智能变电站自动化系统及网络优化专题

智能变电站自动化系统及网络优化专题

1概述

1.1智能变电站体系结构

根据GB"30155《智能变电站技术导则》，智能变电站分为过程层、间隔层和站控

层。

过程层包括变压潜、断路器、隔离开关、电流/电压互感器等一次设备及其所属的智

能组件以及独立的智能电子装置°

间隔层设备一般指继电保护装置、系统测控装置、监测功能组主IED等二次设备,

实现使用一个间隔的数据并且作用于该间隔一次设备的功能，即与各种远方输入/输出、

传感器和控制器通信。

站控层包括自动化站级监视控制系统、站域控制、通信系统、对时系统等，实现面

向全站设备的监视、控制、告警及信息交互功能，完成数据采集和监视控制(SCADA)、

操作闭锁以及同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等相关功能。

1.2本专题研究内容

以国电电力天津海晶盐光互补一期工程600MWp项目为依托工程，研究智能变电

站自动化系统网络结构、通信协议、交换机配置方案等，经多方案技术经济分析后得出

推荐方案。

2智能变电站自动化系统方案论证

智能变电站自动化系统方案可以通过WBS(workbreakdownstructure,结构分解)为

以下方面，如下图：

2.1网络类型

在工业领域,，通信网络类型主要有串行通信RS485网、现场总线网和以太网。如下

2.1.1RS-485网络

RS-485网络是一种实现成本较低的多点网络通讯方式，电路设计简单，布线方便,

单一网络能够连接32个节点，通讯距离够达到1200米；不足之处为传输速率较低，

实时性和可靠性较差；

2.1.2现场总线网

现场总线网(CAN、Worldfip等)是现场设备之间的通信网络，是计算机数字通信技

术在自动化领域的应用，具有传输可靠、实时性高、传输距离远等优点，适用于工业实

时控制领域；缺点是目前还未形成一个统一的现场总线国际标准，各种现场总线标准并

行存在并且都有自己的生存领域，相互之间兼容性差，技术也不够成熟。

2.1.3以太网

以太网是IT业的主流网络通信技术，近年来，由于国际现场总线技术标准化工作

没有达到人们理想中的结果，以太网及TCP/IP技术逐步在自动化行业中得到应用，并

发展成为一种技术潮流。目前以太网在工业自动化领域中对实时性没有严格要求场合得

到了广泛应用，如变电站自动化系统中的站控层网络通信。

变电站自动化技术发展到数字化变电站及智能变电站后，出现了过程层网络，与站

控层网络相比，对通信的实时性和可靠性要求更为严格。由于以太网具有载波侦听多路

访问(CSMA/CD)的本质，其对实时信息传输造成延迟的随机性无法预测，能否满足实时

性的需要存在争议。美国电力研究院(EPRI)对此进行了研究，结果表明交换式以太网能

满足变电站自动化系统网络通信实时性的要求，并优于同带宽的令牌传递网络c

2.1.4技术经济分析

三种网络类型的技术经济分析如下表:

网络类型RS485网现场总线网以太网

令牌、主从、生产者/CSMA/CD（载波监听多路

介质访问方式主从

客户访问/冲突检测）

传输速率100kbps至10MbpsCAN网可达1Mbps10M/100M/1000Mbps

铜缆以太网不大于100m,

传输距离不大于1.2kmCAN网可达10km

百兆光纤以太网大于2km

实时性差高不确定

可靠性差高较高

兼容性好差好

硬件成本低iS较高

站控层网络的最佳选择，

标准统一、技术发展应用于过程层网络时应解

建议应用于简单设备与系

变电站中应用成熟后是过程层网络决实时性问题，如采用

统的通信，如直流系统内部

建议的理想选择，目前不100M及以上速率的交换

主机与各模块间的通信等。

推荐采用。机以太网，支持报文优先

级等。

2.1.5结论

从上表的对比分析可以看出，以太网在传输速率、兼容性等多方面具有明显的优势,

是智能变电站自动化系统的首选网络。

站控层网络一般选择100Mbit/s交换式电以太网或光纤以太网；过程层设备一般安

装在户外配电装置附近，电磁环境恶劣，为提高抗T扰性，过程层网络应选择lOOMbit/s

光纤以太网。

2.2网络结构

以太网基本结构有以下几种：总线结构、星型结构（树型结构-扩展星型结构）、环型

结构。如下图:

2.2.1总线结构

总线型拓扑结构中各交换机通过级联，构成网络总线。各间隔IED平均分布在各交

换机上，公用IED接在其中一台交换机上，如下图：

2.2.2星型结构

星型拓扑结构中有公共交换机和间隔交换机，各间隔交换机与公共交换机直接相

联。如下图:

2.2.3环型结构

环型拓扑结构中各交换机相互连接构成闭环。公用IED接在其中一台交换机上。

如下图:

2.2.4网络时延分析

交换式以太网是基于帧交换技术，数据帧在交换机内的转发，带来一定的交换延迟。

当多个信息流涌向一个端口时，会出现端口竞争现象，造成传输的延时和不确定性。以

下分析用交换机组建的网络的延时。

2.2.4.1网络延时定义

网络延时定义为一帧报文从发送者到接收者的画络传输花费的全部时间。网络延时

由以下四部分组成：

一发送延时；

一交换机制延时；

一线路传输延时；

一帧排队延时。

1)发送延时(4)

定义为交换机发送节点在通信链路上从发送帧的第1个比特开始至发送完最后一个

比特所需的时间。这个延时与被发送的帧的大小成正比，与速率成反比。

T()=FS/BR

这里"是发送延时，FS是以位计算的帧大小，BR是以位/秒为单位计算的速率。

2)交换机制延时(刀)

以太网交换机的内部是交换机制。交换机制由复杂的硬件电路执行存储转发引擎、

MAC地址表、VLAN、CoS及其它的功能，执行这些逻辑功能便产生了延时。各个厂商

交换机的交换机制延时各不相同，同一厂商的产品基本相同。交换机制延时一般为几个

四到十几个陛。目前智能变电站中使用的主流交换机的交换机制延时不大于72，我们

在计算网络延时中,将交换机制延时设定为7吟

3)线路传输延时(4)

数据位在光纤链路上的传输速度大约是光速(3x108m/s)的%。当部署很长距离以

太网线路时，这个延时值得注意。对于100km/lkm/100m的链路延时可以计算出：

T?(100km)=1x105/(%x3x108)^500ps

心(1km)=1x103/(%x3xl08)=5|is

T?(100m)=1x102/(%x3xlO8)X).5|is

对于智能变电站过程层GOOSE网的传输距离而言，这个延时和其它延时相比很小,

可以忽略不计。

4)帧排队延时J)

帧冲突在广播式以太网中存在，以太网交换机用队列结合存储转发机制来消除共享

式以太网中存在的帧冲突问题。而队列给延时引入了非确定性，原因归结于队列长度、

网络负荷等因素。为了减轻重要数据帧的排队延时，引入了数据帧优先级机制，然而并

不能保证服务的质量。

以上4种延时中，前3种延时由网络本身的硬件和软件决定，只有排队延时具有不

确定性。要分析以太网延时，就必须分析出影响排队延时的因素，通过减小排队时延将

有利于提高整个网络系统的实时性能。

2.2A.2排队延时

1）对于单层网络，即一台交换机连接多个智能设备，以100M以太网为例，假设数

据帧长度为L位。

单层网络示意图

如果有N个智能设备同时发送数据帧到同一节点，这时最多有N-1个帧存储在缓冲

区中，则排队延时（计算如下：

N-lN-1

1=Z（〃+a）=Z（96+LK）/100xl06

K=\K=\

其中，心是两帧传输之间的等待时间，在以太网中定义为96位数据的存储转发时

间，”K为第K个数据帧的发送时间，及为第K个数据帧的长度。得到交换式以太网

端口间最大通信延时为：

兀加=X（4+（）+,其中m为任意两个端口间交换机的数量。

对于16口交换机，满负荷情况时，有15个智能设备向交换机的一个接收端口发送

数据帧；GOOSE工程中实际最大报文长度：752字节x8=6016位（包含96位的帧间

隔），所以产生最坏延时的情况为15台智能设备同时发送6016位的数据帧到同一接收

节点，可得最大传输延时为：

Tlotal=6016bits/100Mbps4-14x6016bits/100Mbps+1/.is=909.4/z.v

2.2.43星型网络延时分析

星型网络交换机示意图

以IOOM以太网为例，每一个智能设备都在发送数据帧，假设所有智能设备发送都

是同步进行的。两个下端交换机上分别连接15个智能设备，中心交换机1上连接12个

智能设备。在中心交换机上的接收节点形成42帧的队列。

若发送的数据帧为6016bits的GOOSE帧，则：

最好情况：无排队延时

T(best)=601Gbits/100Mbps+7/75+6016bits/100Mbps+7=134.32〃s

最坏情况：排在队尾

排队延时刀二41x6016bits/1ODMbps=2.467/?iy

T(worst)=6016bits/1+41x601bbits/100Mbps++601Gbits/1OOM/y”+

=2.60bm'

抖动AT=T(worst)-T(best)=2.467〃7s

2.2.4.4环型网络的延时分析

计算智能设备I采集到的数据传送到交换机4的延时

环型网络交换机示意图

生成树的协议可以使交换机检测环路，内部避免信息在环中流动。因此，支持生成

树协议的管理交换机可以内部逻辑地划分环。这样环形架构就等效于总线式架构，但具

有某一连接中断时可以通过另一端口实现网络重构的功能。

假设交换机2、3、4分别连接14个智能设备，数据流向如上图所示，传输的数据

均为6016bits的GOOSE帧,则在交换机4的接收端口会形成42帧队列。

最好情况：无排队延时

T(best)=3x(6016bits00Mbps+7=201.48〃$

最坏情况：排在队尾

排队延时入=41x6016bits/100Mbps=2.467/m,

T(worst)=6016bits/IDOMbps+41x601Gbits/100Mbps+7〃s

+2x(6016bits/100Mbps+7〃s)=2.668〃7s

抖动A7=T(worst)—T(best)=2.467zm

2.2.4,5延时分析结论

在环型网络中，节点信息的网络延时会随着环路中交换机数量的增加而增加；而在

星型网络中(由中心交换机和下端交换机构成的两级网络)，下端交换机数量的增加并

不会增加信息的跨交换机传输时延(由于拓扑结构的原因，其通信链路中的交换机数量

是恒定的)。所以，星型网络的实时性要优于环型网络。

2.2.5网络结构选择

2.2.5.1可靠性比较

单星型网络故障概率为：户

单环型网络故障概率为：

尸=[(m+1)4+，〃〃][(4—，，z)〃+(5—，7?)+2〃

通过对选定参数的计算：

单星型网络最大故障概率为：Pl=0.019；

单环型网络最大故障概率为：P3=0.0029；

星型双网网络最大故障概率为：P2=PlxP1=0.0()036；

可以看出，通过网络双重化，星型故障概率大大降低，可靠性得到很大提升。因此

本工程可选择星型双网网络结构。

2.2.5.2实时性比较

交换式以太网端口间最大通信延时为：其中m为任意两个

端口间交换机的数量。网络排队延时♦的影响因素是全网中网络节点的数量，与拓扑结

构无关。在比较星型网络和环网的实时性时，我们主要考虑信息在通信链路中每一台交

换机的发送延时7；)和交换机制延时［的累积。星型网络链路中交换机的数量是固定的，

最大为3,与全网的交换机数量无关；环网链路中交换机数量的最大值与全网交换机数

量相同。

以星型网络的m二3,环网的m=6为例。通过对选定参数的计算，其差值约为0.3ms。

星型网络的实时性优于环网。

2.2.6技术经济分析

2.2.6.1技术对比

如下表:

网络

总线结构星型结构环型结构

结构

结构特点结构简单，易于布线网络简单，易于布线网络结构较复杂

扩展性容易容易扩展困难

维护、隔离比较困难。便于维护，任何一台间隔

可维护性台交换机故障将影响其它交换机故障，都可以方便维护、隔离比较困难

间隔隔离，不影响其它间隔

冗余性差较差好

慢，从总线一侧到另一侧快，任意两个设备之间最较快，与环中交换机数量有

传输速度

需要经过多级交换机。多三跳关

报又延时不固定固定不固定

网络协议VLAN,IEEE802.IpVLAN,IEEE802.IpVLAN,IEEE802.Ip,RSTP

差，不同厂家RSTP算法不

兼容性好好

同

网络风暴无无有风险

2.2.6.2经济分析

网络的投资由交换机的数量、交换机的价格及匣线数量决定，其中网线价格低廉,

在总成本中所占比例很小，投资分析中可以忽略网线数量的影响。

(1)交换机的数量

在同等配置原则下(按间隔配置交换机或多间隔共享交换机)，星型结构所需交换机

最多，总线结构和环型结构所需交换机较少；考虑到扩建方便，环型结构一般按照终期

配置交换机，导致一期工程投资较高。

(2)交换机的价格

交换机的价格由基础部分(电源、机箱等)、接口部分(交换芯片、光纤器件等)和附

加网管功能部分共3部分组成。各种网络结构中，交换机的基础部分价格相同，接口数

量和附加网管功能有所不同。

星型结构中各间隔交换机除了接入各IED外，只需提供1个接口与其它交换机级联

(公共交换机)，所需接口最少；环型结构中各交换机需提供2个接口与其它交换机级联,

所需接口最多。

环型结构由于具有网络重构等功能，附加网管功能最为复杂；再考虑上接口的数量,

环型网单台交换机成本最高，星型网单台交换机成本最低.

(3)综合分析

经过以上定性分析，基于同等配置标准的三种网络中，一般情况下总线结构投资最

低，星型结构和环型结构的投资相当。

2.2.6.3结论

(1)环型可靠性高于星型，但通过双重化冗余配置，星型双网可靠性得到很大提高,

满足要求；

(2)星型实时性优于环型。当网络中交换机数量较多时，环网由于交换机转发时延

的累积造成的网络延时难以满足过程层网络对实时性的要求。

(3)环型存在引发网络风暴的可能。

(4)星型结构在运行维护、传输时间、可靠性等多方面具有突出的优点，性价比最

另J0

因此本工程站控层网络和过程层网络均采用星型网络，通过双重化配置提高可靠

性。

2.3通信协议

在基于IEC6185()(DL/T860)标准构建的智能变日站自动化系统中，通信协议采用

IEC61850相关协议一般来说是必然的选择。

考虑到目前的技术水平，变电站自动化系统所有相关设备均采用IEC61850协议通

信并不现实，而且IEC61850本身就是一个庞人的技术体系，在第一版标准中就提出了

三种特定通信服务映射(SCSM)：IEC61850-8-1映射到MMS(制造报文规范)、

1EC61850-9-1串行单方向多点共线点对点链接、【EC61850-9-2特定通信服务映射

(SCSM)-映射到过程总线，因此有必要对自动化系统通信协议的选择进行分析。

2.3.1站控层网络通信协议

智能变电站中，站控层网络传输的信息为MMS信息和GOOSE信息，应采用

IEC61850-8-1协议。

2.3.2过程层网络通信协议

站控层网络传输的信息一般为采样值和开关量。

2.3.2.1采样值传输

采样值传输的目前可采用三种协议，如下图：

(1)三种通信协议技术对比

采样值传

IEC60044-8(FT3)IEC61850-9-1IEC61850-9-2

输协议

物理接口光纤串行口以太网以太网

传输延时固定不固定不固定

传输方式点对点点对点点对点/网络

编码方式简单简单复杂

传输内容固定固定可配置

多路采样数据可采用插值多路采样数据之间的同步网络方式下可采用IEC6I588

同步方式法实现自同步，不依赖外需通过同步信号源或GPS协议实现多路采样数据的同

部信号源时钟实现步，不依赖于外部信号源，

交换机和装置均需支持

IEC61588协议，成本较高

互操作性较好好

1差1

共享性好

1差11差1

(2)协议选择

FT3协议优点是可以在接收端实现插值同步，不需要全站集中同步源，可通过FPGA

实现硬件并行处理；缺点是点对点光纤连接数量较多，不同厂家互操作困难(厂家有私

有扩展且使用专用硬件实现)，不符合智能变电站通信发展趋势；考虑到目前采样值传

输采用点对点方式时只有采用FT3协议才能够实现自同步，可靠性高，必要时应在智能

变电站中采用。

IEC61850-9-1基于以太网技术，采用点对点方式传输，网络传输迟延相对FT3不够

固定，编码方式比较简单、数据内容固定，较易实现；缺点是数据共享程度低，技术水

平落后，不符合发展趋势，而且IEC61850第二版己不修订9-1(2009年1月23日，

(57_990」NF)正式通知各个国家委员会，宣布取消IEC61850-9-1),因此智能变电站中不

应采用IEC61850-9-lo

IEC61850-9-2采用以太网传输方式，它是从IEC61850模型配置的角度出发而制定

的采样数据共享协议，具优势在于采样值.数据的自由配置和共享，但合并单元与保护测

控装置之间的数据匹配过程复杂，网络带宽和CPU编解码的开销较大，具有一定的实

现难度(灵活性和效率之间的固有矛盾)。IEC61850-9-2体现了IEC61850的复杂、通用

和建模等方面的特点，在智能变电站实施过程中突出了软件工具对信息进行配置的重要

性，代表了技术发展的趋势，应作为智能变电站采样值传输的主要通信协议。

为了解决数据匹配过程复杂的问题，尽快实现IEC61850-9-2,国外的主要电力自动

化厂商兼IEC61850制订者新近提出了较易实现的IEC61850-9-2的简化版本-IEC

61850-9-2LE,该版本将采样值数据集的配置固定为4电压4电流，采样速率80点/周

波，方便了不同厂家间一二次设备的互联。

(3)应用方案

a、互感器到合并器

电子式互感器与合并器通过光纤串行口连接，采用FT3协议，利用插值法实现三相

电流电压数据的同步。

b、合并器到间隔层设备

合并器具有光纤串行口输出和光纤以太网输出。

合并器与单间隔保护设备通过以太网口以IEC61850-9-2协议通信，采用点对点方

式；

合并器与测控装置、故障录波器、网络记录分析仪、功角测量装置、行波测距装置、

电子式电能表通过以太网口以IEC61850-9-2协议通信，采用网络方式；

合并器与跨间隔保护设备(如变压器保护、母线保护等)通过光纤串行口以FT3协议

通信，利用插值法实现各间隔电流电压数据的同步；必要时也可以通过以太网口以IEC

61850-9-2协议通信。

2.322开关量传输

开关量传输的目前可采用两种协议，如下图：

(1)两种通信协议技术对比

开关量传输协议GOOSEIEC61850-9-1

报文发送方式变时间间隔重发方式循环传送方式

传输方式点对点/网络点对点

编码方式复杂简单

传输内容可配置状态量可配置

互操作性好较好

共享性好差

(2)协议选择

IEC61850-9-1是点对点以太网传输采样值的协议，同时也可传输开关量。对于采样

值与开关量同步传输的场合，IEC61850-9-1协议是理想选择；利用IEC61850-9-1单独

传输开关量从技术方案上比较成熟，有多个工程实例；缺点是一般只用于点对点方式，

数据共享性差，不符合智能变电站建设理念，随着IEC61850-9-1协议被宣布取消，其在

智能变电站的应用也失去了价值；

GOOSE可以传输开关量、模拟量及时间同步等信息，目前主要应用为传输跳合闸

等开关量信息，可适应点对点、网络等多种通信方式，是智能变电站开关量传输的必然

选择。

2.3.3其他部分通信协议

目前变电站自动化系统所有相关设备均采用IEC61850协议通信并不现实，对于难

以提供符合IEC6185()接口的电子设备，需要与自动化系统通信时，宜通过RS485接口

以IEC60870-5-103协议与自动化系统配置的规约转换器通信，经规约转换器转换成

IEC61850协议后与系统通信。

2.4交换机配置原则

根据前面的论述和分析，智能变电站宜采用星型网络，但具体到交换机配置上，可

分为按间隔配置交换机和多间隔共享交换机两种方案，如下图：

2.4.1站控层网络交换机配置原则

2.4.1.1站控层

站控层为各类主机及间隔层交换机，对于220kV及以上变电站站控层宜冗余配置2

套中心交换机，每台交换机端口数量应满足站控层设备接入要求。

2.4.1.2间隔层

间隔层为各间隔保护、测控设备，网络传输的信息一般为MMS信息和非实时

GOOSE信息，对实时性和网络带宽及可靠性等要求相对不高，按照间隔配置交换机性

价比较低，宜按照设备室或按电压等级配置2套交换机。

每套交换机所含的交换机数量及交换机端口数量根据规模统一考虑。

间隔层交换机端口类型选择与二次设备布置方式相关，与同一个设备室的设备连接

宜采用电口，与其他设备室或配电装置区的设备连接宜采用光口。

2.4.2过程层网络交换机配置原则

过程层网络所连接的设备为保护设备、测控设备、智能终端、合并单元等，传输的

信息为SV、实时GOOSE信息及IEC6I588对时信息，交换机配置原则应强调高可靠性

和高实时性，根据不同的电气主接线型式和间隔类型分别考虑。

2.4.2.13/2接线

对于3/2接线，各串二次设备之间联系较多，考虑按串布置交换机，单独配置中心

交换机，所有保护及测控装置均接在同一交换机上，有利于信息的快速交换。

2.4.2.2220kV及以上单断路器接线

对于220kV及以上双母线和单母线等单断路器接线方式，各间隔二次设备相对独

立，只与公用设备有关系；系统对保护设备及二次回路要求高，按间隔布置交换机技术

优势明显。分析如下：

单断路器接线方式交

按间隔配置交换机多间隔共享交换机

换机配置

交换机可安装在保护屏上,与保护交换机需单独组屏，与保护/测控装置联

交换机安装位置

/测控的联系只是屏内光纤跳线系需经室内电缆沟拉光缆或尾缆实现

可维护性好差，各间隔界面不清晰

可靠性高较高

扩展性好,不影响其它间隔较差，新扩建间隔影响现有设备

各等级保护只需1个

为提高运行可靠性，单重化配置的保护

对保护装置要求SMV/GOOSE口即可满足运行要

装置需2个SMV/GOOSE口，装置复杂

求，装置简单

SMV/GOOSE网络与保护配置一单重化配置的保护需设两个

网络配置

一对应SMV/GOOSE网，不符合一一对应的原

则

网络成本较高较低

具体工程的方案选择应进行投资分析，结合技术指标综合考虑。

2.4.2.4主变间隔

主变间隔与三侧系统均有联系，过程层网络的设置有两种方案。

方案一：将主变视为一个大的间隔，配置1台交换机。主变保护及测控装置只需提

供1组GOOSE及SV接口，如下图所示。

至中压侧中心交换机至低压侧中心交换机

至高压侧中心交换机

主交交换机

________主变高压侧________

主交保护|合并单元/智能终端|主变测控

主交低压侧

主交中压侧主交本体

合并单元/智能终端智能终端合并单元/智能终端

方案二：将主变三侧视为三个间隔，按侧配置交换机。主变保护及测控装置需提供

3组GOOSE及SV接口，如下图所示。

方案三：将主变高压侧视为一个间隔，中低压侧视为一个间隔，按侧配置交换机。

主变保护装置需提供2组GOOSE接口，主变中、低、本体侧测控需各提供1个GOOSE

接口，如下图所示。

方案对比：

方案一交换机数量少，对保护及测控装置的要求较低，投资较少，。但采用此方案

时，三个电压等级过程层网络通过主变交换机沟通，物理网络无法独立，容易扩大故障

范围。

方案二中三个电压等级过程层网络从物理上完全独立，可靠性高。但此方案交换机

数量多，对保护及测控装置的要求较高，投资较大。

方案三中低压侧不配置过程层网络，低压侧主进过程层设备接入中压侧过程层网

络，此方案过程层网络从物理上相对独立，可靠性较高。交换机数量较少，性价比较高。

方案选择：

三个个方案各有优缺点，建议对于重要的变电站如220kV及以上变电站，采用方案

二或三，强调高可靠性；对于110kV及以下变电站，采用方案一，强调性价比，并通过

VLAN隔离等措施提高可靠性。

2.4.3过程层网络流量分析

过程层网络传输的信息为SV、GOOSE及IEC61588,均对实时性有很高的要求。

以太网的特点决定了100Mbit/s标称带宽并不意味着lOOMbii/s的传输能力，根据规程

DL"5149《220〜500kV变电所计算机监控系统设计技术规程》要求，在40%的带宽下,

交换式以太网的网络延时才可以忽略。因此在确定过程层交换机配置方案时，必须进行

网络流量计算，尤其是采样值组网时，对网络带宽消耗较大，应重点分析。

2.431采样值SV报文流量

根据智能变电站继电保护技术规范Q/GDW441中要求，供保护、测控、及录波用

SV报文采样率为4000Hz,即80点/周波。对于PMU、计量功能的采样率，目前各厂家

也均采用4000Hzo

每个SV报文中每1个APDU部分配置1个ASDU,对于双A/D采样，每个ASDU

长度按25()字节考虑，则合并单元输出的保护用采样值带宽为：

250字节x8bit/字节x5()周波/sx8()帧/周波=8Mbit/s

2A.3.2GOOSE报文流量

GOOSF报文具有突发性、高实时、低带宽的特点，正常时发送“心跳”报文，一般5

秒发送一次，事件发生时发送间隔变成每2ms发送一次，一般连续发送5帧报文，然后

发送时间又重新加长。如下图所示：

传输时间

'IIII、、

TO(TO)1TI1TI1T2IT3iTO

|________事件

TO:稔定条件(长时间无事件)下市传

(TO):稳定条件卜的重传可能被事件缩短

T1:事件发生后，最短的传输时间

T2,T3:直赳获得稳定条件的重传时间

每个GOOSE报文最大长度为250字节，一个IED设备发送的GOOSE报文的数据

流量平均为0.0008Mbit/s,峰值为1Mbit/s。

可以看出，GOOSE报文流量正常时可以忽略不计，事件发生时有短暂的冲击性流

量。

243.3过程层交换机带宽分析

(I)SV报文传输

根据前面的计算分析，每台合并单元输出的保护用SV带宽、计量用SV带宽均为

8Mbit/so

考虑到以太网40%的带宽限制，每台100Mbit/s交换机最多容纳5个间隔的保护SV

数据，才能使上传中心交换机的端口满足带宽要求。

计量用SV数据一般只供本间隔使用，不向中心交换机上传输数据，l()OMbit/s交换

机完全可以满足通信需求，没有间隔数量的限制。

(2)GOOSE报文传输

根据前面的计算分析，每个IED输出的GOOSE报文带宽正常时可以忽略，事件发

生时峰值带宽为1Mbit/s。

考虑到以太网40%的带宽限制，每台10()Mbit/s交换机最多容纳40个间隔的保护

GQQSF报文，才能使上传中心交换机的端口满足带宽要求。

2.434SV、GOOSE共网传输技术经济分析

(1)技术分析

GOOSE报文流量在正常时同样可以忽略，只有在事件发生时，每个IED发送的

GOOSE报文带宽才会短时达到IMbil/s左右。

SV报文是一种带宽稳定、流量较大的报文，是选择交换机时重点考虑的因素。

SV、GOOSE共网传输时，与中心交换机连接的端口最大流量为：4个间隔的保护

SV数据+4个间隔的GOOSE数据=(8+l)x4=36Mbil/s,可满足100M端口不大于40%的

要求；当超过4个间隔时，与中心交换机连接的端口应采用1000M端口。

从信息流向分析，SV为上行信息，GOOSE跳闸为下行信息，对于全双工的交换机

来说，SV流量不会影响GOOSE跳闸信息。

因此SV、GOOSE共网传输从技术上完全可行。

为进一步提高可靠性，实际应用时SV和GOOSE可考虑分端口与交换机相连，并

通过VLAN技术将一台交换机从逻辑上划成两台交换机，或通过GMRP技术实现报文

的自动寻址，实现报文分流。

(2)结论

SV、GOOSE报文共网传输是一种性价比很高的组网方式，推荐采用。

2.4.4过程层网络冗余方案

星型结构过程层网络网络冗余方式主要有三种，如下图。

方式一：双网单接口，IED冗余

此方案为两套独立的星型网络，对应于双重化的保护分别配置交换机，保护装置等

IED只提供一组过程层接口。如下图所示。

方式二：双网双接口，IED冗余

此方案为双星型网络，交换机和保护装置均双套配置。保护装置等IED提供双组过

程层接口，与两台交换机同时相联。如下图所示。

至号线髀2至㈣然2

至母纥保#11至其他公服备至母线保扪|至题邺设备

过程层中心交换机1过程层中心交换机2

过程层交换机1至过程层交换机N1为卷层交换机2至过程层翘机N2

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一娥娜藉1

I.合并单元向能终相

方式三：双网双接口，IED单套

此方案为双星型网络，交换机双套配置，保护装置等IED单套配置。保护装置等IED

提供双组过程层接口，与两台交换机同时相联。如下图所示。

方式对比：

方案一和方案二对应于220kV及以上系统，保护装置双重化配置。

两个方案设备数量相同，方案一在链路上没有冗余，间隔交换机故障时对应的保护

装置等需退出运行，依赖装置的冗余保证可靠性；方案二在链路上存在冗余，任意一台

间隔交换机故障，对应的保护装置等仍可继续运行，可靠性很高，但增加了装置和通信

的复杂程度。

方案三对应于UOkV及以下系统，保护装置单套配置。

此方案保护装置没有冗余，通过交换机的冗余保证通信的可靠性，不因交换机的

故障影响装置运行。

方式选择：

按照继电保护标准化设计规范，双重化配置的保护装置及其回路之间应完全独立，

不应有直接的电气联系，两套保护与两个跳闸线圈之间一一对应。在过程层网络设计时,

也应贯彻这一原则，使两套保护装置与两套过程层网络一一对应，彼此独立，因此22OkV

及以上系统宜采用方案一。

对于UOkV及以下系统，如果采用多间隔共享交换机方案时，为避免因交换机的故

障影响多个间隔，应采用方案三。

2.4.5国电电力天津海晶盐光互补一期工程过程层交换机配置方案

5OOkV终期单母筏接线：35kV终期采用扩大单元接线，本期建成4段单母线接线.

5OOkV配电装置采用户外HGIS,35kV配电装置采用户外AIS。

从2.4.3的分析可以看出，5OOkV系统过程层网络按串配置交换机，35kV系统不考

虑过程层网络。

2.5网络方案

基于IEC6185O标准构建的智能变电站为三层两网结构，通信网络方案可分解为站

控层网络方案和过程层网络方案，如下图：

网络方案

站控层网络方案

过程层网络方案

2.5.1站控层网络方案

根据前面各节的分析，智能变电站网络结构应选择星型网络，220kV及以上变电站

应采用双星型网络结构，交换机带宽不低于lOOMbids。

2.5.2过程层网络方案

针对国电电力天津海晶盐光互补一期工程具体情况，根据前面几节的分析结论，提

出本站过程层网络方案如下:

方案一：保护直采直跳+SV7GOOSE/IEC61588三网合一

系统图如下：

5()()kV系统：

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特点如下：

(1)采样值传输

a、合并单元与单间隔保护装置采用光纤点对点方式传输，采用IEC61850-9-2协议;

与跨间隔设备采用FT3或IEC61850-9-2协议。

b、故障录波器/网络记录分析仪、电能表、测控装置采样值通过网络采集，采用IEC

61850-9-2协议，数据同步利用IEC61588协议实现。

c、一次设备避雷器状态监测信息以4〜20mA方式接入各间隔智能终端，主变本体

油色谱、铁芯接地电流状态监测信息通过油色谱IED接入过程层网络，通过装置状态监

测IED接入计算机监控系统;预留5()()kVGIS局放状态监测接口，终期需要局放数据时，

可单独配置局放IED、主IED,接入过程层网络。

(2)开关量传输

a、各单间隔保护及主变差动保护跳闸采用点对点COOSF.直接跳闸的方式，跳闸命

令不经交换机直接发到断路器智能终端；其余开关量传输如测控装置跳合闸、保护启动

失灵、断路器和刀闸位置、主变后备保护动作跳分段、故障录波/网络记录分析系统等通

过过程层网络传输。

b、母线保护

母线保护的开关量采集(失灵启动、刀闸位置)通过过程层网络实现；

母线保护的开关量输出(启动线路远跳、闭锁重合闸、母差跳主进失灵联跳主变三

侧)通过过程层网络实现。

母线保护的开关量输出(跳闸)采用点对点GOOSE直接跳闸的方式。

(3)对时方案

站控层设备采用SNTP网络对时，间隔层和过程层设备宜采用IEC61588网络对时。

(4)网络结构

站控层网络(MMS总线)采用双星型以太网；

500kV系统过程层网络采用双套单星型以太网；

35kV系统不设过程层网络。

(5)交换机配置原则

各串、间隔过程层交换机均采用100M光纤以太网交换机；

500kV系统过程层网络推荐每5个间隔配置4台16光口交换机；

35kV系统过程层网络不配置过程层交换机；

主变保护提供2个独立的GOOSE网口分别与高压侧、中压侧系统连接；

根据网络流量计算，每个间隔的保护测量用SV带宽为8M左右。考虑到以太网40%

的带宽限制，500kV每串过程层交换机需提供1个千兆光口与中心交换机连接用，中心

交换机至少需提供6个千兆接口，供录波/网络记录分析、各串过程层交换机用：500kV

每个中心交换机至少需提供两个千兆接口，供录波/网络记录分析用。

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