支路直接连接于一个含有1个1000M单模光口和14个100M多模光口的220kV过程层间隔交换机（标号#5），该交换机作为1号主变交换机，同#2母差交换机直接相连，同#5间隔交换机相连的设备有1号主变220kV侧智能操作箱、1号主变220kV侧测控、1号主变保护以及电能表；4）支路4。该支路和支路3类似，只是所连接的过程层交换机编号为#6，主变编号为2号。

2.3网络流量的优化

在上述网络结构优化的基础上，采用虚拟局域网的方式来实现对流量的优化，为了控制SV业务对关键业务的带宽挤占，设置了端口速率限制方法，并配合GVRP动态组播协议来尽量降低网络中的总体数据流量。通过以上技术手段的组合，可大幅度降低网络中数据的冲突几率，提高网络的利用效率。

3结语

智能变电站的网络结构改造与优化是当前的热点亦是难点，其关键问题不仅仅和电气设备有关，还和计算机、网络技术等学科相关，是一个多学科交叉的研究领域。本文以某智能变电站的网络结构优化为例，参照行业规范，并采用较为成熟的方法对原有的网络结构进行优化，为了避免改造后的网络中数据的冲突，附加使用了一些网络流量优化的手段，进一步提高了网络的利用效率。参考文献

［1］刘娇，刘斯佳，王刚.智能变电站建设方案的研究［J］.华电电力，2010（7）

［2］李斌，薄志谦.智能配电网保护控制的设计与研究［J］.中国电机工程学报，2009（S1）作者信息：刘鹏，男，北京人，本科，变电站内网络结构优化，单位：国网北京经济技术研究院