220kV智能变电站网络结构及交换机配置优化方案研究

围绕智能变电站自动化设计方案，分析智能变电站网络结构及以太网交换机的先进技术，结合工程实际提出采 用数字化系统网络的措施和方案及以太网交换机配置优化方案。

近年来基于IEC61850标准的智能变电站建设越来越多，多数220kV的智能变电站配置站控层、间隔层和过程层3层结构。随着对IEC61850标准研究和应用的深入以及国内各厂商基于IEC61850标准产品的丰富，特别是智能一次设备中更多的整合二次设备的功能，利用先进的以太网交换机信息传播技术，使间隔层与过程层合并在技术上成为可能。

本文描述的智能变电站含2个电压等级220/66kV，2台主变压器，4回220kV出线，10回66kV出线，220kV配电装置采用双母线接线，66kV采用单母线分段接线。通过经济技术比较，提出了220kV智能变电站两层设备一层网络的网络结构体系，并对组网交换机进行优化配置。

智能变电站设备的整合优化

1)智能化的一次设备。一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序控制器代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。

220kV智能变电站220kV配电装置集成智能接口装置，包括合并单元和智能终端，智能接口装置对外接口均为光纤以太网口，实现了一次设备对二次的智能接入。

2)网络化的二次设备。变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、测量控制装置、防误闭锁装置、远动装置、故障录波装置、同期操作装置以及在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现功能装置重复的I/O现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置变成了逻辑的功能模块。

3)数字化的计量设备。有数字接口的计量装置不再需要模拟量采集回路。模拟量是通过网络获取电流、电压的瞬时采样值，通过采取适当的算法进行电能的计算。因此全数字化的计量装置可以集成到保护测控装置中，即可实现保护、测量、控制和计量一体化。

网络优化与整合

智能化一次设备和网络化二次设备的使用，使通常三层两网的智能变电站网络结构得以优化整合。

相对于以往的智能变电站，本站采用两层设备一层网络，具备以下特点。

1)设备层内部的信息交换，如测量保护装置与合并单元之间采用直接采样的方式，与智能终端之间直接交互GOOSE信息。以上信息传输均不经过系统层网络，在系统层及系统层网络失效的情况下，仍能独立完成设备的信息采集、设备运行的控制和保护命令的执行等。而且所有双重化配置保护均采用直采直跳，采样值信息与GOOSE信息的传输通道在物理上完全独立，不存在共网传输的可能，当一个通道/设备异常或退出运行时不影响另一通道/设备的运行，完全满足智能变电站继电保护技术规范的要求。

2)设备层之间的信息交换，主要为跨间隔的跳闸及设备层各设备之间的联闭锁。220kV母线保护采用直接采样直接跳闸的方式，信息传输不需要经过网络，母线保护所需开入量(失灵启动、刀开关位置触点、母联断路器过电流保护启动失灵和主变压器保护动作解除电压闭锁等)采用GOOSE网络传输;66kV母线保护采用直接采样直接跳闸的方式。主变压器保护直接采样、直接跳闸各侧断路器;主变压器保护跳母联、分段断路器采用GOOSE网络传输。设备之间的联闭锁通过GOOSE网络实现，此类信息占用网络流量较少，且仅在正常操作引起设备变位时有信息交换。以上所有GOOSE信息均可以通过IEEE802.1p优先级排队协议设置较高的优先级等级，保证信息传输的实时性;同时可以通过GMRP组播技术保证数据的定向分流，如主变压器保护跳母联断路器的GOOSE报文仅发至母联间隔而不发到其他间隔，如图1所示。

3)设备层与系统层之间的信息交换，本站计算机监控系统主机(含保护信息管理子站、一次在线监测主机等功能)、远动主机、二次设备在线监测及故障录波系统主机直接接入系统层网络。其中二次设备在线监测及故障录波系统需采集采样值信息及各种GOOSE信息，网络流量较大。本站采用多端口镜像技术，二次设备在线监测及故障录波系统直接与各交换机通过光纤以太网相连，避免了大流量数据在系统层内部传输。其余各保护测控计量一体化装置上传信息、在线监测主IED、一体化电源系统等上传信息均为MMS信息，数据量小，且可通过GMRP技术实现信息的定向传输;本站由站域控制实现低周减载功能，通过GOOSE网络切除66kV负荷线路，此类信息通过交换机设置IEEE802.1p优先级排队协议，保证跳闸信息的实时性传输。

4)系统层内部的信息交换。此类信息主要为MMS信息及GOOSE信息，网络流量较少且对实时性要求不高。

5)全站的网络交换机均支持IEC61588协议，边界时钟的同步性能也不会受到网络负载影响。

基于以上分析，220kV智能变电站将过程层设备和间隔层设备整合为设备层设备，设备层设备与系统层设备之间为系统层网络;形成两层一网的网络结构。系统层MMS网络、采样值网络和GOOSE网络与61588对时网络共网传输。两层设备及逻辑接口的逻辑关系如图2所示。

智能变电站网络的流量分析

为避免交换机流入流量超负荷，使网络产生阻塞，依据全站交换机的配置原则，本节对智能变电站网络进行流量分析，分别针对星形网络和环形网络进行流量理论计算，得到如下结论。

(1)SMV数据流量

IEC61850-9-2工程中实际最大报文长度单间隔SMV理论计算流量，按照每帧1点(12个模拟量通道)计算，一个合并单元的数据流量为5.088Mbit/s。