数字化变电站通信网络的组建与冗余方案

1、数字化变电站中的绝大部分自动化功能的实施都依赖于通信， 构建高速、 可靠和开放的通信网络是数字化变电站的前提条件和核心技术之一； 由于过程网络的出现， 数字化变电站通信网络（） 与传统变电站自动化系统中的通信网络在结构、 功能和性能要求等方面存在较大差异。 因此 ， 对进行专门研究具有现实意义。网络的合理组建和冗余是网络高效、 可靠运行的关键 。就而言 ， 在实现各项自动化功能并满足性能要求的基础上， 需要对网络进行优化， 以便促进变电站自动化系统的可靠性、 安全性及整体信息化水平的提高， 最大程度的体现数字化变电站的建设意义。文中对的组建和冗余方案及相关网络技术展开了研究。 数字化变电站通信

2、网络组建方案将变电站自动化系统划分为变电站层 、 间隔层和过程层， 而变电站层与间隔层之间的站级网络 、 间隔层与过程层之间的过程网络的组建方法并无明确规定。 通常有种组建方案 。根 据 站 级 网 络 与 过 程 网 络 是 否 联 通 ，可以有独立过程网络和全站唯一网络种基本组建方案 。 前者 ， 站级网络与过程网络相互独立，为层物理网络； 后者 ， 站级网络与过程网络相互联通 ，为一个物理网络。中、 低压变电站的站级网络采用星型拓扑， 高压变电站的站级网络采用环型拓扑； 过程网络一般根据不同间隔或功能划分为多个子网，各子网采用星型拓扑 。为了提高网络容错能力、 避免单点故障或者满足保护双

3、重化配置的要求， 亦可分别采用双环型或双星型拓扑。独立过程网络由层物理网络构成。 由交换机将所有的保护测控装置（ 即间隔层智能电子设备（） ） 与变电站层设备连成站级网络， 并由路由器将远动网络接入 ， 远动网络能够直接访问到间隔层； 间隔层与过程层设备之间根据不同间隔或功能划分为多个子网，当间隔具有唯一的间隔层和过程层设备时， 可直接采用点对点的连接方式； 如图所示 （ 图中 ，为合并单元；为带扩展功能的合并单元 ；为开关控制器；为智能开关控制器； 为光电式互感器； 为电磁式互感器 ；为网关代理；为交换机；为路由器 ；为光纤 ，为冗余光纤，为信息电缆；下同 ） 。独立过程网络的优点在于：与常

4、规变电站通信网络相比，的 整 体格局未发生根本变化， 只是间隔层与过程层设备之间的模拟电缆变成了光纤以太网， 不必过多关心 “ 数字化 ” 给变电站自动化系统整体运行机制带来的影响 ；按照不同的间隔或功能， 数字化变电站的建设可以分阶段进行；过程子网的节点数目少， 网络负荷有限， 网络性能易于保障， 为兼容原有设备或节约投资， 甚至可适当降低网络规格（ 如采用 以太网 ， 用集线器代替交换机等） 。独立过程网络的缺点在于：虽然采样值等过程层数据已经数字化了， 但只能被间隔内的设备获得， 间隔之间无法共享， 这会影响到将来涉及过程层数据的集成应用或分布式自动化功能的实施；网络设备较多，设备投资增

5、加；数 字 化 变电 站 通 信 网 络 的 组 建 与 冗 余方 案窦晓波， 胡敏强， 吴在军， 杜炎森， 闵涛（东南大学电气工程学院， 江苏南京；国电南瑞科技股份有限公司， 江苏南京）摘要 ： 根据站级网络与过程网络是否联通， 提出了独立过程网络和全站唯一网络种数字化变电站通信网络的组建方案。 通过分析各自优缺点， 指出独立过程网络目前较易实现， 而全站唯一网络可先在规模不大、 节点数目较少的新建中低压变电站中尝试， 待积累一定组网和运行管理经验后，全站唯一网络将凭借信息高度共享等优势成为数字化变电站通信网络的最终形态。 详细分析并比较了各种网络冗余技术在数字化变电站通信网络中的应用方法，

6、 包括由交换机实现环网冗余协议、快速生成树协议和链路聚合控制协议， 由智能电子设备（） 实现双网口热备用和双网口独立工作等 ； 最后提出了当前实施网络冗余可能存在的问题。关键词 ： 数字化变电站； 通信网络；站级网络； 过程网络 ； 网络冗余中图分类号： ； 文献标识码：文章编号：（）收稿日期 ： ； 修回日期： 电 力 自 动 化 设 备第卷第期年月间隔层需要有多个网口， 才能分别实现站级网络和过程网络的冗余。总之 ， 独立过程网络较易实现， 但数字化变电站的功能发挥受到了一定限制。全站唯一网络数 字 化 变 电 站 内 的 所 有 智 能 设 备 （ 甚 至 包 括 ） 都接入同一个网络，

7、 任意智能设备之间，特别是变电站层设备与过程层设备之间， 都能够直接通过该网络交互信息， 如图所示 。全站唯一网络使过程层数据得到最大程度的共享 （ 借助远动网络甚至可以实现电网范围的共享） ，变电站 、 电网的信息化水平显著提高。由于过程层设备和数据可以复用，间隔层和网络设备得以精简， 各种集成应用和分布式自动化功能均能便捷实现， 系统运行性能显著提高， 数字化变电站的效能得到充分发挥。但全站唯一网络的规模较大 、 节点数目众多且位置分散、 结构复杂， 组网和运行管理的难度有所增加 ， 主要体现在：由于过程层设备数目众多且位置分散， 通常需要多级交换， 即先将位置相邻（ 如一个间隔内） 的几

8、台设备接至一台接入交换机， 再将多台接入交换机串联成环网， 或汇聚至变电站层的核心交换机；由于所有设备都接入一个网络， 各种类型的数据流（ 特别是海量的过程层数据） 使 网 络 负 荷 变大 、 运行状况变复杂， 划分虚拟局域网（） 和区分优先级是确保通信实时性的必要措施；过程层数据的共享给变电站的安全运行带来了隐患 （ 如通过远动网络可以直接控制开关） ， 对保护的选择性、 独立性也提出了挑战。因此 ， 需要通过划分来限定网络的访问范 围 （ 与 独 立 过 程 网 络 不 同 ，的 划 分 十 分 灵活 ， 能够即时修改） ， 设备自身也需要具备报文筛选的能力 。依据目前的技术条件， 独立

9、过程网络更易实现，而全站唯一网络可先在规模不大、 节点数目较少的新建中、 低压变电站中尝试， 待积 累 一 定 的 组 网 和运行管理经验后， 全站唯一网络将凭借信息高度共享等优势成为的最终形态。图全站唯一网络的数字化变电站监控主机远动网络保护 测控保护 高压变电站 间隔 变电站层间隔层全站唯一网络过程层监控主机保护测控保护测控远动网络中、 低压变电站 间隔 图独立过程网络的数字化变电站站级网络监控主机远动网络 保护 测控保护 变电站层间隔层过程网络过程层高压变电站 间隔 监控主机保护测控保护测控或传统 保护测控远动网络扩展 扩展 中、 低压变电站 间隔点对点可共享传统间隔设备传统过程设备窦晓

10、波 ， 等： 数字化变电站通信网络的组建与冗余方案第期 数字化变电站通信网络冗余方案网络冗余是提高网络容错能力的主要手段， 包括链路冗余和设备冗余个方面 。 网络冗余有项技术要点： 如何检测和判别故障、 如何自动切换、 如何缩短切换时间。 对于而言 ， 除了由交换机实现网络冗余外，自身多个网口之间的互为冗余也是实现网络冗余的重要措施。由交换机实现网络冗余由交换机实现网 络 冗 余 是 一 项 关 键 的 组 网 技术 。 根据不同拓扑， 同一厂商交换机组建的环型网络 可 采 用 厂 商 专 有 的 环 网 冗 余 协 议 （ 如的、 科动的等 ） ， 虽然实现细节不同，但大多是由主交换机收发特

11、定的协议帧检测环网 ， 将环网中的某台交换机的个端口分别设定为转发态和阻塞态（ 为避免构成转发环路导致网络阻塞 ， 只能允许一条链路有效） ， 当主交换机检测到某条链路发生故障后， 立刻将阻塞端口变成转发端口并告知其他交换机改变转发路径， 如图所示 。环网冗余协议的特点是网络自愈速度快（ ） ， 缺点是协议不通用、 兼容性差 。不同厂商交换机组建的环型或星型网络可采用生成树系列协议（ 如（、 快速生成树、） 。 交换机之间构成环路 ， 主链路正常工作时， 备用链路处于阻塞状态；主链路发生故障后， 备用链路接替主链路继续工作，如图所示 。的自愈时间约为 ， 正常运行时， 只有主链路传输数据，备用

12、链路完全闲置，网络带宽和交换机端口的利用率不高。多 数 交 换 机 还 支 持 链 路 聚 合 控 制 协 议（，） 。将多条物理链路聚合成一条具有一个 地址的逻辑链路； 正常运行时， 逻辑链路的流量由各物理链路平摊； 当一条或多条物理链路出现故障时 ， 流量被自动转移到其余正常的物理链路上， 如图所示 。组成逻辑链路的物理链路都必须位于同一台交换机 ， 故无法实现设备冗余。还具有带宽扩展和均衡负载等作用， 但这些作用对于流量相对有限的并不突出。若采用层交换机， 还可以采用虚拟路由冗余协议（） 等实现交换机之间的互为冗余， 具体方法， 限于篇幅，不再赘述。由实现网络冗余 由实现网络冗余，需具备

13、组 （层物理网络中的需具备组）独立的网口，包括通信控制器 、 收发器 、 隔离变压器、 连接件和通信线缆等。由于大部分的 网 络 故 障 发 生 在 连 接 件 和 线 缆上 ， 为节约成本， 也可采用一个通信控制器连接个收发器的冗余方案。但这个网口不能同时工作，的通信功能受到限制。因此 ， 对于不推荐这种方法。与桌面系统中利用 、 公司高级服务程序 （） 等工具软件能够便捷实现多网卡之间的 多 种 冗 余 （ 如 和 交 换机配合实现） 不同 ， 嵌入式环境中的受到资源限制， 只能采取一些简单易行的方法， 如可通过以下方法判断网口或链路是否发生故障。上电后进行回环测试（） ， 检查通信控制器

14、、 收发器是否正常。定时读取收发器的状态，检查连接链路（ ）故障前图环网冗余协议示意监控主机主阻塞（ ）故障后监控主机主（ ）故障前监控主机阻塞监控主机根阻塞图协议示意 监控主机监控主机根（ ）故障后图协议示意 （ ）故障前端口 端口 端口 发向 ： 端口 端口 端口 （ ）故障后端口 端口 端口 或逻辑链路发向 ： 端口 端口 端口 或第卷电 力 自 动 化 设 备是否正常 。发送报文后， 通信控制器是否返回发送成功标志 。周期性报文（ 如采样值报文） 是否按时到达。而的个网口可以通过热备用或双网独立工作等方法实现互为冗余。热备用的个网口均捆绑协议栈， 并拥有相同的介质访问控制（） 地址 ，

15、 但连接至不同的交换机 ， 一个处于运行状态， 另一个处于热备用 状 态（ 即完成所有配置， 发送禁止， 但考虑到对端可能切换链路 ， 接收使能 ） 。当检测到运行链路发生故障或对端切换链路后 ， 立刻将相关应用程序绑定到热备用的通信控制器 ， 并使能发送， 备用链路接替主链路继续 工 作（ 若是对端切换链路， 主链路仍需维持， 以便与其他保持连接） ； 为减少切换次数， 故障排除后主链路作为备用， 不再进行切换（ 即对等式热备用） ； 如图所示 （ 图中 ，为检测故障，为绑定备用网口，为发现对端切换链路，为绑定备用网口） 。如果台交换机级联或者的个网口连接至同一台交换机， 互为冗余仍能实现，

16、 但切换过程有所区别 ， 分别如图、所示 。热备用的优点在于自行切换链路后， 与之通信的其他无需作任何改动， 甚至不会察觉到链路的变化， 这样就不必要求所有都配备个网口和采取相同的冗余方法。值得注意的是，正常运行时，备用网口不发送数据 ， 故交换机无法获知备用网口的地址 ， 也就无法将该地址与备用网口连接的交换机端口绑定，备用网口只能接收到广播报文。 因此 ， 当备用网口转入运行状态后， 要立刻发送一帧报文以便在连接的交换机端口上建立起自己的地址表 ， 这样就能在连接主网口的交换机端口的地址表老化之前 ， 接收到原本发向主网口的点播报文。热备用也存在一些问题， 如 ：由于存在故障判断和网口切换

17、的过程， 热备用无法实现网络零延时切换；热备用很难维持通信不中断， 因为备用网口要从主网口获得的端口号、 报文序号和数据段内容等信息才能继续原有的通信，这是很难实现的， 因此 ， 一般只能等待对端重新发起连接。双网独立工作的个网口拥有不同的 地址 ， 但同步发送相同的报文（源地址除外） ；任意一条链路发生故障都不会影响发送数据（ 若对端也采取相同方法， 则不会影响接收数据） ， 可以实现链路故障零影响， 如图所示 。由于报文被重复发送或接收， 双网独立工作的冗余方式显著增加了网络和的负担 。 当然在明确链路已经失效之后， 可不再向失效链路发送报文，或者在传输最重要的数据时才临时采取这种方法。双

18、网独立工作要求对端能够对接收到报文进行甄别， 以避免对同一报文重复响应（ 如根据报文中的事件计数值） ； 同时 ， 只有对端也采取这种网口 （ ）故障前端口 端口 端口 端口 网口 网口 网口 （ ）故障后端口端口端口 端口 端口 端口 网口 网口 网口 网口 端口端口图热备用示意 图热备用示意 （ ）故障后端口 端口 网口 网口 网口 网口 （ ）故障前端口 端口 端口 端口 端口 端口 网口 网口 网口 网口 （ ）故障后端口 端口 端口 端口 网口网口网口网口（ ）故障前端口 端口 端口 端口 网口 网口 网口 网口 图热备用示意 第期窦晓波 ， 等： 数字化变电站通信网络的组建与冗余方

19、案冗余方式， 才能实现接收冗余（ 采样值 、等组播报文除外， 只要将的个网口划分到同一个组播域 ， 由交换机进行组播， 就能实现接收冗余 ） 。这些都给之间的互操作带来了障碍。当前存在的问题一直以来， 变电站通信网络的冗余缺乏标准用法 （ 如将一个网络专门用于故障录波） 和相关指 标（ 如网络切换时间） 。的冗余更为必要， 但目前冗 余 方 案 和 效 果 仍 只 能 取 决 于 选 用 的 交 换 机 和。 因此 ， 存在如下问题：不同型号的交换机和的冗余方法不尽相同 ， 交换机与之间 ，与之间如何协调配合，是否会对互操作造成影响，是值得关注的问题；高压间隔的保护装置双重化配置， 在一定程度

20、上降低了对单台装置通信可靠性的要求， 中 、 低压间隔通常只配备一台保护测控装置， 对装置通信可靠性的要求反而更高， 但由于成本和功能的限制 ，中 、 低压的保护测控装置往往不能提供足够数目的网口和高效的冗余功能， 也不可能配备多个专门用于冗余的交换机， 这不能不说是一个矛盾。因此 ， 有必要在总结工程实施经验的基础上， 制订各电压等级规模的冗余规范， 使网络既具有相当的容错能力， 又具有通用性、 兼容性和经济性。 结语文中就的组建和冗余展开了研究： 提出了独立过程网络和全站唯一网络种组建方案， 通过分析各自的优缺点， 指出独立过程网络目前较易实现 ， 而全站唯一网络将凭借信息高度共享等优势成

21、为的最终形态； 详细分析了网络冗余这一关键网络技术在中的实现方法和当前实施存在的问题 。参考文献 ： ： ： ， ， ， ， ： ， ： 李强 ， 窦晓波 ， 吴在军 ， 等数字化变电站通信网络规划与实时特性改进 电力自动化设备， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （ ） ： 郑建勇 ， 吴在军 ， 胡敏强 ， 等一种能实现异种网络互联的通信控制器 电力系统自动化， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （ ） ： 沈宏涛 ， 娄奇鹤 ， 王牣 ， 等基于的变电站自动化网络通信系统研究 电力自动化设备， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （ ） ： 罗雪松 ， 蒋涛， 罗蕾 ， 等双网卡冗余

22、在嵌入式容错网络中的设计与实现 四川师范大学学报： 自然科学版 ， ， （ ） ： ， ， ， ： ， ， （ ） ： 方明 ， 曹敏 一种基于双冗余千兆以太网的实时容错通信方案的设计与实现 计算机与数字工程， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： 田炜 ， 刘利强 ， 袁赣南 环境下双网卡冗余备份技术的实现 自动化技术与应用， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： 胡道徐 ， 李广华 通信冗余实施方案 电力系统自动化 ， ， （ ） ： ， ， （ ） ： 张丽蓉 双网口冗余模块的设计 计算机工程 ， ， （ ） ： ， ， （ ） ： ： （ ） （ ） ： ， ： （ ） ： ，

23、 （ 责任编辑：汪仪珍 ）作者简介：窦晓波 （） ， 男， 江苏南京人， 讲师 ， 博士 ， 研究方向为变电站自动化系统（：） ；胡敏强 （） ， 男， 江苏丹阳人， 教授 ， 博士研究生导师，主要从事工程电磁场计算、 电机及其控制技术、 电气主设备状态监测与故障诊断等方面的研究工作；吴在军 （） ， 男， 江苏南京人， 副教授 ， 博士 ， 研究方向为变电站自动化系统；杜炎森 （） ， 男 ， 江苏南京人， 教授 ， 主要从事电气主设备状态监测与故障诊断等方面的研究工作；闵涛 （） ， 男， 江苏南京人， 高级工程师， 主要从事电力系统调度自动化等方面的研究管理工作。图双网独立工作示意 （

24、）故障后（ ）故障前端口 端口 端口 端口 网口 网口 网口 网口 端口 端口 端口 端口 网口 网口 网口 网口 第卷电 力 自 动 化 设 备 ， ， （，；，）： ， （ ）： ， ， ， ， ， ， ：；目前 ， 大多数配电网采用小电流接地方式， 由于故障电流微弱、 电弧不稳定等原因， 造成检测单相接地故障一直比较困难。 基于故障暂态分量的选线方法目前得到很大应用， 这些选线方法主要有： 暂态电流高频分量比幅、 比相法， 暂态电流能量法 和暂态负序电流法。 这里在故障暂态电流分布特性的基础上 ， 利用小波包工具提取出暂态零序电流在选定频带（） 内的高频分量，以 故 障 线 与 非 故