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引言
智能变电站，是在传统变电站的基础上，引入大量的智能化设备，以数字化、网络化和智能化为目标，具备自动控制、智能调节、在线分析等高级功能的变电站。与常规变电站相比，智能变电站自动化系统包括了站控层、间隔层和过程层，过程层是其区别于常规变电站的亮点之一，能够提升设备的抗干扰能力以及信息的共享程度。同时，过程层中应用了大量的新设备和新技术，对于实时性和可靠性有着很高的要求，应该得到电力技术人员的重视。
1、过程层的组成
在智能变电站中，过程层是指位于一层设备和二层设备之间的结合面，主要功能在于对变电站设备运行状态的监测、对各种数据信息的采集以及对系统控制命令的执行等。简而言之，就是将常规变电站间隔层中的部分应用转移到过程层来完成。过程层以光纤作为信息服务的媒介，其服务方式包括了GOOSE信息传输和分采样值传输两种。
过程层主要是由变压器、互感器、隔离开关、断路器等一次设备，以及相应的附属组件和相对独立的智能化电子设备组成，相比于常规变电站，智能变电站过程层引入了大量的新技术和新设备，结合GOOSE信息传输和分采样值传输两种信息传输方式，能够更加有效的掌握变电站的运行状态，为调整设备运行参数，维护电力系统安全稳定运行提供了完整准确的参考依据。
2、过程层的技术要求
2.1采样值传输要求
在智能变电站自动化系统中，采样值传输是过程层和间隔层之间实现相互通信的关键，包含了过程层上的最大数据流。采样值报文对于传输效率有着很高的要求，即使是在极端的情况下，也必须能够对报文的响应时间进行明确。采样值传输的技术要求包括：一方面，当传输量较大，而且实时性要求较高时，应该采用发布者/订阅者结构；另一方面，依照IEC61850-9-2的标准定义，采样值传输在接入到过程层网络时，应该采用光纤的方式，同时避免间隔层中的计量设备、保护设备等与合并单元的直接连接，而是应该通过过程层交换机来获取采样值信号，从而实现信息的共享。利用虚拟VLAN技术、组播技术等先进技术，能够防止采样值传输过程中对于过程层网络的影响。
2.2GOOSE实时性要求
在智能变电站中，GOOSE服务的主要功能，是实现智能化一次设备与间隔层保护测控设备之间的信息传输，虽然其报文的数据量较小，但是具有突发性的特征，而考虑到过程中GOOSE传输的内容多是一些重要的报文，如保护跳闸命令等，对于报文传输的速度有着极高的要求，一般情况下，传输时间的延迟必须小于4ms。
2.3合并单位基本要求
合并单元的主要功能，是对二次转换器中的电压和电流数据进行时间相关的组合与处理，能够为各类二次设备的保护和测控提供相应的时间同步采样值，对多个电子式互感器采集到的数据进行合并和整理，从而获取准确的电流电压瞬时值，并将数据传输到继电保护设备中。合并单元是变电站过程层采样值传输技术的主要实现者，可以是互感器中的一个部件，也可以是一个相对独立的单元。
2.4智能终端基本要求
智能终端是一种逻辑上的智能组件，通过与一次设备的电缆连接以及二次设备的光纤连接，可以实现对一次设备的测量和控制。通常情况下，智能终端的技术要求包括几个方面的内容，一是信息传输应该采用GOOSE，信息处理时延小于1ms；二是应该具备GOOSE命令记录功能，对接收到的命令进行记录，方便进行查阅；三是必须具备相应的通信功能和信息转换功能，能够通过GOOSE的方式，对一次设备的状态信息进行上传，对二次设备的控制命令进行接收。
3、过程层的网架结构
智能变电站过程层的组网方案包括常规互感器方案、电子式互感器直采直跳方案以及过程网三合一方案，不同的组网方式在网架结构上具备不同的特点，这里对其进行分别分析。
3.1常规互感器方案
主要是以常规互感器与采集单元的相互配合，实现采样值的数字化，并通过现场采集单元，将互感器输出的模拟量信号进行采集处理后，以FT3的格式进行输出，以光纤连接的方式接入到合并单元，同时确保其能够满足IEC61850-9-2标准的要求。
图1 常规互感器方案
3.2电子式互感器直采直跳方案
图2 直采直跳方案
在这种组网方案中，智能变电站的建设以IEC61850标准为基础，电子式互感器自身的特性使得其不需要额外设置采样单元。过程层采样值与继电保护相关的GOOSE信息之间的传输采用直采直跳的方式，而其他信息的传输则采用网络传输的模式，报文通信基于GOOSE协议。非继电保护过程层采样值的传输网络应该与GOOSE独立配置，按照电压等级分别进行组网。
3.3过程层三网合一方案
间隔层与过程层合并单元的采样值传输应该遵循IEC61850-9-2标准，与过程层智能终端之间的信息传输则应该采用GOOSE通信协议。在过程层网络中，应该配置独立的间隔交换机，通过主干网交换机，组成过程层网络，从而实现信息的高度共享。
图3 三网合一方案
4、过程层的网络技术分析
上述三种组网方案各自都拥有自身的优点和缺陷，其中，常规互感器方案中独立配置的采集单元可以为互感器的改造提供便利，但是会在一定程度上增加系统结构的复杂性，也无法对互感器的饱和问题进行有效解决；电子式互感器直采直跳方案能够减少交换机环节对于同步对时信号的依赖性，实现数据信息的数字化传输以及功能的高度集成，但是，保护及合并单元需要的网络接口较多，对于光缆和交换机的需求量大；过程层三网合一方案的优点，是实现了采样值传输、IEEE1588以及GOOSE的三网合一，能够实现信息的高度共享，而且网络结构简单明了，便于进行设计和维护工作，具有良好的技术性。不过，这种组网方案对于网络技术的要求相对较高，技术难度大，而且缺乏有效的冗余手段，因此在可靠性上略有不足。
5、过程层的网络技术应用
为了提高过程层三网合一方案的可靠性，基于IEC62439标准的PRP冗余技术受到了技术人员的关注。在基于PRP技术的变电站冗余网络中，每一个PRP节点都需要两个并行运行的网络端口。在实际运行过程中，端口通过链路冗余体，实现与网络层的连接，作为一个独立的网络接口软件，对以太网卡与上层网络协议的通信接口进行处理。在这种方案中，网络的冗余可以实现无缝切换，从而提高通信系统的可用度，节点中的两个以太网卡具有相同的MAC地址和 IP地址，这使得冗余对于上层是透明的，上层程序无需为冗余做任何处理。PRP是基于第二层网络协议的网络拓扑结构，它不需要进行改动就可以正常使用网络管理，工程配置非常简单，同时支持第二层网络冗余，对变电站系统而言就是完全支持GOOSE和SMV数据通信，因此具备良好的应用前景。
6、结语
作为智能变电站区别于常规变电站的关键，过程层在变电站中占据着非常重要的地位，同时其组网方案也是备受争议的部分。对于电力技术人员而言，应该从电网的实际需求出发，应用切实可行的组网方案，提升网络技术的应用水平，提高通信网络的可靠性和实用性。
（作者单位：国网福建省电力有限公司泉州供电公司）
智能变电站，是在传统变电站的基础上，引入大量的智能化设备，以数字化、网络化和智能化为目标，具备自动控制、智能调节、在线分析等高级功能的变电站。与常规变电站相比，智能变电站自动化系统包括了站控层、间隔层和过程层，过程层是其区别于常规变电站的亮点之一，能够提升设备的抗干扰能力以及信息的共享程度。同时，过程层中应用了大量的新设备和新技术，对于实时性和可靠性有着很高的要求，应该得到电力技术人员的重视。
1、过程层的组成
在智能变电站中，过程层是指位于一层设备和二层设备之间的结合面，主要功能在于对变电站设备运行状态的监测、对各种数据信息的采集以及对系统控制命令的执行等。简而言之，就是将常规变电站间隔层中的部分应用转移到过程层来完成。过程层以光纤作为信息服务的媒介，其服务方式包括了GOOSE信息传输和分采样值传输两种。
过程层主要是由变压器、互感器、隔离开关、断路器等一次设备，以及相应的附属组件和相对独立的智能化电子设备组成，相比于常规变电站，智能变电站过程层引入了大量的新技术和新设备，结合GOOSE信息传输和分采样值传输两种信息传输方式，能够更加有效的掌握变电站的运行状态，为调整设备运行参数，维护电力系统安全稳定运行提供了完整准确的参考依据。
2、过程层的技术要求
2.1采样值传输要求
在智能变电站自动化系统中，采样值传输是过程层和间隔层之间实现相互通信的关键，包含了过程层上的最大数据流。采样值报文对于传输效率有着很高的要求，即使是在极端的情况下，也必须能够对报文的响应时间进行明确。采样值传输的技术要求包括：一方面，当传输量较大，而且实时性要求较高时，应该采用发布者/订阅者结构；另一方面，依照IEC61850-9-2的标准定义，采样值传输在接入到过程层网络时，应该采用光纤的方式，同时避免间隔层中的计量设备、保护设备等与合并单元的直接连接，而是应该通过过程层交换机来获取采样值信号，从而实现信息的共享。利用虚拟VLAN技术、组播技术等先进技术，能够防止采样值传输过程中对于过程层网络的影响。
2.2GOOSE实时性要求
在智能变电站中，GOOSE服务的主要功能，是实现智能化一次设备与间隔层保护测控设备之间的信息传输，虽然其报文的数据量较小，但是具有突发性的特征，而考虑到过程中GOOSE传输的内容多是一些重要的报文，如保护跳闸命令等，对于报文传输的速度有着极高的要求，一般情况下，传输时间的延迟必须小于4ms。
2.3合并单位基本要求
合并单元的主要功能，是对二次转换器中的电压和电流数据进行时间相关的组合与处理，能够为各类二次设备的保护和测控提供相应的时间同步采样值，对多个电子式互感器采集到的数据进行合并和整理，从而获取准确的电流电压瞬时值，并将数据传输到继电保护设备中。合并单元是变电站过程层采样值传输技术的主要实现者，可以是互感器中的一个部件，也可以是一个相对独立的单元。
2.4智能终端基本要求
智能终端是一种逻辑上的智能组件，通过与一次设备的电缆连接以及二次设备的光纤连接，可以实现对一次设备的测量和控制。通常情况下，智能终端的技术要求包括几个方面的内容，一是信息传输应该采用GOOSE，信息处理时延小于1ms；二是应该具备GOOSE命令记录功能，对接收到的命令进行记录，方便进行查阅；三是必须具备相应的通信功能和信息转换功能，能够通过GOOSE的方式，对一次设备的状态信息进行上传，对二次设备的控制命令进行接收。
3、过程层的网架结构
智能变电站过程层的组网方案包括常规互感器方案、电子式互感器直采直跳方案以及过程网三合一方案，不同的组网方式在网架结构上具备不同的特点，这里对其进行分别分析。
3.1常规互感器方案
主要是以常规互感器与采集单元的相互配合，实现采样值的数字化，并通过现场采集单元，将互感器输出的模拟量信号进行采集处理后，以FT3的格式进行输出，以光纤连接的方式接入到合并单元，同时确保其能够满足IEC61850-9-2标准的要求。
图1 常规互感器方案
3.2电子式互感器直采直跳方案
图2 直采直跳方案
在这种组网方案中，智能变电站的建设以IEC61850标准为基础，电子式互感器自身的特性使得其不需要额外设置采样单元。过程层采样值与继电保护相关的GOOSE信息之间的传输采用直采直跳的方式，而其他信息的传输则采用网络传输的模式，报文通信基于GOOSE协议。非继电保护过程层采样值的传输网络应该与GOOSE独立配置，按照电压等级分别进行组网。
3.3过程层三网合一方案
间隔层与过程层合并单元的采样值传输应该遵循IEC61850-9-2标准，与过程层智能终端之间的信息传输则应该采用GOOSE通信协议。在过程层网络中，应该配置独立的间隔交换机，通过主干网交换机，组成过程层网络，从而实现信息的高度共享。
图3 三网合一方案
4、过程层的网络技术分析
上述三种组网方案各自都拥有自身的优点和缺陷，其中，常规互感器方案中独立配置的采集单元可以为互感器的改造提供便利，但是会在一定程度上增加系统结构的复杂性，也无法对互感器的饱和问题进行有效解决；电子式互感器直采直跳方案能够减少交换机环节对于同步对时信号的依赖性，实现数据信息的数字化传输以及功能的高度集成，但是，保护及合并单元需要的网络接口较多，对于光缆和交换机的需求量大；过程层三网合一方案的优点，是实现了采样值传输、IEEE1588以及GOOSE的三网合一，能够实现信息的高度共享，而且网络结构简单明了，便于进行设计和维护工作，具有良好的技术性。不过，这种组网方案对于网络技术的要求相对较高，技术难度大，而且缺乏有效的冗余手段，因此在可靠性上略有不足。
5、过程层的网络技术应用
为了提高过程层三网合一方案的可靠性，基于IEC62439标准的PRP冗余技术受到了技术人员的关注。在基于PRP技术的变电站冗余网络中，每一个PRP节点都需要两个并行运行的网络端口。在实际运行过程中，端口通过链路冗余体，实现与网络层的连接，作为一个独立的网络接口软件，对以太网卡与上层网络协议的通信接口进行处理。在这种方案中，网络的冗余可以实现无缝切换，从而提高通信系统的可用度，节点中的两个以太网卡具有相同的MAC地址和 IP地址，这使得冗余对于上层是透明的，上层程序无需为冗余做任何处理。PRP是基于第二层网络协议的网络拓扑结构，它不需要进行改动就可以正常使用网络管理，工程配置非常简单，同时支持第二层网络冗余，对变电站系统而言就是完全支持GOOSE和SMV数据通信，因此具备良好的应用前景。
6、结语
作为智能变电站区别于常规变电站的关键，过程层在变电站中占据着非常重要的地位，同时其组网方案也是备受争议的部分。对于电力技术人员而言，应该从电网的实际需求出发，应用切实可行的组网方案，提升网络技术的应用水平，提高通信网络的可靠性和实用性。
（作者单位：国网福建省电力有限公司泉州供电公司）