数字化变电站自动化系统的网络选型问题探讨

李铁军

摘要：科学技术广泛应用在各样各业，数字化变电站就是利用科学技术对传统变电站进行更新升级的产物，极大地提高了变电站运转效率。本文以网络转型为视角，在网络选型要求、方案、对策等方面对网络选型问题进行了论述，阐述了包括设备保护、以太网运用等的有效选型对策，希望为我国变电站工作顺利开展提供借鉴。

关键词：数字化;变电站;自动化系统;网络选型

引言：

计算机技术、网络通信技术发展程度越来越高的基础上形成了变电站自动化系统。新型变电站弥补了传统变电站诸多不足，在我国应用广泛，但也存在一些局限性。随着技术日新月异，新型变电站也在不断升级更新，数字化是其前进的重要方向，网络选型情况对其有重要影响，有必要对此进行分析。

1 网络选型要求的分析

变电站结构一般可分为变电站层、间隔层、过程层，如图1所示，需要传输大量数据，不同数据流由于其运行方式不同，因此对传播响应速度、优先级等存在不同要求。数据流存在下述几种，一是过程层、间隔层相互间数据交换;二是间隔层内部数据交换;三是间隔层相互间数据交换;四是变电站层、间隔层的有效通信;五是变电站层内部有效通信[1]。

从有效通信的角度来看，需要实现下述功能，即监视信息、异常信息、交换信息以及非实时信息这四项的有效通信。其中，监视信息包括电流测量值、频率值等为了监视变电站获取的测量数据;变电站运转期间产生的数据，此类数据优先级较低;为了满足数据库更新采集的数据的传输;监视电气设备产生的数据。异常信息主要指突发事件下形成的信息，包括应该及时反馈的数据;正常运转状态下出现异常变化形成的数据;与事故相关的数据。交换信息主要指智能传感器、执行器运行状态下进行数据交换。非实时信息主要指防火、防盗等安全类数据。

2 网络选型方案的分析

依据国家电网相关技术规范，结合数字化变电站相关规划，目前，我国变电站网络通信存在下述几种主要形式：

2.1GOOSE融入光纤点对点的方案

该方案实现模式有“点采点跳”、“点采网跳”这两类。第一类普遍应用于国家数字化变电站中，第二类普遍应用于地方数字化变电站中。这种方案网络结构与传统变电站网络结构相似，主要是把IEC60870更改为了IEC61850，变电站过程层采取对点交流采样单元合并模式，换言之，采取过程总线结合光纤点对点的模式，把实时数据通信通过光纤传递到保护、测控等层面，继而使得采样数据信息顺利应用GOOSE网络[2]。GOOSE依据双网方案组网，保证动作可靠。现阶段，100MGOOSE组网技术较为成熟，虽然不乏缺点，但仍能够保证数据实时、可靠。

2.2GOOSE结合光纤点对点与采样值网络的方案

这一组网方案的保护装置为光纤点对点。此外，其余数字化设备，比如计量、测控等均需要通过采样值网络采集数据。该方案与上述方案一相似，但是在测控、录波等二次设备采集数据上存在不同，该方案能够有效降低光缆所需数目，最大程度上提高数据共享与应用率。

2.3GOOSE结合SMV的方案

这一方案也可以称作过程总线方案，实现方法为“网采网跳”，可以细分为分网与共网。该方案主要特征是采样值与GOOSE信号都可以进行数据通信，强化了信息共享。在采样值与GOOSE进行组网后，可以引入VLAN技术把过程层划分为若干功能性子网，再使用交换机提供分级服务，一方面保证数据通信的实时性，另一方面还能保证优先数据优先通信，避免因排队延时重要数据得不到及时传递。

2.4GOOSE结合IEEE1588与交流采样9-2的方案

这一方案的核心是应用了IEEE1588技术，使得SMV、GOOSE、以及IEEE1588进行了整合，形成了网络共享平台，如图2所示，该方案对交换机具有极高要求，因此，相较于其他方案，更加不易推广。

3 网络选型对策的分析

3.1基于网络组成

数字化变电站系统数据采集、分析、处理一般处在一个处理器控制下开展工作，这进一步提高了数据采集、转换、计算、传递的速度。现阶段，数字化变电站存在大量应用微处理器控制处理数据的运行模式，在这种情况下，数据采集、处理、指令传递成为了系统运行关键，对此可以通过设计运行流程提高不同步骤的契合度。现场总线通常难以满足数字化变电站实操需求，对此可以引入以太网，更好地传输数据，便于数据快速进入信息管理区域，保证本地数据、远程监视数据都能够实时传输[3]。还可以借助以太网高速度的优势，将其与数据采集模块进行整合，依托于多串口设备或者数据采集卡模式，对数据进行采集、控制。

3.2基于设备保护

在这一部分，笔者以数字化变电站中的变压器设备保护为例进行网络选型有效对策分析。选择的方案是应用IEC61850-9-2、IEEE1588、GOOSE三种网络。其中，网络一负责采样，网络二负责对时，网络三负责共享。即是说，过程层应用GOOSE，间隔层与过程层采用IEC61850-9-2。依照间隔层、过程层具体网络选型情况配置相应的交换机，借助主干网络交换机构建出过程层网络，进而实现不同层间的数据交换。本方案的应用优势是集成了GOOSE、SMV、IEEE1588三网，能够实现信息高效传输，同时网络层次分明，减少了光缆浪费，有助于加强设计、维护，且具有广泛的应用前景，但该技术对科学技术水平要求较高，难度高，其可靠性容易受到干扰。

对于该方案下的网络选型，可以分下述三个阶段进行优化。第一，GOOSE獨立组网。具体而言，IED设备具有独立组网的条件，结合GOOSE传输数据的要求，可知其符合独立组网条件，因为数字化变电站本身的物理性质，其内部相隔，因此，GOOSE独立组网有助于保证数据可靠传输，有效避免优先级不同的设备在相同网络中传输。就能够保证一旦其中某一个网络出现故障不会干扰到其他网络，进而提高变电站运行可靠性。第二，若通过IEEE802.1P交换机设计优先级，进行了组播流量过滤，且有效避免流量一直处于第二层网络交换范围内，则能够实现GOOSE和变电站层的组网。MMS下的站控层所占据的带宽不管是在正常还是异常情况下，均高于GOOSE，因此可以支撑IEEE802.1P交换机，进而能够保证GOOSE数据优先传递。第三，系统共用网络的发展对策，在信息技术、网络技术等均在高速发展的状态下，采样依托于IEC61850-9-2，有助于实现过程层、变电站层协同发展的目标。该发展方式优点在于节约了大量设备成本，间隔层采用一个通信口即可。需要注意的是，在实践中该组网方式还应当综合考量电压、负载等因素。

3.3基于有效应用

数字化变电站系统适用性直接受到网絡通信系统可靠性与信息化程度的影响，在一定程度上可以说没有网络通信系统就没有数字化变电站。在数字化变电站中，众所周知，主要依靠多个CPU合作实现对数据的采集、算法的保护以及指令的控制。网络适应性直接关系到数据采集实时性以及保护性指令的命令的传递，网络通信技术与通信协议对保护命令的传递速度存在直接影响。

为了达到良好的控制效果、应用效果，系统两级网络可以都应用100MHz以太网，它以TCP/IP为基础，其开放性极高，且属于标准化网络。因此，以太网能够提高资源共享率，强化系统兼容性，增强数据交换效果，该技术也因此能够实现对变电站数据、信息资源的有效共享。同时，以太网技术成本较低，组网容易，还能够与计算机实现高效连接，有广泛的技术支持基础，可以进行推广应用。应用以太网对控制变电站数据交流存在数据不确定的问题，这一点不利于以太网应用，且交换模式下禁止以太网用户间信息通信，这能够实现确定通信。在网络负荷低于25%的状态下，变电站不同层数据传递效率较高。虚拟局域网能够在逻辑上实现对变电站内部控制/非控制网络进行有效划分，且不依靠物理组网与配置位置，进而能够有效提高网络安全。

根据上文分析不难发现数字化变电站自动化系统网络选型，必须依赖计算机信息技术，该技术发展程度直接影响系统网络选型。通过对其研究发现网络负荷问题是降低通信质量的关键。数字化变电站运转期间一旦出现故障，网络负荷对其此类数据传输产生影响，容易出现网络堵塞问题，对数据可靠性乃至网络适用性产生不利影响。21世纪是科技时代，在这一时代背景下，随着以太网在变电站中的实践应用，相信未来网络速度将会得到质的飞跃，变电站运行效率不断提高。相关人士必须重视发展科学技术，探索更多的组网方式，不断提升变电站网络安全性、可靠性，促进变电站发展。

结论：

总而言之，网络选型在数字化变电站自动化系统发展进程中具有举足轻重的作用，且涉及众多科学技术，对其研究不是一蹴而就的。需要相关人士从多个角度出发，对其适用性进行持续实践、分析，选择网络通信形式期间还应当进行全局性考虑，明确各种条件下的应用情况，进而保证变电站运行安全可靠。

参考文献

[1]岳梓为.浅谈变电站自动化系统的数字化[J].科技风，2018（36）：232.

[2]蓝天.对电力综合自动化系统中数字化变电站特点和网络选型的探讨[J].电子测试，2018（Z1）：146-147.

[3]朱学科.基于数字化变电站自动化系统的网络选型探讨[J].电子技术与软件工程，2017（24）：34-35.