220kV智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及交換機配置優(yōu)化方案研究

(2)GOOSE數(shù)據(jù)流量

GOOSE工程中實際最大報文長度為6016bit，按照GOOSE的發(fā)送機制，一個智能設(shè)備變位時的最大數(shù)據(jù)流量為0.03Mbit/s。

(3)MMS數(shù)據(jù)流量

發(fā)生故障時是MMS數(shù)據(jù)流量最大的情況，包含遙測及遙信量，經(jīng)過理論計算值為0.012Mbit/s。

(4)網(wǎng)絡(luò)記錄分析儀及故障錄波系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)記錄分析儀及故障錄波系統(tǒng)自網(wǎng)絡(luò)流出流量為SMV、GOOSE信息，數(shù)據(jù)流量較大，但對于網(wǎng)絡(luò)流量分析需要的流入流量僅為MMS信息，理論計算值為0.012Mbit/s。

(5)公用設(shè)備數(shù)據(jù)流量

母線保護、公用測控裝置和一體化電源系統(tǒng)等流入交換機的數(shù)據(jù)主要包含GOOSE、MMS信息，上述設(shè)備的數(shù)據(jù)流量分別按照GOOSE、MMS的理論計算值核算。

(6)流量計算

最惡劣情況下(如220kV母線保護動作切除220kV所有斷路器)，全站數(shù)據(jù)流量統(tǒng)計如表1、表2所示。

雙星形情況下A、B網(wǎng)冗余配置，B網(wǎng)主干交換機數(shù)據(jù)流量相當(dāng)于A網(wǎng)主干交換機數(shù)據(jù)流量。

環(huán)形網(wǎng)絡(luò)最大流量考慮當(dāng)某一通道發(fā)生故障時，某一交換機發(fā)送信息到最遠交換機的數(shù)據(jù)流量。

智能變電站網(wǎng)絡(luò)的性能分析

本節(jié)結(jié)合上節(jié)得出的流量結(jié)果，分別針對星形網(wǎng)絡(luò)和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)作出了性能分析。

本站使用兩層一網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)具備眾多優(yōu)點：網(wǎng)絡(luò)簡單，易于布線;擴展容易，不會引起網(wǎng)絡(luò)中斷;便于維護，任何一個間隔故障，僅需對交換機相關(guān)部分進行隔離，無需更換交換機;交換機數(shù)量少，投資少;任何網(wǎng)絡(luò)通道故障，可以實現(xiàn)快速自愈，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

網(wǎng)絡(luò)性能、功能主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)響應(yīng)能力分析

測量數(shù)據(jù)、保護信號和控制命令等都要求實時傳送。特別是出現(xiàn)故障時要求信息能在站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)上快速傳送，保證嚴格的時限要求。

實時性要求有以下3個方面：①傳輸速度快。指單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒍?。②響?yīng)時間短。指事件發(fā)生時，傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上及執(zhí)行器接收到該信息馬上執(zhí)行所需的時間。響應(yīng)時間由執(zhí)行器控制中斷的能力、信息在通信協(xié)議的應(yīng)用層與物理層之間的傳輸時間、等待網(wǎng)絡(luò)空閑的時間和避免信息在網(wǎng)絡(luò)上碰撞的時間4個方面的因素決定，這個時間對大多數(shù)通信協(xié)議是一個隨機數(shù)。③巡回時間短。指系統(tǒng)與所有通信對象都至少完成一次通信所需要的時間。

由于本站設(shè)備較少，星形和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)均能滿足相應(yīng)能力的要求。

(2)網(wǎng)絡(luò)延時分析

網(wǎng)絡(luò)延時定義為一幀報文從發(fā)送者到接收者的網(wǎng)絡(luò)傳輸花費的全部時間。網(wǎng)絡(luò)延時由以下4部分組成：①幀發(fā)送延時(Transmit Lantency，T0)。②交換延時(SaveForward，T1)。③線路傳輸延時(Wire Latency，T2)。④幀排隊延時(Queue Latency，T3)。

以上4種延時中，前3種延時由網(wǎng)絡(luò)本身的硬件和軟件決定，只有排隊延時具有不確定性。要分析以太網(wǎng)延時，就必須分析出影響排隊延時的因素，通過減小排隊延時將有利于提高整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實時性能。影響以太網(wǎng)通信延時的主要因素是節(jié)點數(shù)目和通信速率，也就是說網(wǎng)絡(luò)負荷是造成通信延時的主要原因。

在電力系統(tǒng)中，站點之間傳輸?shù)闹饕嵌绦畔?。?dāng)節(jié)點數(shù)目較少時，通信延時很小，隨著節(jié)點數(shù)目的增加，延時也隨之增大;同時，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)延時的減小，從而改善以太網(wǎng)的實時性能。

根據(jù)上節(jié)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)流量，計算出兩種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)延時情況如表3所示。

計算表明，雙星形網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)延時方面較環(huán)形網(wǎng)絡(luò)有一定優(yōu)勢，但兩者都能滿足智能變電站系統(tǒng)層網(wǎng)絡(luò)的要求。

(3)可靠性分析

網(wǎng)絡(luò)可靠性表示網(wǎng)絡(luò)連續(xù)無故障工作的能力，其判斷依據(jù)是網(wǎng)絡(luò)的任意兩節(jié)點之間至少存在一條可通信的鏈路。經(jīng)分析可得，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)和雙星形網(wǎng)絡(luò)均能滿足變電站可靠性要求。

經(jīng)濟技術(shù)比較

3種方案的經(jīng)濟技術(shù)比較如表4所示。

經(jīng)比較可以看出，3種方案均能滿足智能變電站的需求，而兩層一網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟性大大超出其他兩種方案，因此智能變電站推薦選擇兩層一網(wǎng)環(huán)網(wǎng)的組網(wǎng)方式。

智能交換機配置方案

220kV智能變電站以太網(wǎng)交換機要求具備以下功能：可靠性符合IEC61850-3標準;支持多環(huán)組網(wǎng)方案;Zero-Packet-Loss零丟包技術(shù);滿足C3級(-40～120℃)寬溫度范圍;滿足IEC61000-6-5標準的抗電磁干擾能力;支持802.1QVLAN;支持802.1p優(yōu)先級排隊協(xié)議;支持GMRP組播技術(shù);支持IEEE61588對時方式;每臺交換機按16端口配置。

系統(tǒng)層網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形配置方式，共2臺公用交換機，其余交換機按電壓等級配置。220kV每

2個間隔配置1臺以太網(wǎng)交換機，共配置3臺;66kV每段母線配置1臺以太網(wǎng)交換機，共配置2臺;每臺主變壓器配置1臺以太網(wǎng)交換機，共配置2臺。全站共配置9臺以太網(wǎng)交換機。

繼電器室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信介質(zhì)采用以太網(wǎng)線;通向戶外的通信介質(zhì)采用光纜;采樣值和保護GOOSE等可靠性要求較高的信息傳輸采用光纖。

結(jié)束語

220kV智能變電站整站建立在IEC61850通信技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上，按分層分布式來實現(xiàn)智能變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間的信息共享和互操作性。本站按兩層設(shè)備一層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，兩層為系統(tǒng)層和設(shè)備層，一層網(wǎng)絡(luò)為系統(tǒng)層網(wǎng)絡(luò)。