智能变电站过程层用交换机的研制_王文龙
智能变电站过程层用交换机的研制
王文龙，杨 贵，刘明慧
（南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市２１１１０２
）摘要：简述了目前智能变电站的常用网络架构，从电源、存储转发时延、温度范围、吞吐量、强电磁干扰下的零丢包技术、环网自愈时间、组播流量控制和优先级、网络安全控制几方面分析了智能变电站过程层对过程层交换机的需求。提出了一种智能变电站过程层交换机的研制方案，并从组网方式设计、硬件实现和软件实现３个方面详细阐述了该方案，介绍了软件架构和各功能模块的作用。最后对采用该方案研制的交换机的测试结果和运行情况进行了描述和总结。关键词：智能变电站；过程层；交换机
收稿日期：２０１０－１１－２９；修回日期：２０１１－０７－
２５。０ 引言
在智能变电站中，通过交换机构建间隔层和过
程层之间的网络，
保护跳闸命令传输、开关信号的上送、模拟量采集上送等也必须通过交换机实现。交换机的性能和运行情况将直接影响全站运行的可靠
性［
１］
。由于交换机的功能及性能指标都是针对非工业用户所设计，相关的技术标准也是针对非工业用
户所提出，
故交换机在电源、存储转发时延、温度范围、吞吐量、强电磁干扰下的零丢包技术、环网自愈
时间、流量分类控制、网络安全控制等方面，不符合电力系统的应用条件，更不能满足智能变电站过程层的应用需求。因此，研制工业级交换机，以适应智
能变电站过程层的应用十分必要［
２－
３］。１ 智能变电站网络架构
智能变电站可分为站控层、间隔层、过程层，站
控层和间隔层之间的网络为ＭＭＳ网，间隔层和过程层之间的网络为ＧＯＯＳＥ／ＳＭＶ网（
统称为过程层网络）
［１］
。目前智能变电站大多采用星形网络，基本结构如图１所示
。
图１ 智能变电站组网方案
Ｆｉｇ
．１ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｏｆ ｓｍａｒｔ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ图１所示的网络架构中，ＭＭＳ网用于站控层
设备和间隔层设备的信息交换，主要是监视间隔层
设备和控制信息，可靠性要求较低，但数据量相对较
大［１］
；ＧＯＯＳＥ网主要用于过程层设备的跳闸、
保护之间的信息交互、开关刀闸等开关量信息的采集［
４］
；ＳＭＶ网用于传输电子式互感器所产生的模拟量。
智能变电站的信息数据量庞大，对数据传输的可靠性、实时性要求很高。
２ 智能变电站过程层基本需求
２．１ 电源
变电站中一般采用直流电源，交换机需要适应变电站的电源供电方式。在智能变电站中，１台交换机连接多个间隔，１台交换机的电源故障将导致多个间隔的网络中断，所以交换机需要提供双电源。双电源可同时运行、均衡负载，也可采用主备运行切换方式。当采用主备运行切换方式时，应保证主备电源切换期间交换机的正常运行。
２．２ 存储转发时延
常规变电站的保护跳闸信号通过电缆传送，实时性好，而智能变电站的保护装置先形成ＧＯＯＳＥ跳闸命令报文，再经过交换机传送给智能终端。其中交换机的存储转发时延是影响跳闸命令传输时间
特性的一个重要因素，存储转发时延越小，ＧＯＯＳＥ跳闸的实时性就越好。考虑到目前的交换技术水
平，交换机的存储转发时延在１００％吞吐量时应该
小于４μｓ
。对于光纤交换机，减小光模块的转发时延是减小交换机存储转发时延的一个途径。
２．３ 温度范围
智能变电站的部分过程层设备需要就地安装，例如智能终端往往需要安装在开关旁边。随着过程层设备的就地化，过程层交换机往往也需要户外就
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２７—第３５卷 第１８期２０１１年９月２５日
地安装。中国幅员广阔，南北温度差异大，低温对交换机的影响一般不大，但是交换机在高温下运行时，其相关元器件的老化速度会加快，严重影响其性能和使用寿命。交换机必须采用适当的无风扇自冷散热技术，使得交换机能够在－４０～＋８５℃的温度范围内长期可靠地工作。
交换机的散热技术一般从２方面着手，一是降低元器件功耗，另一个是增加散热面积。
２．４ 吞吐量
智能变电站过程层数字化后，过程层网上传输报文的字节长度各有不同，例如不同间隔的跳闸ＧＯＯＳＥ报文、ＳＭＶ报文中，任意一帧丢失均可能导致保护工作异常，从而严重影响保护动作的可靠性，进而影响整个电网的安全。因此，要求交换机必须对有效长度（６４～１ ５１８Ｂ）内的所有报文吞吐量达到１００％。当网络报文流量达到上限时，不能出现因交换机吞吐量达不到１００％而引起报文丢失，避免因某一字节长度报文出现丢包而影响变电站的可靠运行。
２．５ 强电磁干扰下的零丢包技术
在变电站中，正常和异常运行状况下都会产生和遭受各种电磁干扰，例如高压电气设备和低压交直流回路内电气设备的操作、短路故障所产生的瞬变过程，电气设备周围的静电场和磁场、雷电、电磁波辐射、人体与物体的静电、放电等［５］。这些电磁干扰会对交换机通信数据的转发产生影响，导致交换机转发的报文中某些字节出错，使得链路层的ＣＲＣ校验出错，从而丢失整帧报文。报文丢失会导致模拟量采样出错、开关量丢失、跳闸延时，影响变电站的可靠安全运行。
交换机可采用全封闭机箱、分区接地、电源干扰抑制、电路板按电压等级分区、信号线屏蔽等抗ＥＭＣ干扰技术，实现强ＥＭＣ干扰下的零丢包技术，以满足过程层数字化的需求［６］。
２．６ 环网自愈时间
在环网架构的物理链路上，交换机构成１个环；在逻辑链路上，其中１台交换机的１个端口处于“ｂｌｏｃｋ”状态，数据流不能通过，从而在逻辑上构成非环链路。当网络上出现故障时，交换机之间的环网架构发生改变，交换机需要能探测到网络架构的改变，并能够重新构建新的逻辑链路。在智能变电站中，环网故障自愈的时间应尽量短，并且最好实现零丢包。
交换机一般采用快速生成树协议（ＲＳＴＰ）实现环网自愈，但是标准的ＲＳＴＰ环网故障后恢复的时间较长，很难满足智能变电站的需求。一般情况下，
智能变电站用交换机针对智能变电站的应用采用自己的环网自愈技术，就目前的技术水平而言，其自愈时间应该小于２ｍｓ／ｈｏｐ。
２．７ 组播流量控制和优先级
智能变电站中，本间隔的保护测控装置往往只关心本间隔的数据（如线路保护），而ＧＯＯＳＥ报文和ＳＭＶ报文都是组播发送，如不进行控制，交换机会将此类报文向其所有端口转发，网络上会增加许多不必要的组播流量，极大地浪费带宽。因此，智能变电站内组播流量控制十分必要［７］。
交换机可以采用虚拟局域网（ＶＬＡＮ）技术将相关的装置划分在同一ＶＬＡＮ里，限制组播的转发范围；或者采用动态组播管理协议（ＧＭＲＰ）动态对组播数据进行管理，控制组播数据的转发端口。２种方式都可减少网络上不必要的组播流量。
另外，交换机也需要支持优先级技术，保证重要数据的实时性。
２．８ 网络安全控制
智能变电站的采样值、跳闸、联闭锁等重要信息全部通过网络传输。因此，交换机网络必须提供更高的安全控制策略，如目前常用的基于静态ＭＡＣ或８０２．１Ｘ［８］的网络安全控制策略，二者均可提供精确到端口粒度的网络安全，可从源头上杜绝网络侵害隐患。
３ 交换机的整体方案
３．１ 组网方式设计
智能变电站用交换机需要支持星形网、环网等多种组网方式。支持星形网时，交换机需要提供１个千兆光纤端口，用于主交换机和从交换机之间级联；支持环网时，需要提供２个千兆光纤端口，以构成环网。因此，交换机一般支持２个千兆光纤端口。
３．２ 硬件方案
交换机的硬件架构分为数据交换模块和管理模块２部分。数据交换模块负责交换机的基本的数据交换处理，支持１６个百兆光纤端口、２个千兆光纤端口，采用存储转发模式工作，缓存空间应不小于６ＭＢ，存储转发延时小于４μｓ。管理模块实现交换机的管理、配置、调试以及交换机的高级应用功能。管理模块和数据交换模块之间通过ＰＣＩ连接。基本框架如图２所示。
３．３ 软件方案
３．３．１ 软件架构
该交换机的软件整体结构分为操作系统、系统抽象层（ＳＡＬ）、交换模块的操作接口层（Ｓｗｉｔｃｈ
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３
７
—
·智能变电站专题· 王文龙，等 智能变电站过程层用交换机的研制
ＡＰＩ
）、基本功能模块、高级功能模块、配置管理模块、日志／告警模块等几部分，如图３所示
。图２ 交换机的硬件框架
Ｆｉｇ
．２ Ｈａｒｄｗａｒｅ ｏｆ ｓｗｉｔｃ
ｈ图３ 软件结构分解图Ｆｉｇ
．３ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈａｒｔ３．３．２ 操作系统、ＳＡＬ、ＡＰＩ模块
综合考虑系统稳定性、高效性和可扩展性等因素，采用了嵌入式实时多任务操作系统。
ＳＡＬ提供通用的系统函数封装接口，使得上层的应用程序与操作系统无关，确保程序具有良好的
可移植性，为今后ＣＰＵ或操作系统升级提供了良
好的可扩展性。
Ｓｗｉｔｃｈ ＡＰＩ封装了应用功能对交换模块的操作，包括修改端口属性、读写交换芯片各寄存器等，为上层应用提供了简明清晰的操作手段。增加该层使得上层应用程序独立于交换芯片而存在，便于上层应用程序的改进和移植，提高了可扩展性。３．３．３ 日志／告警模块
记录交换机内部的日志和告警，为其他各模块提供产生日志和告警的接口，产生的日志和告警存储在Ｆｌａｓｈ盘中，断电后不丢失。可以通过ＦＴＰ将日志／告警信息上传到电脑后再浏览，也可在操作界
面（Ｗｅｂ，Ｔｅｌｎｅｔ，ＣＬＩ
）菜单中浏览。日志／告警信息按重要程度分为以下几级。第１级：装置或功能模块运行出错信息，如系统运行出错、各功能模块运行出错等。
第２级：各功能模块正常状态变化信息，如各端口状态变化、ＧＭＲＰ注册和注销、８０２．１Ｘ认证成功和失败、ＳＮＴＰ时钟同步和失步等。第３级：装置的正常操作记录，如装置启动记
录、用户登录及退出记录、各功能模块的开启及关闭记录等。
３．３．４ 配置管理模块
该模块负责所有参数的显示、配置，可以通过Ｗｅｂ，Ｔｅｌｎｅｔ，ＣＬＩ（命令行界面）对交换机进行访问和维护，
以满足在不同场合和条件下用户对交换机配置和管理的需要。
３．３．５ 基本功能模块
该模块主要包括对端口模式、属性的控制管理。通过改变Ｓｗｉｔｃｈ和物理层（ＰＨＹ）芯片上相关寄存器的内容设置端口的各项属性，以适应应用需求。该模块接收来自配置管理模块的功能控制命令，设置ＰＨＹ芯片和Ｓｗｉｔｃｈ芯片的工作模式。同时该模块与日志／告警模块接口，对常规配置操作和系统运行异常等情况进行记录。
该模块内部各子模块之间为平行关系，独立运行，可分为６个模块。１）ＰＨＹ模式控制：控制ＰＨＹ工作模式，
包括端口的工作速率、
全双工／半双工模式、自动协商模式控制和网线自动交叉识别等。
２）端口属性控制：控制端口属性，包括端口使能、网络报文控制等。
３）端口镜像设置：用于将某一个或几个端口上的所有流量复制到另外一个或几个端口上，用于侦测或调试。
４
）端口聚合设置：用于将多个端口聚合成１个数据通道，该通道被视为单个逻辑连接，以便扩展交换机级联带宽或增加级联冗余度。
５）端口速率限制：控制每个端口输入、输出流量速率，可同时对端口速率和端口瞬时风暴进行设置。
６）网络风暴抑制：用于抑制广播、多播或未知单播的网络风暴。
３．３．６ 高级功能模块
该模块提供管理型交换机的各项高级应用功能，包括环网管理、数据隔离、链路冗余、流量分类控制、端口安全、流量远程监控和统计、对时、多播报文管理等。
该模块接收来自配置管理模块的功能控制命令，设置ＰＨＹ芯片和Ｓｗｉｔｃｈ芯片的工作模式。同时该模块与日志／告警模块接口相连，对常规配置操作和各项高级功能在运行过程中的异常情况或重要
—
４７—２０１１，３５（１８
）
事件进行记录。该模块内部各模块为平行关系，独立运行，可以独立打开和关闭，如图３所示，可分为８个模块。
１）ＲＳＴＰ：ＲＳＴＰ是一种２层管理协议，它通过有选择性地阻塞网络冗余链路来达到消除网络２层环路的目的，同时具备链路的备份功能。采用ＲＳＴＰ技术组成环网，可以在网络投资较少的情况下获取更高的可靠性。
２）８０２．１ＱＶＬＡＮ管理：ＶＬＡＮ是将局域网设备从逻辑上划分成一个个更小的局域网，从而实现虚拟工作组的数据交换技术，以静态配置的方法限制了多播和广播报文的传输范围，数据流量得到优化控制，ＶＬＡＮ在智能变电站中已被广泛应用，提高了变电站运行可靠性［７］。
３）８０２．１Ｐ优先级管理：该模块将８０２．１Ｐ优先级转化为内部的服务类别（ＣｏＳ）队列，同时允许对队列的调度策略进行配置。智能变电站中可通过优先级标签来制定报文的优先转发策略、保证跳闸等重要信号的优先传送和可靠性。
４）网络安全控制：该模块包括８０２．１Ｘ和基于静态ＭＡＣ的端口安全２种安全控制策略，为网络安全管理提供了优良的策略和手段。用户可以对站内交换机端口进行严格的接入控制管理，杜绝了网络安全隐患。
５）ＳＮＭＰ和ＲＭＯＮ：该模块可通过响应管理站查询提供整个网络的拓扑、交换机端口各项流量统计指标、端口状态、历史数据统计、通过预设条件产生的告警和日志，并可主动上送ｔｒａｐ信息［９］。该项功能为智能变电站通信网络的监控和分析提供了丰富的数据来源，在智能变电站内有着广阔的应用前景。目前已在示范变电站中开始采用，用户可在后台机（管理站）实时了解站内各交换机的工作情况和网络状态［７］。
６）ＧＭＲＰ和ＧＶＲＰ：ＧＭＲＰ是一种基于以太网链路帧的自动多播配置方案，由于ＶＬＡＮ和多播管理信息未能在ＩＥＣ ６１８５０模型文件中进行规范表达，为了解决此问题，可通过ＧＭＲＰ或者ＧＶＲＰ实现ＩＥＤ和交换机的互动，由装置告诉交换机多播报文的转发范围，以达到动态优化网络流量的目的，省去了配置静态ＶＬＡＮ的繁琐，并且可以动态应对网络结构的改变［８］。
７）ＩＧＭＰ Ｓｎｏｏｐｉｎｇ：通过对收到的ＩＧＭＰ报文进行分析，为端口和ＭＡＣ组播地址建立映射关系，并根据这样的映射关系转发组播数据，已知组播组的组播数据不会在２层被广播，而在２层被组播给指定的接收者。
８）ＳＮＴＰ：通过ＳＮＴＰ客户端模块访问时钟源以便同步内部时钟。
４ 测试
ＰＣＳ－９８８Ｘ系列交换机研制过程中做了各种测试、验证和改进，最终通过了电力系统权威机构的认证，部分试验结果如表１所示。
表１ ＰＣＳ交换机试验结果
Ｔａｂ．１ Ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ ａｂｓｔｒａｃｔ ｏｆ ＰＣＳ ｓｗｉｔｃｈ
项目参数或内容
延时＜２μｓ
吞吐量１００％
温度范围－４０～＋８５℃
ＥＭＣ试验零丢包满足
环网恢复时间＜２ｍｓ
高级应用功能ＳＮＭＰ，ＲＭＯＮ，ＧＭＲＰ，ＳＮＴＰ，８０２．１Ｘ等
５ 应用
５．１ ２２０ｋＶ大石桥智能变电站的基本情况
２２０ｋＶ营口市大石桥智能变电站有２台主变，２２０ｋＶ出线６回，６６ｋＶ出线１９回；６６ｋＶ，２２０ｋＶ主接线均为双母线带旁路接线。大石桥变电站过程层设备全部数字化，采用电子式互感器，通过ＩＥＣ６１８５０－９－２上送数据，通过ＧＯＯＳＥ实现跳闸及开关量的获取，ＳＭＶ网和ＧＯＯＳＥ网合二为一，采用双星形网，站控层和间隔层之间的ＭＭＳ网采用双星形网。ＭＭＳ网采用２台ＰＣＳ－９８８１和８台ＰＣＳ－９８８２Ｃ，过程层网采用３２台ＰＣＳ－９８８２Ｂ。大石桥变电站网络架构如图４所示
。
图４ 大石桥变网络架构
Ｆｉｇ．４ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｄａｓｈｉｑｉａｏ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ
５．２ ＰＣＳ－９８８Ｘ系列交换机运行情况
ＰＣＳ－９８８Ｘ系列以太网交换机在大石桥变电站正式投运以来的运行情况如下：
１）交换机存储转发延时小于２μｓ，保证了信息（尤其是ＧＯＯＳＥ跳闸信息）传送的实时性。
—
５
７
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·智能变电站专题· 王文龙，等 智能变电站过程层用交换机的研制
２
）在过程层交换机传输流量很大的情况下仍然保持线速转发。每台过程层交换机接入约１６台合并单元或智能终端，每台合并单元报文流量约为５ＭＢ／ｓ
。３）通过ＶＬＡＮ方式进行分类流量控制。通过划分ＶＬＡＮ的方式有效减少了不必要的ＳＭＶ和
ＧＯＯＳＥ多播报文流量，节省了带宽。４）利用ＩＥＥＥ ８０２．１Ｐｔａｇ标签进行报文优先级
管理，保证ＧＯＯＳＥ报文的优先发送和最小延时。ＰＣＳ－
９８８Ｘ系列以太网交换机在大石桥变电站正式投入运行以来一直运行稳定可靠，
对全站的保护动作、开关量的采集、模拟量传输等方面都起到了关键的作用。
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９２．王文龙（１９７３—），男，通信作者，硕士，高级工程师，主要研究方向：变电站自动化系统、智能变电站、配网自动化。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｗｌ＠ｎａｒｉ－ｒｅｌａｙ
ｓ．ｃｏｍ杨 贵（１９７６—），男，硕士，工程师，主要研究方向：变电站自动化系统。
刘明慧（１９８０—），男，硕士，工程师，主要研究方向：变电站自动化系统。
Ｄｅｖｅｌｏｐ
ｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｗｉｔｃｈ Ｕｓｅｄ ｉｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｌｅｖｅｌ ｏｆ Ｓｍａｒｔ ＳｕｂｓｔａｔｉｏｎＷＡＮＧ Ｗｅｎｌｏｎｇ，ＹＡＮＧ Ｇｕｉ，ＬＩＵ Ｍｉｎｇ
ｈｕｉ（Ｎａｎｊｉｎｇ ＮＡＲＩ－Ｒｅｌａｙｓ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ
２１１１０２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｌａｓｓｉｃａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｍａｒｔ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｎ ｓｗｉｔｃｈ ｕｓｅｄ ｉｎｐｒｏｃｅｓｓ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｓｍａｒｔ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｆｒｏｍ ｓｅｖｅｒａｌ ａｓｐｅｃｔｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ，ｓｔｏｒｅ－ａｎｄ－ｆｏｒｗａｒｄ ｌａｔｅｎｃｙ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｎｇｅ，ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｚｅｒｏ ｐａｃｋｅｔ ｌｏｓｓ ｕｎｄｅｒ ｓｔｒｏｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｓｅｌｆ－ｈｅａｌｉｎｇ
ｔｉｍｅ ｏｆｒｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ，ｍｕｌｔｉｃａｓｔ ｆｉｌｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｐｒｉｏｒｉｔｙ，ａｎｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｅｔｃ．Ａ ｓｗｉｔｃｈ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｐｒｏｃｅｓｓｌｅｖｅｌ ｏｆ ｓｍａｒｔ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ ｆｒｏｍ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｎｅｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈａｒｄｗａｒｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏｌｅ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｍｏｄｕｌｅｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｓｃｈｅｍｅ ａｒｅ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ａｎｄ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ．Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：ｓｍａｒｔ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ；ｐｒｏｃｅｓｓ ｌｅｖｅｌ；ｓｗｉｔｃｈ
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６７—２０１１，３５（１８
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智能变电站发展前景及其关键技术分析
智能变电站发展前景及其关键技术分析 摘要：在时代迅速发展的带领下，我国对于电力的数量需求以及质量要求越来 越严苛，电力行业也是不负众望，为我国的电力用户提供安全、稳定的电力。但 由于数字技术的提高以及能源政策的调整，传统的电力自动化系统已经落后，智 能变电站的建设和发展成为必然的发展趋势。本文将简单介绍智能变电站的定义 和优点，分析其关键技术，并探究其在当今社会条件下的展望。 关键词：智能变电站；发展；关键技术 一、智能变电站概述 智能变电站是由智能设备和变电站全景数据平台两个核心部分组成。智能设 备能够通过通信光纤之间的连接来获取实时的智能变压器的工作参数和信息，所以，当其工作状态产生变动时，智能设备能够依照控制系统的电压和功率来判断 分接头的调度；当其工作状态遇到障碍时，智能设备能够产生警报且提供相应的 工作参数和数据信息等，另外，智能设备中的高压开关这一设备拥有稳定高效的 开关和控制功能，能够实时监测设备运行状态并及时诊断出设备的问题所在，帮 助工作人员快速高效地排除和修复所遇到的障碍，有效地减少了设备的管理费用，降低运行风险，使其稳定性得到合理的保障。变电站全景数据平台能够采集变电 站电力系统各状态下的工作参数和设备运行数据，能够将变电站的信息源头进行 简单化和一致化处理，实现横纵方向的信息透明化、共享化，进而规范相关信息 的处理方式和接口访问，以满足智能变电站信息库的性能要求，为变电站中一系 列的高级应用功能打下坚实的基石。 二、智能变电站的发展前景展望 当今社会条件下，人们对生活的水平和质量有着更高的要求和期望，生活更 加智能，智能的同时是带来不断增长的电力需求量，随之而来的必然是用电量的 持续上涨，那么只有我国的电力行业不断强化自身的发展，全面保障安全稳定的 持续电力供应，才能满足人们的相应需求。而传统的电力自动化系统已然跟不上 智能化的现代生活，这就要求传统电力网络向智能化发展，只有建立起智能电网，才能够实现智能供电，而智能变电站在智能电网的建立过程中具有举足轻重的地位。 我国的一二五计划中也提到了关于智能电网的发展规划，在2015年，我国已成功建成规格110-750千伏的智能变电站上万座。另外，我国政府在智能变电站 的投资在一二五期间达到160000亿元，所以不论从社会需求还是国家的重视度 都可以看出智能变电站的发展前景是非常可观的。那么为什么智能变电站能得到 国家的认可，原因就在于智能变电站的能够涉及到发电、点的传输与调配、通信 等等方面，能更好的实现电力资源的分配，另外，智能的变电站在设备的检修方 面也有很大的优势，通过网络大数据的使用，可以更好的对各电站的输电环境以 及设备进行监测。 当然，虽然智能变电站的发展前景是非常可观的，但是在发展的过程也避免 不了问题和挑战。首先，智能变电站的发展前提是网络技术的支持，我们必须要 有成熟的网络技术支持。第二，对与智能变电站，我们也需要特殊的材料，那么 这方面的研究也是智能变电站发展的基础。总的来说，智能变电站的是机遇与挑 战并存的，但是在社会发展迅猛的今天，我认为智能变电站的发展已成为必然趋势，所以发展的大方向还是好的。 三、智能变电站的关键技术分析
数字化变电站过程层网络通信流量计算
过程层网络流量分析 1. 采样值网络流量分析 1.1采样值网络概述 采样值传输采用IEC61850-9-2标准，合并单元和二次设备均连在交换机网络上。220kv线路间隔配置成一个独立的网段，考虑采用独立的交换机。主变三侧作为一个大间隔，配置成一个独立的网段，采用独立的交换机。每一个电压等级配一台公共交换机，连接该电压等级对应的母线保护、PT合并单元，各 间隔对应的交换机也通过级联端口连到该公共交换机。 采用组播过滤技术来解决网络阻塞的问题，接收端口只收到预订的MAC地 址对应的9-2报文，降低了网络的流量。 PT并列考虑在PT合并器实现，PT切换在间隔合并器实现。因此，对于主变保护和线路保护而言，不需要在网路上预订PT合并器的9-2报文，但母线保 护需要预订PT合并器的报文。 1.2IEC61850-9-2帧格式说明 1.2.11SO/IEC 8802-3以太网帧结构 IEC 61850-9-2LE采样值报文在链路层传输都是基于ISO/IEC 8802-3的以太网帧结构。帧结构定义如下图所示：
方法。 (2) 帧起始分隔符字段(Start-of-Frame Delimiter ) 知道导入帧，并且该字段提供了同步化接收物理层帧接收部分和导入比特流的 格式说
帧起始分隔符字段，1字节。字段中1和0交互使用。 (3)以太网mac地址报头 以太网mac地址报头包括目的地址(6个字节)和源地址(6个字节)。目的地址可以是广播或者多播以太网地址。源地址应使用唯一的以太网地址。 IEC 61850-9-2 多点传送采样值，建议目的地址为 01-0C-CD-04-00-00 到 01-0C-CD-04-01-FF。 (4)优先级标记(Priority tagged) 为了区分与保护应用相关的强实时高优先级的总线负载和低优先级的总线 负载，采用了符合IEEE 802.1Q的优先级标记。 优先级标记头的结构： TPID 值：0x8100 User priority :用户优先级，用来区分采样值，实时的保护相关的GOOSE 报文和低优先级的总线负载。高优先级帧应设置其优先级为4?7,低优先 级帧则为1?3，优先级1为未标记的帧，应避免采用优先级 0，因为这会引起正常通信下不可预见的传输时延。 采样值传输优先级设置建议为最高级7。 CFI:若值为1,则表明在ISO/IEC 8802-3标记帧中，Length/Type域后接 着内嵌的路由信息域(RIF)，否则应置0。 VID :虚拟局域网标识，VLAN ID。 (5)以太网类型Ethertype 由IEEE著作权注册机构进行注册，可以区分不同应用
过程层网络流量计算
对于智能变电站的过程网络，SMW报文数据量交大、流量稳定；GOOSE信息的特点则是实时性要求高，对带宽占用较少。为了减轻过程层交换机的负载，增加数据交换的安全性和效率，需对交换机按端口划分VLAN。一般来讲，VLAN划分的主要原则：按逻辑功能进行划分，简单可靠。在满足要求的情况下，不宜划分过多的VLAN，以免为现场配置、运行维护以及日后的扩展带来困扰。 一、装置流量分析 （一）装置发送GOOSE报文流量 由于同一种装置发送的GOOSE信号数量可能有差异，取典型报文长度进行网络流量计算。正常无信号变位情况下，GOOSE发送报文时间间隔为5S。假设GOOSE报文的典型长度为200B，则装置发送GOOSE报文流量为（200*8）/5=320(bit/s)。 （二）装置发送SMV报文流量 SMV9—2采样值传输按12通道模拟量计算，发送频率为4K，典型报文长度为160B。装置发送采样值流量为（160*8）*4000=5.12（Mbit/s）。 二、SMV和GOOSE共网方式分析 SMV和GOOSE共网的关键在于流量的划分通常采用VLAN网络划分方式。以某一110KV 智能变电站为例，其整个网络分为9个虚拟以太网VLAN子网，分别为110KV网络、10KV1M 网络1、10KV1M网络2、10KV1M网络3、10KV1M网络4、10KV2M网络1、10KV2M 网络2、10KV2M网络3、10KV2M网络4。 SMV和GOOSE共网方式分析如表4—1所示。
表4—1 SMV和GOOSE共网方式分析 网络装置交换机端口（个） 110KV网络主变压器保护高压侧*4，主变压器高压侧合并单元*8 主变压器本体智能终端*2 110kV线路保护*3，110kV线路合并单元*3 110kV分段保护*1，110kV备自投*1 110kV分段合并单元*1，110kV智能控制装置*6， 110kV母差保护*1 24 10KV1M网络1 主变压器低压侧保护*4，主变压器低压智能终端*1 10kV站用变压器四合一装置*1 10kV电容器四合一装置*1 10kV TV开关柜装置*1 10kV 备自投装置*1 10kV 分段四合一装置*1 10kV 母差保护1*1 11 10KV1M网络2 10kV 线路四合一装置*4 10kV 母差保护1*1 5 10KV1M网络3 10kV 线路四合一装置*4 10kV 母差保护1*1 5 10KV1M网络4 10kV 线路四合一装置*4 10kV 母差保护1*1 5 10KV2M网络1 主变压器低压侧保护*4，主变压器低压智能终端*1 10kV站用变压器四合一装置*1 10kV电容器四合一装置*1 10kV TV开关柜装置*1 10kV 备自投装置*1 10kV 分段四合一装置*1 10kV 母差保护2*1 11 10KV2M网络2 10kV 线路四合一装置*4 10kV 母差保护2*1 5 10KV2M网络3 10kV 线路四合一装置*4 10kV 母差保护2*1 5 10KV2M网络4 10kV 线路四合一装置*4 10kV 母差保护2*1 5 三．网络流量分析 VLAN网络内的流量可以根据装置网络流量分析计算得到（见下表）
智能变电站技术发展与创新研究
智能变电站技术发展与创新研究 发表时间：2019-01-03T15:57:42.773Z 来源：《基层建设》2018年第33期作者：陈雯1 谢风飞2 [导读] 摘要：近年来，我国电网建设飞速发展，智能变电站已成为电网重要组成部分。 1 国网江西省电力有限公司都昌县供电分公司江西省九江市 332000； 2国网江西省电力有限公司九江供电分公司江西省九江市 332000 摘要：近年来，我国电网建设飞速发展，智能变电站已成为电网重要组成部分。智能变电站在电力系统中对电网安全和稳定运行有着直接的影响。智能变电站的优越性和经济性，决定其必将是今后变电站的发展趋势。 关键词：智能变电站；发展；创新智能变电站是电力系统发展的重要趋势，能够为人们提供更快捷、更舒适的电力服务。智能变电站的发展和应用，推动了电网的现代化、信息化和智能化。 1 智能变电站概述 智能变电站是指采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。智能变电站具有以下特点： 1.数字化全站信息。数字化全站信息是指实现一次、二次设备的灵活控制，并具有双向通信功能，可以通过信息网进行管理，满足全变电站信息采集、传输、处理、输出过程完全数字化。 2.网络化通信平台。变电站能根据实际需求灵活选择网络拓扑结构，利用冗余技术增强系统可靠性；互感器的采样数据可通过过程层网络同时发送到测控、保护、故障录波及相角测量等装置，从而共享了数据；利用光缆代替电缆可大幅度减少变电站二次回路的连接线数量，同时提高了系统的可靠性。 3.标准化信息共享。标准化信息共享就是形成基于一致的断面的唯一性、一致性基础信息，一致的标准化信息模板，通过一致的标准、一致的建模来实现变电站里外的信息交换和信息共享。 4.互动化高级应用。互动化高级应用就是实现各种变电站里外高级应用系统相关对象之间的互动，全面满足智能电网运行、控制要求。 2 智能变电站的功能 智能变电站与常规变电站相比具有以下功能： 1.提高电压质量，抑制谐波和振荡。随着负荷的不断增加和电网结构的不断扩大，电网会承担更多的电力电子器件，容性负载导致系统中的电压谐波污染和振荡问题已日益突出。智能变电站应具有保证系统电压水平，抑制电压谐波和振荡的能力。 2.高度集成化控制平台，智能自动控制。智能变电站构建需要借助计算机技术的发展，随着变电站发展的智能化，高度集成的控制平台将成为智能变电站不可或缺的一部分。利用嵌入式技术实现在线操作系统，建立站内全景数据的统一信息平台，供各子系统统一数据，标准化、规范化存取访问并于调度等其他系统进行标准化交互。智能自动控制将是智能变电站智能功能中的核心部分。 3.标准的通信体系，快速、高质量的通信效果。智能变电站将是一个庞大的，集测量、分析、控制于一体的智能系统，保证系统之间各功能模块快速、高质量的通信将是系统功能实现的关键。应实现无线网、以太网等多种方式通信，实时选择最佳通信网络。数字变电站智能化的功能之一就是充分考虑到用户的需求，应利用调度信息系统，加强与用户的互动。在用户端安装通信设备，间接实现变电站——用户双向通信：智能变电站将能提供用户分时分段用电的指导信息，用户反馈的用电情况和需求趋势将作为智能变电站分析决策的参考。 4.智能化的监视系统，安全兼容分布式电源。智能化的监视系统主要采集一次设备状态信息，进行状态可视化展示并发送到上级系统，为实现优化电网运行和设备运行管理提供基础数据支撑。对网络所有节点的工况监视并在故障时报警，实现包含谐波、电压闪变、三相不平衡等监测在内的电能质量监测、分析与决策，为电能质量的评估与治理提供依据。 3 智能变电站的的技术创新 智能变电站应当实现设备融合、功能整合、结构简洁、信息共享、通讯可靠、控制灵活、接口规范、扩展便捷、安装模块化、站网一体化等特点，应包括以下先进技术创新： 1.智能变电站技术体系、技术标准及技术规范研究。在对智能电网的国内外现状、技术体系、实施进程及发展趋势进行追踪、分析和评价的基础上，研究智能变电站与数字变电站的差异，给出智能变电站的内涵、外延和应用范围。 2.一次、二次设备智能化集成技术研究。涉及变压器、开关设备、输配电线路及其配套设备、以及新型柔性电气设备等电力系统中各种一次设备与控制、保护、状态诊断等相关二次设备的智能化集成技术。 3.智能变电站全景信息采集及统一建模技术研究。主要指智能变电站基础信息的数字化、标准化、一体化实现及相关技术研究，实现广域信息同步实时采集，统一模型，统一时标，统一规范，统一接口，统一语义，为实现智能电网能量流、信息流、业务流一体化奠定基础。智能化信息采集系统与装置研究，利用基于同步综合数据采集同时适用于传统变电站和数字化变电站的新型测控模式，实现各类信息的一体化采集，包括与智能变电站有关的电源、负荷、线路、微电网的全景信息采集。 4.智能变电站系统和设备模型的自动重构技术研究。研究变电站自动化系统中智能装置的自我描述和规范；研究基于以太网的智能装置的即插即用技术；研究变电站自动化监控系统对智能装置识别技术、自动建模技术；研究当智能装置模型发生变化时的系统自适应和系统模型重构技术；研究自动化系统对智能装置的模型进行校验，对智能装置的功能及其模件进行测试、检查的交互技术；研究当变电站运行方式发生变化时，智能测控和保护装置在线自动重构运行模型的方法，后台系统自动修改智能装置的功能配置和参数整定的技术；研究自动化系统在智能装置故障时对故障节点的快速定位、切除和模型自适应技术。 5.间歇性分布式电源接入技术的研究。风能、太阳能等清洁能源可再生并网发电（称为间歇性电源）直接接入电网，将对电力系统运行的安全性、稳定性、可靠性以及电能质量等方面造成冲击和影响，对电力系统的备用容量提出更高要求。智能化变电站作为间歇性电源并入智能电网的接口，必须考虑并发展对应的柔性并网技术，实现对间歇性电源的功率预测、实时监视、灵活控制，以减轻间歇性电源对电网冲击和影响。
智能变电站过程层报文详解
智能变电站过程层报文 1. GOOSE 报文 1.1. GOOSE 传输机制 SendGOOSEMessage 通信服务映射使用一种特殊的重传方案来获得合适级别的可靠性。重传序列中的每个报文都带有允许生存时间参数，用于通知接收方等待下一次重传的最长时间。如在该时间间隔内没有收到新报文，接收方将认为关联丢失。事件传输时间如图1-1所示。从事件发生时刻第一帧报文发出起，经过两次最短传输时间间隔T1重传两帧报文后，重传间隔时间逐渐加长直至最大重传间隔时间T0。标准没有规定逐渐重传时间间隔计算方法。事实上，重传报文机制是网络传输兼顾实时性、可靠性及网络通信流量的最佳方案，而逐渐重传报文已越来越不能满足实时性要求，对重传间隔时间已没有必要规定。 图1-1 GOOSE 事件传输时间 SendGOOSEMessage 服务以主动无须确认的发布者/订阅者组播方式发送变化信息，其发布者和订阅者状态机见图1-2和图1-3。 图1-2 GOOSE 服务发布者状态机 1) GoEna=True （GOOSE 使能），发布者发送数据集当前数据，事件计数器置1（StNum=1）， 报文计数器置1（SqNum=1）。 2) 发送数据，SqNum=0，发布者启动根据允许生存时间确定的重发计时器，重发计时器 计时时间比允许生存时间短（通常为一半）。 3) 重发计时器到时触发GOOSE 报文重发，SqNum 加1。 4) 重发后，开始下一个重发间隔，启动重发计时器。重发间隔计算方法和重发之间的 最大允许时间都由发布者确定。最大允许时间应小于60秒。 5) 当数据集成员数据发生变化时，发布者发送数据，StNum 加1，SqNum=0。 5）
智能变电站过程层报文详解
智能变电站过程层报文 1.GOOSE报文 1.1.G OOSE传输机制 SendGOOSEMessage通信服务映射使用一种特殊的重传方案来获得合适级别的可靠性。重传序列中的每个报文都带有允许生存时间参数，用于通知接收方等待下一次重传的最长时间。如在该时间间隔没有收到新报文，接收方将认为关联丢失。事件传输时间如图1-1所示。从事件发生时刻第一帧报文发出起，经过两次最短传输时间间隔T1重传两帧报文后，重传间隔时间逐渐加长直至最大重传间隔时间T0。标准没有规定逐渐重传时间间隔计算方法。事实上，重传报文机制是网络传输兼顾实时性、可靠性及网络通信流量的最佳方案，而逐渐重传报文已越来越不能满足实时性要求，对重传间隔时间已没有必要规定。 图1-1 GOOSE事件传输时间 SendGOOSEMessage服务以主动无须确认的发布者/订阅者组播方式发送变化信息，其发布者和订阅者状态机见图1-2和图1-3。
图1-2 GOOSE 服务发布者状态机 1) GoEna=True （GOOSE 使能），发布者发送数据集当前数据，事件计数器置1 （StNum=1），报文计数器置1（SqNum=1）。 2) 发送数据，SqNum=0，发布者启动根据允许生存时间确定的重发计时器，重发计 时器计时时间比允许生存时间短（通常为一半）。 3) 重发计时器到时触发GOOSE 报文重发，SqNum 加1。 4) 重发后，开始下一个重发间隔，启动重发计时器。重发间隔计算方法和重发之 间的最大允许时间都由发布者确定。最大允许时间应小于60秒。 5) 当数据集成员数据发生变化时，发布者发送数据，StNum 加1，SqNum=0。 6) GoEna=False ，所有的GOOSE 变位和重发报文均停止发送。 图1-3 GOOSE 服务订阅者状态机 1) 订阅者收到GOOSE 报文，启动允许生存时间定时器。 2) 允许生存时间定时器到时溢出。 3) 收到有效GOOSE 变位报文或重发报文，重启允许生存时间定时器。 图1-4~8以某距离保护A 相跳闸为例演示了保护跳闸信号从动作到返回过程中SendGOOSEMessage 服务的报文时序。 ） 5）
kV变电站数据网路由器和交换机通用技术规范
卓越水泥110kV变电站工程110kV变电站调度数据网路由器柜 技术规范 长供勘测设计院 2010年11月
货物需求及供货范围一览表 1 总则 1.1 本技术规范书为国家电网公司110kV变电站调度数据网接入设备中数据网路由器和交换机的技术规范和说明，包括设备的功能、性能、结构、硬件、软件、验收、质量保证措施、技术服务等要求。 1.2 本技术规范书提出的是最低限度的技术要求，并未对一切技术细节做出规定，也未充分引述有关标准和规范的条文，卖方应提供符合本规范书和工业标准的优质产品。 1.3 如果卖方没有以书面形式对本规范书的条文提出异议，则意味着卖方提供的设备完全符合本规范书的要求。如有异议，不管是多么微小，都应在报价书中的技术规范专用部分的“投标人技术偏差表”中加以详细描述。 1.4 本技术规范书所使用的标准如遇与卖方所执行的标准不一致时，按较高标准执行。 1.5 本技术规范书经买、卖双方确认后作为订货合同的技术附件，与合同正文具有同等的法律效力。 1.6 投标厂商应至少设计、制造、安装、调试过10套以上类似或高于本招标书技术规范的设备，并在有相当规模或相同电压等级或更恶劣的运行条件下持续运行1年以上的成功经验，并提供业绩清单，用户证明，联系人地址、电话。 1.7 投标人在中标后必须指定每一标段至少一名有经验的业务代表作为该标段工程项目经理，全权负责和协调整个项目的商务与售后服务。指定一名技术负责人和若干名工程师负责技术工作，技术负责人和工程师均须通过设备原厂商的技术认证。工程师的技术资质材料必须提交用户方认可。只有经买
方认可后，方能进行设备的调试工作。
智能变电站组网方式下继电保护配置分析
智能变电站组网方式下继电保护配置分析 摘要：随着我国社会经济的不断发展进步与社会基础设施的不断完善，电网建 设发展日趋迅猛，如今智能变电站已经成为我国智能电网规划的重要组成部分， 其推广及应用的范围也随之越来越广，而关于其继电保护工作的相关技术研究也 提上了日程。而在智能变电站的运行过程中，继电保护工作的实施是否有效与变 电站的安全稳定息息相关，因此智能变电站继电保护配置成为了当今智能变电站 运行与维护的重点问题之一。目前，针对智能变电站的组网方式下相应继电保护 配置问题的研究已有了一定成果，通过对自动化信息技术的合理运用，对智能变 电站继电保护提供了保障。 关键词：智能变电站；组网方式；继电保护；配置 在新一代智能变电站试点建设过程中，提出了层次化继电保护系统，把原有 的继电保护划分为就地级保护，增加了站域级、广域级保护控制系统，站域保护 集成了部分安全自动装置的功能;并对单套保护做了冗余配置，但就地级保护还是按照原有的配置方式。提出就地保护仅配置主保护的方式，并配置站域集中式后 备保护的方案。提出分布式站域保护，通过多数据源提高站域保护的可靠性。另外，对于站域后备保护的实现原理还提出其他一些方式。目前对于层次化继电保 护的研究和应用，主要集中在站域后备保护原理方面，对于就地保护功能配置的 优化以及运维的便捷提及较少;同时当站域后备保护的范围扩大后，如何保证其可靠性也是难题之一。 1智能变电站继电保护配置 继电保护配置分为硬件设施与软件程序两部分，硬件设施部分即针对继电保 护而架设的数字与模拟电子电路，凭借这些电路来建立系统平台，从而达到联系 微机保护外部系统电气与保证软件正常运作的目的。通常情况下，大多数继电保 护硬件配置都包括以下部件，即数字核心部件、模拟量输入接口部件、开关量输 入接口部件、外部通信接口部件及人机对话接口部件。而继电保护配置软件程序 部分即依靠硬件系统来执行的计算机程序，该程序被用在保护原理及功能的要求 下控制硬件设施合理运行，进行诸如数据采集与运算及逻辑判断、外部信息交换，包括执行动作指令等工作。同时，由于智能变电站继电保护设施程序及其相应工 作目的的复杂性及重要性，因此为保证继电保护配置工作的可靠性、灵敏性、安 全性、选择性及独立性，必须要对其配置方式提出合理要求。在通常情况下，根 据智能变电站继电保护配置层的不同，继电保护配置主要可以分为过程层继电保 护和变电站层继电保护两类。 2现有配置的一些不足 2.1后备保护逐级配合 线路保护和变压器保护均配置了相邻设备的远后备保护以及作为系统稳定安 全的系统级后备保护，这就需要在时间上与邻线或下级设备的后备保护进行配合，尤其对于变压器后备保护涉及的下级设备较多，又作为整个变电站主要的后备保护，造成变压器后备保护配置复杂，在多侧电源的情况下难以整定，甚至出现近 后备动作时间大于设备热稳时间，对设备安全运行造成较大的风险。 2.2就地保护间横向耦合 由于母线上各间隔的失灵保护通常都配置在母线保护中，也就使得母线保护 和各间隔线路保护、变压器保护之间需要相对复杂的联闭锁信号，在实际运维中，这也是智能变电站就地保护虚端子配置复杂以及保护设备检修时安全措施不便的
高电压等级智能变电站过程层组网探讨
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/e18597506.html, 高电压等级智能变电站过程层组网探讨 作者：乔永亮 来源：《华中电力》2013年第04期 摘要：智能站内网络系统的运行状况对智能变电站的可靠、安全运行影响尤为重要。过程层网络作为智能变电站的基础网络，直接关系到全站数据采集和保护运行的可靠性和实时性。在数字化变电站发展过程中，独立组网到全站共网再到直采直跳模式等网络结构在GOOSE组网应用中各存优缺点，文章针对不同电压等级变电站配置情况，利用网络记录分析对网络数据流量及延时等重要因素进行了详细的对比分析，比较了各组网模式下的适用情况。 关键词：智能变电站直采直跳组网模式 一引言 智能变电站由智能化一次设备和网络化二次设备分层构建，一、二次设备的互联、互通是以集成通信技术为基础的，而要实现集成通信，必须使用通用的标准。以IEC61850标准为基础的通信体系，具有突出的技术特点：使用面向对象建模技术，使用分布、分层体系，使用ACSI、SCSM技术，使用MMS技术，具有互操作性，具有面向未来的开放的体系结构，因此能够实现数字化变电站内智能电气设备间信息共享和互操作。 在实际工程应用时，应根据电压等级、网络负载量、网络通信介质、经济性、安全性等因素确定GOOSE 的组网方式[1，2]。 二简介常见组网形式 1.“多网融合”模式 全站三层设备设置一层网络，单网结构，并按照IEC61850协议进行系统建模及信息传输，通信介质采用光纤。站控层设备、智能组件及主变保护测控装置均接入该层网络。采用MMS、GOOSE、SV和IEEE1588四网合一方式。 MMS、GOOSE、SV和1588全部在一个以太网中传输，简化了网络及交换机配置。保护仍然采用直采直跳方式，即保护所需模拟量、开关量和跳闸信息均通过专用光纤直联，通信规约采用IEC61850-9-2。闭锁信息、母线保护所需数据通过网络方式传输。GOOSE是一种突发式的高实时低带宽流量，在间隔内和最大情况下只有10%负载，与采样值交换机共网运行完全不会影响GOOSE的实时性。交换机技术和VLAN技术的不断发展，使得“四网”合一变得可能。 1）网络延时不稳定，对保护快速动作造成不利影响；
智能变电站中工业以太网交换机要求
智能变电站中工业以太网交换机要求 在智能变电站普遍采用合并单元进行过程层数字化采样值数据传输、依靠GOOSE报文传输一次设备状态和控制命令的背景下，工业以太网交换机除承载传统的站级通信服务外，开始逐渐替代传统电缆，成为维系一、二次设备关联的中枢设备。这样对工业以太网交换机的功能、性能和可靠性都提出了非常高的要求。 在IEC 61850标准中，IEC 61850-3《变电站通信网络和系统》第3部分：总体要求，提出了针对工业以太网交换机的环境和电磁兼容要求，具体涉及环境及安全要求（温度、湿度、大气压力、机械和振动、污染和腐蚀），电磁兼容要求（振荡波、辐射电磁场骚扰、快速瞬变、浪涌、工频磁场）和供电要求（电压范围、电压容差、电压中断、电压质量）。而对于工业以太网交换机的功能要求，IEC 61850并未对其给出相关的标准，因此，其功能测试通常以国内通信行业标准要求和IEEE相关标准为准。 1 工业以太网交换机的功能要求 根据国家电网《智能变电站技术导则》的定义，智能变电站具有全站信息数字化、通信平台网络化等基本要求，而这些要求则对承载通信网络的工业以太网交换机提出了以下基本需求：①高性能的信息传输，保证高优先级的用户数据优先传送；②网络流量控制；③冗余网络；④网络工况监视和故障诊断；⑤高精度网络对时协议。 通过IEC61850-3及IEEE 1613《变电站通信网络装置的环境和测试要求》的MOXA交换机（功能特点见附录1）均具有以下功能满足变
电站自动化系统的需求： (1)支持IEEE802．3x全双工以太网协议。全双工数据传输模式能同时支持两个方向的数据发送和接收，在交换机端口上不会发生信息“碰撞”，因此舍弃了半双工以太网的CSMA／CD机制，从而大大降低了数据传输时延。 (2)根据IEEE 802．1P标准，可通过以太网报文头部增加优先级序号进行QOS服务质量标识，由交换机按照流量分配原则或权重设置进行优先转发。 (3)虚拟局域网(VLAN)技术和多播过滤技术可进行通信区域的划分，有效防止广播风暴并实现安全隔离。VLAN技术分别基于端口、基于MAC地址和基于协议等，主流标准为IEEE802．1q。通用的多播技术分静态和动态2种，静态多播主要基于多播MAC地址表；动态多播主要有GMRP和IGMP snooping 2种协议。 (4)基于交换机的标准网络冗余技术主要是IEEE 802．1D生成树STP协议和IEEE 802．1W快速生成树RSTP协议。IEEE 802．1D协议下生成树的收敛时间约为60 s，而IEEE 802．1W对其进行了改进，收敛时间约为l一10 s(目前正普遍达到100 ms)。 (5)目前较开放的SNMP协议能够支持监控交换机端口、划分VLAN、设置Trunk端口等管理功能。 (6)PTP精确时钟协议(IEEE 1588)使用硬件和软件配合的方式，能达到亚微秒级的时间同步精度。工业以太网交换机需特别支持E2E (End-to-End)和P2P(Peer-to-Peer)透明时钟技术。
智能变电站技术的应用与发展分析
智能变电站技术的应用与发展分析 近年来，我国经济高速发展，作为经济发展的基础行业，电力系统也在不断发展创新，各种先进的技术不断得以应用，而作为电力系统中的重要一环，变电站的智能化也越来越受到重视，智能技术可以从根本上减少变电站的人员投入与人工操作引起的失误，通过运用自动化设备、电子计算机、新型智能设备等可以显著改善电力行业的经济价值，实现高效低耗的企业目标。电力部门坚持科学发展观可以为建设节约型社会做出贡献，智能变电站技术可以很大程度上保证电力系统的安全与稳定，为人民生活与经济发展提供稳定可靠持久的动力来源，为我国的经济发展与人民生活提供帮助。 1. 智能变电站技术基本概念与发展现状 国家电网颁布的《智能变电站技术导则》定义智能变电站是通过运用先进可靠、环保节能并且高集成度的智能化设备将整个变电站系统做成一个网络化、数字化、标准化的信息平台，从而实现变电站的信息处理的高效与可靠，并且完成信息收集、控制与保护等功能的自动化。通过智能技术的运用，使变电站单体与临近变电站、控制调度中心等部门实现自动控制、协同动作以及在线辅助分析等行为。通过智能变电站可以在很大程度上提高电网的稳定性与高效安全，对于我国的经济发展起到了非常重要的基础支撑作用。 据统计，目前我国的智能变电站系统通过采用先进的自动化数据采集与反馈系统，能够为变电站的自动化程度提高提供支撑。在新型变电站中，主要采用的是集中配屏、全部分散以及局部分散等几种模式，基于人工智能的图像分析识别技术在变电站二次设备智能巡检系统中的研究与应用主要研究针对二次屏柜进行智能监控，具体为以下3个方面：首先，所有的视频均通过以太网传输至智能算法在线分析服务器进行识别、分析及上传数据。其识别对象涵盖大部分二次屏柜内部对象。其次，开发数据管理及展示平台，将汇集的信息数据及监控画面显示至监控屏幕，供工作人员进行异常状态的监测、往期数据查询和报表查看等。最后，开发相应的APP，便于工作人员随时查验现场情况。未来变电站的全自动化是发展趋势，因此需要不断提高电气设备与计算机技术作为支撑。 2. 新一代智能变电站的功能
智能变电站过程层组网优化配置 倪思远
智能变电站过程层组网优化配置倪思远 发表时间：2018-04-18T16:42:03.203Z 来源：《电力设备》2017年第31期作者：倪思远 [导读] 摘要：随着社会经济的不断发展，国民生活水平不断提高，对用电需求和用电质量都提出了更高的要求，基于这种大环境，智能变电站正在全面的进行推广建设，过程层组网是智能变电站中的重要环节，而过程层的设计结构其是否具有合理性（内蒙古电力勘测设计院有限公司内蒙古呼和浩特 010020） 摘要：随着社会经济的不断发展，国民生活水平不断提高，对用电需求和用电质量都提出了更高的要求，基于这种大环境，智能变电站正在全面的进行推广建设，过程层组网是智能变电站中的重要环节，而过程层的设计结构其是否具有合理性，则在很大程度上决定了智能变电站的运行是否稳定和可靠，，因此对现阶段过程层组网进行优化，使其合理化，能充分发挥智能变电站进行站内信息共享的优势，并有效避免投资成本大幅增加及直连光纤和光接收模块的大量消耗，促进变电站智能化建设的完善。由此，本文将通过对智能变电站过程层的线路连接方式、组网结构进行分析，并提出相应的优化配置。 关键词：智能变电站；过程层；组网；优化 一、智能变电站过程层组网优化的重要性 智能变电站是运用较为先进的智能设备，这些智能设备具有有可靠、环保、低碳、集成的特点，并以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化做为基本要求，对数据进行自动采集、测量、保护、计量和监测，同时支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的一种变电站，建设好安全可靠的智能变电站对智能电网的发展至关重要。而过程层作为智能变电站３层结构的最底层，涉及变电站一次设备的数据传输和设备的实时控制，主要是对运行设备的状态进行监测、控制命令的执行和进行运行电气量的采集，实现基本状态量和模拟量的数字化输入和输出，并具有信息流量大、共享程度高、实时性高的特点，过程层网络结构设计的合理性在很大程度上决定了变电站全站运行的稳定性和可靠性，意义重大。 二、过程层组网的线路连接方式 过程层网络是连接间隔层设备和过程层设备的中枢网络，在智能变电站自动化系统中的地位尤为突出。常见的组网线路连线方式有以下几种： （一）、总线形 总线形网络具有连线操作简单、易于施工的特点，安装成本相对较低。但其的缺点在于，在传输过程中产生的网络延时较长，并且当总线中的任一环节出现连接故障时，整个线路的信息传输都会受到影响，整体的运行稳定性和可靠性较低。 （二）、环形 环形结构是一种投资成本偏高的组网模式，并且从理论上来说很容易产生网络风暴，其与星形网结构相比，在硬件传输回路上的可靠性更强。 （三）、星形 智能变电站中的星形结构，在线路连接中，各子交换机是直接接入主干网的交换机的，这种连接方式能减少总线连接时位于中间位置的交换机流量，并且还能将网络的可靠性和实时性的优势发挥到最大。通过对比这几种组网模式，我们可以看出，星形网是其中最实用和最有效的，这种组网结构不仅能有效提高智能变电站的整体性能，同时也很大程度上降低了资金投入，使得经济效益最大化。 三、智能变电站过程层组网结构 智能变电站过程层的主要设备包括电子式互感器、合并单元、智能终端、交换机等，该层传输的信息主要有GOOSE报文MSV信息，目前、过程层进行信息传输主要有以下几种形式： （一）、GOOSE组网与MSV组网 GOOSE组网与MSV组网方式可以使过程层组网共享全站数据以及达到组网网络跳闸的目的，所以这种组网方式与变电站自动化发展方向比较一致，贴近智能变电站建设的要求。但这种网络连接方式结构相对复杂，对交换机质量、性能及数量的要求较高，导致投资成本显著提升。 （二）、GOOSE网络结构和MSV 直接连接型 GOOSE网络结构和MSV直线连接的网络连接方式，与过去传统变电站电缆的连接方式有着较多相同之处，而最大的不同在于，GOOSE网络结构和MSV直线连接是点对点的形式，像跳闸采用的点对点设备一样，更加的自动化，并使用光缆进行连接，连接过程中不再需要经过网络交换机，简化了线路，降低了施工难度，并且从变电站运行的效果来看，，这种连接方式能实现可靠跳闸。但这种网络连接方式需要同时使用多个网络电接口，增大了光缆的需求，导致投入的资金增加，并且使用这种连接方式，设备容易发热，产生较大的热量，严重影响到采样值数据的共享。 （三）、MSV和GOOSE独立网络结构型 MSV网和GOOSE独立网络是MSV网和GOOSE网依据IEC61850规约要求进行分别组网，这种方式能有效满足智能变电站需求，但是该网络结构复杂、需要大量交换设备和特殊网络冗余，并且采用传输设备价格较高，采用该网络结构会加大变电站的资金投入。 四、过程层组网的优化 （一）、对数据优先级划分 在保证保护直流直跳数据最快传输的前提下，对组网的GOOSE网和SMV报文，进行数据属性分析，通过充分的分析之后，将数据根据重要程度来进行优先级划分，将跳闸数据、保护装置之间闭锁和联锁数据、开关量数据、模拟量数据这些比较重要的数据仍进行先后之分。当变电站发生故障时，通过过程网的数据会大量增加，过多的数据很有可能造成堵塞，出现信息传输不及时的现象，此时，就应通过采用IEEE802.1p优先级技术对上述重要数据进行优先级划分，分出轻重缓急，保证重要的数据实时可靠的传输。 （二）、引用流量分类控制技术 当GOOSE和SMV数据处于单独组网的情况时，，可以对两组网路依据共享关系以及流向进行分别划分，这种分别划分主要是为了避免出现网络风暴，降低网络阻塞的可能性，达到提高报文传输的可靠性和实时性的目的。而对于GOOSE和SMV共网传输的情况，此时过
智能变电站过程层交换机设计及实现
电力工趕技术 128 2017 年 9 月Electric Power Engineering Technology第 36 卷第 5 期 智能变电站过程层交换机设计及实现 杨贵\高红亮2,彭安\张喜铭2,李莉\潘磊1 (1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京211102; 2.中国南方电网电力调度控制中心，广东广州510663) 摘要:从智能变电站过程层网络传输报文的特点出发，对交换机的传输带宽、存储转发延时、强电磁干扰下的零丢包、采样同步、流量控制、配置管理等方面进行需求分析，提出了一种适用于智能变电站过程层网络交换机的整体研制方案，并对交换机的测试情况和试点运行情况进行了分析介绍。 关键词：过程层；交换机;延时累加；离线配置；流量控制 中图分类号:TM769;TP393 文献标志码:A 文章编号=2096-3203(2017)05-0128-08 〇引言 目前，智能变电站中的继电保护普遍采用“直 采直跳”方式[1]，即保护装置与合并单元采用点到 点的方式，这种方式较为可靠，但接线较复杂且信 息不能共享，存在智能电子设备（IE D)光口数量多 导致发热量大等问题。智能变电站要求全站信息 数字化、通信平台网络化、信息平台共享化。因此，采用网络传输方式实现智能变电站过程层组网是 发展的必然趋势[2]。 现有智能变电站采用两层网络通信架构，即过 程层网络和站控层网络。过程层网络连接间隔层 设备和过程层设备，站控层网络连接站控层设备和 间隔层设备。继电保护的网络化，即“网采网跳”，可以实现网络信息的共享，简化光纤接线，提高调 试效率，节约建设成本[3]。但要实现继电保护的网 采网跳，对网络数据传输的实时性、采样同步可靠 性、数据传输时延确定性、通信网络的可靠性和网 络设备配置管理方便性等方面提出新的要求。因此研制符合智能变电站过程层应用的交换机，适应 智能变电站过程层网络的应用需求十分必要。 1智能变电站的网络架构 目前，国家电网和南方电网分别进行了智能变 电站的网络化三层两网[]、三网合一[5]的试点建 设。在三层两网情况下，过程层网络逐步由原来的 面向通用对象的变电站事件（G O OSE)、取样值(S V)分廳网[]，向G00SE、S V共网传输方向发 展;三网合一实现了 G00SE、S V和制造报文规范 收稿曰期：2017-04-29;修回曰期：2017-05-28 基金项目：中国南方电网公司重点科技项目（ZDKJQQ- 00000016)(M M S)报文的共网传输，大大节省了网络设备的 投人。 但是网络化在推广过程中发现如下问题尚待 解决： ⑴未统一建模。由于交换机在IEC 61850规 范中未进行建模工作，无法实现对交换机运行状态 的有效监管[]。 ()配置工作量大。由于G00SE、S V为组播 传输报文，过程层网络为了实现GOOSE、S V报文的 传输路径管理，防止网络报文发送到不需要的IE D 设备中，需要进行虚拟局域网（V L A N)、静态组播等 配置工作[]，该工作由于缺乏IEC 61850建模和离 线配置工具，必须通过手工方式进行逐台配置，配 置工作量大且易反复。 ()传输可靠性难以保证。过程层网络的每路 G00SE、S V报文均采用组播的方式进行传输，目前 采用V L A N或静态组播的方式进行报文传输管理[9]，该方式无法解决单路G00S E或S V发生风暴 时过程层网络整体受到影响的问题。 ⑷采样同步。为了满足继电保护装置采样同 步的要求，目前智能变电站采用B码对时或精准时 间臓(P T P)对时等方式实现采样同步[10]，但当外 部时钟源出现异常而导致假同步等异常现象出现 时，无法保证继电保护高可靠性要求[11]。 2智能变电站过程层网络报文分析 过程层网络传输S V、G00S E报文类型均为二 层组纖文，为了合理规划智能变电站网络需要了 解各种报文的特点。当采用网络P T P对时模式时，P T P报文同样采用二层麵报文方式进行传输。2.1 S V报文分析 S V报文为合并单元发送给保护、测控等装置
智能变电站网络交换机技术规范讲解
Q/GDW 429 — 2010 ICS 29.240 国家电网公司企业标准 Q / GDW 429 — 2010 智能变电站网络交换机技术规范 The technical specification for Ethernet LAN switch in Smart Substation 2010-××-××发布 2010-××-××实施 国家电网公司发布 Q/GDW Q/GDW 429 — 2010 I 目次 前 言 ······························································································································ II 1 范围··························································································································· 1 2 引用标 准 ····················································································································· 1 3 基本技术条 件 ········································································································
智能变电站行业现状及发展趋势分析讲解
2015年版中国智能变电站行业深度调研及 市场前景分析报告 报告编号：1525220 行业市场研究属于企业战略研究范畴，作为当前应用最为广泛的咨询服务，其研究成果以报告形式呈现，通常包含以下内容：
一份专业的行业研究报告，注重指导企业或投资者了解该行业整体发展态势及经济运行状况，旨在为企业或投资者提供方向性的思路和参考。 一份有价值的行业研究报告，可以完成对行业系统、完整的调研分析工作，使决策者在阅读完行业研究报告后，能够清楚地了解该行业市场现状和发展前景趋势，确保了决策方向的正确性和科学性。 中国产业调研网https://www.360docs.net/doc/e18597506.html, 基于多年来对客户需求的深入了解，全面系统地研究了该行业市场现状及发展前景，注重信息的时效性，从而更好地把握市场变化和行业发展趋势。 一、基本信息 报告名称： 2015年版中国智能变电站行业深度调研及市场前景分析报告报告编号：1525220 ←咨询时，请说明此编号。优惠价：￥6750 元可开具增值税专用发票 咨询电话： 4006-128-668、010-********、66182099 传真：010-******** Email ： kf@https://www.360docs.net/doc/e18597506.html,
网上阅读： https://www.360docs.net/doc/e18597506.html,/R_JiXieDianZi/20/ZhiNengBianDianZhanDeXianZhuangHe FaZhanQuShi.html 温馨提示：如需英文、日文等其他语言版本，请与我们联系。 二、内容介绍 智能电网建设是根据我国能源分布与负荷消费地域分布特点，适应我国当前和未来社会发展所采取的电网发展方式，对各类能源，尤其是大规模风电和太阳能发电的计入和送出适应性强，能够实现能源资源的大范围、高效率配置。我国智能电网的建设已经上升至国家战略层面的高度。智能变电站是坚强智能电网建设中实现能源转化和控制的核心平台之一，前景依然广阔。 显示，智能变电站发展前景依然广阔。根据国家智能电网“十二五”规划，到2015年，新建智能变电站达5182座左右，其中新建750千伏智能变电站约19 座，500千伏智能变电站约182座，330千伏智能变电站约60座，220千伏智能变电站约1198座，110（66）千伏智能变电站约3710座；改造64座500千伏、18 座330千伏、320座220千伏、630座110（66）千伏变电站。 预计“十二五”期间，新建智能变电站智能化部分的投资约为537.6亿元，变电站智能化改造总投资计为93.8亿元。“十二五”期间，智能电网建设计划总体投资1.6万亿元，按照智能变电环节约20%的份额计算，智能变电环节投资额度将达到3200亿元，前景依然广阔。 光伏发电具有随机性、间歇性和波动性，这使得其并网容量被限制在一定范围内，这就在一定程度上限制了光伏发电大规模的应用。智能电网的发展推动了社会各方利用光伏发电的主动性，提高了光伏发电的开发力度和使用效率。我国对智能电网的探究也