智能变电站网络通信技术.docx
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智能变电站网络通信技术
智能变电站网络通信技术
A组网方案
结合国家电网公司关于智能变电站的技术导则规范，考虑南方电网公司对于数字化变电站的规划，当前智能变电站网络通信的结构主要有以下四种：
（1）采用光纤点对点与GOOSE网络相结合的方式，其中，国网智能变电站中的保护装置是“直采直跳”，即点对点采样、点对点跳闸，亦存在“直采网调”的保护构架，集中在南网的数字化变电站；
（2）采用光纤点对点、采样值网络与GOOSE网络相结合的方式，对于保护装置是光纤点对点的模式，而就测控、计量、故障滤波则是从采样值网络获取相关信息；（3）采用过程总线方式，即采用交流采样（SMV）和GOOSE组网的方式，其中又分为共网或分网模式；（4）采用完全过程总线方式，即交流采样9-2、IEEE1588和GOOSE统一组网。
方案四与方案三实际的运行方式相似，方案三用IEEE1588进行对时处理，而方案二是用国际流行的B码对时。
现对上述三种方案做简要阐述及评价：
方案一的结构与现行常规变电站的网络结构模式是一致的，只是规约由IEC60870改为IEC61850，在这一点上3个方案是一致的。
在方案一中，过程层采用光纤点对点与过程总线相结合的方式，即交流采样合并单元采用点对点的方式，将交流实时数据用光纤传输至保护、测控、计量、录波，这样采样数据独立传输，跳合闸等开关量信息采用GOOSE网络方式，为保证动作的可靠性，GOOSE网必须保证一定冗余，即按照双网方式组建，且必须同时工作于主机方式。
在目前100M以太网技术成熟的条件下，采样数据独立传输虽然有需要敷设大量光缆的缺点，但其优点是能够保证数据响应实时性。
方案二的结构同方案一类似，不同之处则在于测控、计量、录波等二次设备是通过采样值网络获取相关信息，该方案可一定程度上减少光缆的铺设，并促进数据信息的共享互用。
方案三的特征点在于采样值和GOOSE信号均组网传输，有利于信息的共享化。
在采样值和GOOSE共同组网的情况下，为了保证GOOSE报文的实时性，可以利用VLAN技术将过程层划分为一些功能子网，启用交换机分级服务质量提供优先传输机制，保证重要报文优先传输，减少重要帧的排队延时。
方案四的关键特点则是使用了IEEE1588网络对时技术，实现SV，GOOSE、1588的三网合一，达成了完全意义上的网络化共享平台，但对网络交换机的要求相对较高，推广难度较大。
给出三网合一的实例：
以变压器保护为例，采用IEC61850-9-2采样信息、GOOSE信息、IEEE1588对时信息共网传输。
间隔层与过程层合并单元遵循IEC61850-9-2标准，与过程层智能终端采用GOOSE通信协议。
过程层网络按间隔配置独立的间隔交换机，各间隔通过主干网交换机组成过程层网络实现信息共享。
系统结构如下图所示。
本方案的优点是实现了GOOSE、采样值传输、IEEE1588三网合一，最大程度地实现了信息共享，网络结构清晰，节省了大量的光缆，便于设计、维护，是代表未来技术发展的一种方案；但由于网络技术的要求比较高，技术难度大，且欠缺有效的冗余手段，其可靠性受到一定的质疑和担忧。
三网合一的配置方案
针对间隔层的二次设备，数据通信的模式差别如表1所示。
保护装置
测控计量等设备
备注
SV
GOOSE
SV
GOOSE
方案一
点对点
点对点
点对点
组网
很少用
点对点
组网
点对点
组网
有实例
方案二
点对点
点对点
组网
组网
国网标准
点对点
组网
组网
组网
有实例
方案三/四
组网
组网
组网
组网
分SV、GOOSE是否共网、使用B码还是1588对时
以下GOOSE网络的构建做主要分析。
关于GOOSE的组网方式，分3个阶段逐渐改进，即：
（1）GOOSE独立组网。
基于GOOSE传送的信息对实时性以及可靠性的要求，GOOSE网络采用独立组网。
IED装置具备独立的GOOSE通信口。
独立组网优点在于：
避免了与不同优先级数据的同网传输，保证了数据传输的可靠性，数字化变电站内部网络之间基于物理隔离。
某一网络故障不会影响到另一网络的运行，提高了数字化变电站的安全性。
（2）GOOSE与站控层共用网络方式。
这种组网方式的前提是支持IEEE802.1P协议交换机的应用。
在正常状态还是故障状态时，基于MMS的站控层报文占用的带宽远大于GOOSE报文所占带宽，支持，IEEE802.1P协议的交换机保证网络上GOOSE报文的优先传送。
（3）数字化变电站内共用网络方式。
随着网络通信技术的发展，采样报文基于IEC61850-9-2标准，过程层网络与变电站层网络合并是数字化变电站组网方式发展的目标。
这种组网方式的优点在于：
间隔层智能设备仅需一个通信口，降低了智能设备的成本，同时降低了数字化变电站的网络建设成本。
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。
B组网结构
GOOSE网络结构主要有装置单环网、交换机环形网和星形网，各有其优缺点：
（1）装置单环网。
装置内部自带交换功能，实现一进一出的2个网络口，环网中所有装置串联的通信方式。
装置单环网
优点在于：
结构简单，投资费用低。
缺点在于：
装置间的报文传输延时随环网中装置数目的增加而增加，实时性差；环网发生故障时自愈时间较长；装置检修时对环网通信的影响很大；对装置性能要求更高，要求装置具备交换功能。
（2）交换机环形网。
具体指连接装置的交换机之间采用实时环网的通信方式，如下图所示。
交换机环形网
优点在于：
网络冗余性最好，交换机之间网络发生故障时，通过环网自愈依然可以保证网络通信。
缺点则是：
网络实时性差，环网中节点间的网络通信延时要高于星形网；网络可靠性较差，环网通信基于快速生成树协议，通信故障时可能会引起网络风暴问题；设备兼容性较差，不同厂家交换机的私有快速生成树协议实现方式存在差异，互联时可能会有问题。
投资成本高于星形网，因为交换机需要的网口数要多于星形网。
（3）星形网。
星形网是指交换机之间采用级联方式组网。
如下图所示。
星形网
优点在于：
网络实时性好，网络延时最少，不会产生网络风暴。
缺点则是：
网络冗余性较差，星形网交换机之间网络发生单点故障时，网络通信将受到较大影响。
注：
当前智能变电站的网络结构普遍采用双星形冗余结构，不过对于环形的结构，具体延迟及网络风暴等，亦应做具体评估。
220kV及以上电压等级的继电保护装置由于实时性要求较高，为确保保护速动性要求，装置MMS与GOOSE网口应独立；110kV及以下应用场合则可考虑合用网口。
C组网通信技术
在GOOSE组网中，应用了若干网络通信技术，诸如VLAN划分（IEEE802.1Q协议），报文优先级定义（IEEE802.1P协议），链路聚合（IEEE802.3ad协议）等通信技术，这些技术的应用对网络通信的可靠性、实时性及安全性有着关键的作用。
aVLAN技术
VLAN（VirtualLAN）划分是为解决以太网的广播问题和安全性而提出的一种网络技术，在以太网帧的基础上增加了VLAN头，通过VLANID把用户划分为更小的工作组，限制不同工作组间的用户二层互访，每个工作组就是一个虚拟局域网。
根据IEC61850-7-1标准，过程层和间隔层采用IEC61850-9-1/2协议和GOOSE协议通信，间隔层装置和站控层采用IEC61850-8-1（MMS）通信。
IEC61850-9-1采用点对点传送方式,只需考虑传送介质的带宽和接受方CPU处理数据的能力，而不用担心数据流量对于其他间隔设备传输的影响，因为它并没有通过网络与其他间隔共享网络带宽，所以不需要交换机。
这种方式简单可靠，但光纤连线繁杂，无法在标准范围内实现跨间隔保护，安装方式不灵活。
而IEC61850-9-2方式将合并器采样数据信号以光纤方式接入过程层网络，间隔层测控、计量等设备不再与合并器直接相连，通过过程层网络获取信息数据，从而达到采样信号的信息共享。
通过在交换网络中采用网络优先级技术、VLAN技术、组播技术等网络技术有效的防止采样值传输流量、速度对过程层网络地影响，保证过程层数据在100M以太网上安全、高效、有序传输。
因为不同间隔间需要共享部分信息，而不是全部信息，因此将全站过程层交换机经过主干交换机进行星型模式级联。
如果不对间隔层交换机流出数据进行流量控制，主干网交换机很容易流入流量超负荷的情况，使网络产生阻塞甚至瘫痪。
在此对单个间隔的SMV数据流量及GOOSE数据流量进行理论计算和实际测试。
基于IEC61850-9-2工程中实际最大报文长度（SVLD为变长量），单间隔SMV理论计算流量为：
按照每帧1点（12个模拟量通道）计算，一个合并器每秒种的数据流量：
S=159字节×8bit/字节×50周波/s×80点/周波=5.088Mbit/s；
GOOSE工程中实际最大报文长度：
按照T=10s计算，一个智能设备每秒种的数据流量：
S=6016字节×8bit/字节×（1s/10）帧=0.048Mbit/s。
过程层组网结构图
交换机数据吞吐总量由流入交换机的数据决定，理论上流入数据都可以正确流出，只是数据流量的大小决定了网络（延时）性能。
主干网交换机上流入的数据主要是跨间隔保护需要的数据，如失灵保护、母线保护等需要的数据。
按照单位间隔估算，如SMV数据中的保护电流、GOOSE数据等。
由于GOOSE信息流量和SMV相比可以忽略不计，所以流入主干网交换机的数据相当于间隔交换机的1/3，按照理论计算数据为1.6Mbit/s。
所以主干网交换机除了在交换口数量上要满足工程选型外，对于一般规模的智能化变电站都可以满足容量的要求。
在此明确了网络上需要横向传输的数据并不是全部数据，而是跨间隔保护或者其它设备需要的一部分，所以必须采用VLAN方案，即802.1p协议使其横向通过需要的数据，不需要共享和跨间隔利用的数据就在本间隔纵向流通即可。
其次数据流通需要优先级区分，IEC61850规范对变电站内的网络上的数据进行了详细的划分，根据网络信息的不同需求和要求，给予不同的报文不同的优先级。
VLAN的划分模式：
基于端口的VLAN；
这种方式是把局域网交换机的某些端口的集合作为VLAN的成员。
这些集合有时只在单个局域网交换机上，有时则跨越多台局域网交换机。
虚拟局域网的管理应用程序根据交换机端口的标识ID，将不同的端口分到对应的分组中，分配到一个VLAN的各个端口上的所有站点都在一个广播域中，它们相互之间可以通信，不同的VLAN站点之间进行通信需经过路由器来进行。
这种VLAN方式的优点在于简单，容易实现，从一个端口发出的广播直接发送到VLAN内的其他端口，也便于直接监控。
它的缺点是自动化程度低，灵活性不好。
比如，不能在给定的端口上支持一个以上的VLAN；一个网络站点从一个端口移动到另一个新的端口时，如新端口与旧端口不属于同一个VLAN，则用户必须对该站点重新进行网络地址配置。
基于MAC地址的VLAN；
这种方式的VLAN要求交换机对站点的MAC地址和交换机端口进行跟踪，在新站点入网时，根据需要将其划归至某一个VLAN。
不论该站点在网络中怎样移动，由于其MAC地址保持不变，因此用户不需要对网络地址重新配置。
所有的用户必须明确地分配给一个VLAN，在这种初始化工作完成后，对用户的自动跟踪才成为可能。
在一个大型网络中，要求网络管理人员将每个用户一一划分到某一个VLAN中，是十分繁琐的。
基于路由的VLAN；基于策略的VLAN；
基于间隔的VLAN。
基于端口的VLAN划分模式是最简单、有效的方法，在智能化变电站网络中得到了充分有效的应用。
基于端口的VLAN模式是从逻辑上把交换
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