智能变电站网络结构

M-3
DMU 801
B-3
DBU 813A WXH-803B 纵差保护测控
B-4 813B M-4
DMU 801 BU3 母线间 隔单元 WBH815B差动 WBH-815B 高后备保护测控 WBH-815B 低后备保护测控
DBU
DBU 813B
9-2LE GOOSE DMU 802
DBU 813B
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0) IEC61850-9-1 / 9-2 / FT3
IEC61850-9-1 IEC61850-9-2
传输方向 单向 双向
FT3
单向
数据格式 内容
网络 延时
固定
灵活配置
固定 采样值
2.5Mbps 固定
采样值（位置） 采样值
以太网 点对点时固定 以太网 经过交换机不固定
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1) 站控层总线+电子互感器(9-1)
按照每帧1点(12个模拟量通道)计算，一个合并器每秒种的数据流量： S = 159字节×8bit/字节 × 50周波/s × 80帧/周波 = 5.088Mbit/s；
基于61850-GOOSE规约的智能设备的流量分析
按照 T0=10秒 计算，一个智能设备每秒种的数据流量 S = 6016字节×8bit/字节 ×( 1秒/10)帧 = 0.048Mbit/s； 通常情况下，GOOSE流量和采样值流量比较，对网络带宽的影响基本 可以忽略。
. . .
. . .
IED IED IED （a）冗余星型网络结构
IED IED IED （b）IED双以太网口冗余结构
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110kV站过程层实际工程组网示意图-（单线图）
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110kV站 过程层组网示意图(单网)
站控层设备
脉冲校时 光纤连接 站控层与间隔层网络 主控室交换机 光纤连接 10kV 间隔层交换机1 10kV 间隔层交换机2
…
…
BIU-801
BIU-801
BIU-801
…
BIU-801
BIU-801
…
BIU-801
BIU-801
BIU-801
BIU-801
…
BIU-801
BIU-801
系统配置图（图2）
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3）110kV数字化变电站工程组网流量仿真计算
工程概况：
电压等级：110kV 主变：X台XXMVA 主接线：110kV内桥， 10kV单母X分段 110kV线路：X回 10kV线路： XX回、 10kV电容器：X回、 10kV消弧线圈：X回、 10kV母分：X回
过程层网络B
线圈 传感头 线圈
采集合并器 采集合并器
传感头
线圈
采集合并器
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双重化测控示意图
测控设备
过程层网络A
过程层网络B
操作接点
智能接口
位置接点
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双重化总体示意图
原理A保护 设备A
原理B保护 设备B
测控设备
过程层网络A
过程层网络B
线圈 传感头 线圈
采集合并器 采集合并器
DBU 813B
B-5 M-5
B-3-1
B-3-2
WBH815B差动 WBH-815B 高后备保护测控 WBH-815B 低后备保护测控
M-8 电压并列
BU5 母线间 隔单元
DMU 801
T-1
DTU 811
DTU 811
T-2
I-1
DTI 801
I-2-1
DTI 801
I-2-1
DTI 801
…
WCH821B
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网络流量计算
IEC61850-9-1 / 2 /GOOSE报文长度
IEC61850-9-1最大报文长度： 26 字节报头 + 4 字节优先权标记 + 8 字节以太网型 PDU + 2 字节ASN.1 标记/长度 + 2 字节块的数目 + 46 字节通用数据集 + 23 字节状态量 = 111 字节x 8 位 = 888 位 + 96 位帧间隔= 984 位
母差专用交换机
光纤连接
10kV 间隔层交换机1
10kV综保 及状态监测
主干交换机2
故障录波专用交换机
开关柜
220kV线路 过程层光交换机1
220kV线路 过程层光交换机2
110kV线路 过程层光交换机 中压侧合 并器 中压侧智 能接口
1#主变 过程层光交换机1 高压侧合 并器1
1#主变 过程层光交换机2 高压侧智 能接口 高压侧合 并器2
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2) 通信网络的介质要求
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3) 通信网络的实时性

在IEC61850中，对变电站自动化系统报文性能作了严格详 细的规定，依据对时间的要求将报文划分为1(快速报文)、 2(中速报文)、3(低速报文)、4（生数据报文）、5（文件传 输报文）、6（时间同步报文）、7（具有访问控制的命令报 文）等七大类。其中，“快速跳闸报文”以及对保护和控制 的“生数据报文”的时间要求达3ms。
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4）间隔数据流量统计表
序号
1 2 3 4 5 6
节点名称
110kV进线1间隔交换机 110kV进线2间隔交换机 变压器1间隔交换机 变压器2间隔交换机 桥分段交换机 主干交换机
61850-9-2流量Mbit/s
1×5.088=5.09 1×5.088=5.09 5×5.088=25.44 5×5.088=25.44 1×5.088=5.09 3×5.088=15.26
间隔层
智能单元
合并器
智能单元
合并器
过程层
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3) 站控层总线+电子互感器(9-1) +智能单元
调度 监控主站 工程师站 路由器 站控层总线 站控层
保护A
保护B
...
保护A
保护B
间隔层
智能单元
电子互感器 组合单元
智能单元
电子互感器 组合单元
过程层
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4) 站控层总线+过程层总线(9-2)
过程层
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6) IEC61850标准中四种组网原则
面向间隔原则
面向功能原则
单一总线原则
面向位置原则
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过程层组网示意图(简单型)
IED IED IED 交 换 机 IED IED IED IED IED IED 交 换 机
IED IED IED IED IED IED 交 换 机
1）IEC61850-9-1 / 2 /GOOSE报文流量
基于61850-9-1规约的合并器的流量分析
按照每帧12个模拟量通道计算，一个合并器每秒种的数据流量： S = 984bit/帧 × 50周波/s × 80帧/周波 = 3.936Mbit/s；
基于61850-9-2LE规约的合并器的流量分析
110kV线路1保护 测控装置
1#主变差动保护 装置
1#主变高压侧后 备保护测控装置
1#主变低压侧后 备保护测控装置
110kV分散式母线保护
10kV综保 及状态监测
10kV综保 及状态监测
开关柜
开关柜
间隔层设备
110kV线路 过程层光交换机
1#主变 过程层光交换机
主干网交换机 间隔层与过程层网络
合并器单元
传统以太网采用随机的网络仲裁机制（CSMA/CD，Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection），其传输 不确定性是以太网进入实时控制领域的主要障碍。

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一、系统结构 1.1 系统结构 1.1.1 构架与组网方案 1.1.2 网络要求 1.1.3 网络带宽分析 1.1.4 网络实时性分析 1.2 时钟同步方案 1.2.1 同步原理与要求 1.2.2 同步实现解决方案
调度 监控主站 工程师站 路由器 站控层总线 站控层
测控
保护A
保护B
...
测控
保护A
保护B
间隔层
智能开关
合并器
智能开关
合并器
过程层
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5) 站控层总线与过程层总线合并
调度 监控主站 工程师站 路由器 站控层总线 站控层
测控
间隔A
间隔B
...
测控
间隔A
间隔B
间隔层
智能开关
合并器
智能开关
合并器
1#主变间隔 2#主变与1#主变结构相同
110kV母差间隔 220kV母差间隔为双套配 置，每套配置与110kV相同
110kV故障录波 220kV与110kV相同
10kV线路、电容 采用电流电压一 体的小信号模拟 量电子式互感器
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双重化保护示意图
原理A保护 设备A 原理B保护 设备B
过程层网络A
61850-9-1流量Mbits
1×3.93=3.93 Mbit/s 1×3.93=3.93 Mbit/s 5×3.93=19.65 Mbit/s 5×3.93=19.65 Mbit/s 1×3.93=3.93 Mbit/s 3×3.93=11.79 Mbit/s


IEC61850-9-2工程中实际最大报文长度（SVLD为变长量）： 80点采样率 + 1点一帧 =► 159字节 x 8 = 1272位 256点采样率+ 8点一帧 =► 1037字节 x 8 = 8296位

GOOSE工程中实际最大报文长度： 752字节 x 8 = 6016 位
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智能变电站系统的技术特征
系统建模标准化
系统分层分布化 系统结构紧凑化 信息交互网络化
2 系统结构 1 IEC61850标准
信息应用集成化 数据采集数字化 设备操作智能化
设备检修状态化
3 非常规互感器
4 开关智能化 5 设备状态检修
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一、系统结构 1.1 系统结构 1.1.1 构架与组网方案 1.1.2 网络要求 1.1.3 网络带宽分析 1.1.4 网络实时性分析 1.2 时钟同步方案 1.2.1 同步原理与要求 1.2.2 同步实现解决方案
IED IED IED IED IED IED
. . .
. . .
. . .
IED IED IED （a）总线型 （b）环型
IED IED IED （c）星型
IED IED IED
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过程层组网示意图(冗余型)
交 主换 干机
交 间换 隔机
IED IED IED IED IED IED
IED IED IED IED IED IED

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2）110kV数字化变电站工程组网流量仿真计算
B-1-1 M-1 B-1
DBU 813B DMU 801
DBU 813A
BU2 母线间 隔单元
BU1 母线间 隔单元 WCH821B
BU4 母线间 隔单元
DBU 813B
B-2-1 M-2 B-2
DMU 801 DBU 813A
WXH-803B 纵差保护测控
220kV录波与 110kV类似
合并器1
智能接口
合并器2
合并器
智能接口
GIS开关 ECVT ECVT
GIS开关 ECVT
GIS开关
DTI 主变低压侧 主变本体 综合智能接口
低压侧开关柜
主变本体 智能接口
GIS开关 ECVT
220kV线路间隔 线路2与线路1结构相同
110kV线路间隔 其他线路与线路1结构相同
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220kV站 过程层组网示意图(双网)
脉冲校时
主控室交换机（双网配置） 光纤连接 光纤连接
保护小室交换机（双网配置） 220kV母差与 110kV类似，为 双套配置 220kV线路 测控 220kV线路 保护1 220kV线路 保护2 110kV线路 保护测控 主干交换机1 1#主变保 护1 1#主变测 控 1#主变保 护2 分散式母线保护
操作接点
智能接口
位置接点
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一、系统结构 1.1 系统结构 1.1.1 构架与组网方案 1.1.2 网络要求 1.1.3 网络带宽分析 1.1.4 网络实时性分析
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1)通信网络的两种技术要求
IEEE802.1q VLAN(虚拟局域网)
把同一物理网段内的不同装置逻辑地划分成不同的广播域 减少网络流量 降低网络负载 实现信息的安全隔离 保证了信息的实时性和安全性
各个间隔网络流量分析：
110kV线路保护使用一个合并器的数据：进线的电压、电流； 110kV桥分段使用一个合并器的数据：桥电流； 变压器保护使用5个合并器数据：高压进线电流、桥电流、低压 分支1的电流、低压分支2的电流、桥电流； 母线保护使用5个合并器的数据：高压进线1电流、高压进线2电 流、变压器1高压侧套管电流、变压器2高压侧套管电流、桥电流； 10kV采用一体化开关设计，电子互感器直接提供信号给保护测控 装置、电表。
智能接口 主控单元 分控单元
合并器单元
主变高压 侧分控单元 隔离刀闸
主变本体 智能接口 主变本体
DTI 主变低压侧 综合智能接口
主变低压侧开关柜
ECVT
AIS开关
ECVT
110kV线路间隔 线路2、桥与线路1结构相同
1#主变间隔 2#主变与1#主变结构相同
110kV母差间隔
故障录波
10kV线路、电容、厂变 采用电流电压一体的小信号 模拟量电子式互感器 过程层设备
调度 监控主站 工程师站 路由器 站控层总线 站控层
测控
保护A
保护B
...
测控
保护A
保护B
间隔层
传统Baidu Nhomakorabea路器
合并器
传统断路器
合并器
过程层
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2) 站控层总线+电子互感器(9-1)+智能单元(GOOSE)
调度 监控主站 工程师站 路由器 站控层总线 站控层
测控
保护A
保护B
...
测控
保护A
保护B