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摘要：随着电力系统对智能化要求越来越高，常规的变电站已不能满足未来电网的需要，所以变电站发展的前景是智能化变电站。IEC61850运用是当今先进的信息技术,为变电站建立了统一的对象模型和通信接口,真正意义上实现变电站智能电子设备的互操作性,是变电站无缝通信的最佳解决方案。研究变电站实时性问题,首先应该结合实际和IEC61850标准分析变电站内的通信要求,合理规划数据,提出相应的实时性
关键词：数字化变电站过程层网络；IEC61850；通信网络；
中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：
0前言
随着新型互感器、智能设备、通信技术等相关数字化变电站应用技术的快速发展及IEC61850标准为我国数字化变电站与电力系统的信息化提供了全面统一的建设规范基于IEC61850的数字化变电站通信经历了点对点通信模式与过程总线通信模式，鉴于上述两种通信模式在数字化变电站过程层信息共享与设备投资方面的局限性，本文主要对基于全站唯一网络的数字化变电站通信网络中的过程层网络组网方案展开相关研究。
1数字化变电站过程层通信网络的组网方案
IEC61850将数字化变电站的功能在逻辑上被分配到过程、层间、隔层和站控层站内各种功能的实现依靠通信网络。通信网络的结构取决于过程层网络与站控层网络的存在形式，目前三层两网结构的数字化变电站应用技术已成熟由于独立过程层网络和站控层网络都使用MMS作为应用层协议以及采用交换式以太网，为站控层网络和过程层网络连接合并构成全站唯一通信网络如图所示提供了理论基础，由于对过程层网络有较高的实时性要求，在各制造商中存在多种设计思想，一种是基于点对点技术的过程层组网方案，另一种是基于网络交换技术的组网方案，以及点对点和网络交换的综合组网方式，组网方式的选择应综合变电站的建设的投入，规模等因素，本文仅从方案实施的难易及数据传输的部分特性进行阐述。
1.1基于网络交换的组网方案
由于通信网络的使用，来自合并单元(MU)的测量数据和来看成智能操作箱(知能终端)的GOOSE报文以及来自间隔层的控制数据共用一个网络得以实现。这种方式减少了间隔接线的复杂性，但是每个间隔层IED需要两个层面的以太网接口，分别用于和过程层网络以及站控层网络连接。同时由于来自合并单元(MU)的采样值信息量比较大，所以这种方式对过程层网络的要求比较高，需要达到100Mbit/s以上并要求在网络的设定中，测量数据和控制命令有不同的优先级。间隔层设备的跳闸命令也是通过该网络被发送到智能操作箱或知能终端，知能终端和间隔层设备间的通讯，为保证实时性，采取的GOOSE传输机制。这种方式是和IEC61850-9-2协议对应的，它的主要特点是间隔层设备的测量数据和控制命令的通信数据共用一个网络――过程层网络。右图为典型的过程层网络组网示意图。
1.2基于点对点的组网方案
在这种方式下，来自合并单元(MU)测量数据和来自智能操作箱(智能终端)控制命令均通过直连到间隔层设备的光纤或以太网线点对点连接进行发送，由于不存在过程层网络交换机，过程层网络上的信息流量就比较小，网络拓扑结构简单，故障时容易排查。过程层设备至间隔层设备之间的接线仍然比较复杂，同时，对于大规模较大的变电站，该方式的的缺点会更加明显。点对点方式是和IEC61850-9-1
协议对应的，它的主要特点是过程层层测量数据和控制命令的通信数据严格分离。右图为典型的点对点过程层网络组网示意图。
1.3点对点和网络交换的综合组网方式
这种方式下，测量数据采用通过直连到间隔层设备的光纤或以太网线点对点连接进行发送，过程层的开关量信号及间隔层的控制命令采用过程层交换机进行传输，采样值信息不进入过程层网络；GOOSE信息和控制信息通过过程层网络来完成。这样过程层网络上的信息流量就比较小，基于10Mbit/s的常规交换机既能满足要求，但间隔层与过程层之间的接线仍然比较复杂。它的主要特点同样是间隔层设备的测量数据和控制的通信数据严格分离。
2数字化变电站过程层网络的组网原则
过程层网络的核心设备应该是交换机，交换机上层负责与间隔层的IED设备通讯，下层负责与过程层的智能终端和合并单元进行通讯，面对众多的IED设备、智能终端和合并单元，有组织，有计划的分配交换机使网络结构达到结构清晰、易于维护显得尤其重要，笔者从现场调试经验出发，总结了三种常见组网原则用于不同的场合。
2.1适用于110kV及以上间隔的面向间隔原则
每个间隔(过程层设备)布置自身的总线网络同时还要装设1个全站范围下的总线网络用来连接各个间隔的总线网络。优点是网络结构层次清晰、易于管理维护。 缺点是需要较多的交换机与路由设备设备，成本较高。面向间隔组网方案适合于220KV 系统及以上,应用于系统重要间隔组网 此外设备间的互操作性甚至互换性可在IED层 获 得,也可在间隔层获得。
2.2适用于110kV以下电压等级设备数量较小的面向应用原则
每1个间隔总线网络覆盖多个间隔。当智能设备安装于几个传感器安装位置中心时，从高压端到智能设备的光纤传输通道最短。此外，双母线多采用母线PT,该PT采用面向位置原则组网可以节省的安装数量，多个间隔可共用网络设备。以该方案为基础，还可以拓展出是一种全站范围内单一总线网络方案所有IED都与该总线网络连接。优点是交换机使用数量少，成本较低。缺点是网络可靠性差且要求较高的总线速率与网络带宽 适合于网络负荷较轻和实时性要求低的中、低压变电站系统。
2.3适用于高压柜及厢式变的面向功能原则
将相互之间需要较多信息交互的IED、智能接口、合并器等设备挂接到一个交换机上，不同的交换机之间再进行连接。优点是不同交换机之间的信息交换量最小，缺点是可能会增加交换机的数量,结构不够清晰。
3数字化变电站过程层拓扑方案
通信网络是数字化变电站自动化系统的基础，其可靠性直接影响到数字化变电站的可用性。而前面讨论的过程层网络，在实际应用中对应的是所有过程层交换机之间的连接。在物理上，这些交换机之间可以选择多种不同的连接方式，而不同的连接方式，会对通信的可靠性会产生不同的影响。基本的连接方式有三种：总线型（可靠性最低，网络延迟大）、环型（可靠性较高，网络延迟较大）、星型（可靠性较低，网络延迟最小），可靠性是对变电站最基本的要求之一，有鉴于此，在实际的应用中，通常是在此各基础排拓扑结构上进行冗余，形成各种可靠性更高的拓扑结构，较常用的是冗余星型网络结构和冗余环状网络结构，并以IED双以太网口冗余结构。
基本总线型 基本星型基本环型
需要指出的是，冗余星形结构的不足之处是站控层设备能直接获得合并单元和智能断路器的过程层数据，存在安全性隐患问题，核心交换机的负担很重，这些对交换机的性能和网络管理提出了很高的要求。因此，全站唯一双星形通信网络结构适用于中低压变电站，变电站规模不大。全站唯一单环光纤以太网采用单模光纤将各间隔交换机两端级联起来构成环形拓扑，各交换机需具备和启动生成树协议通过交换机的生成树协议，选择一条有效的主路径与其他IED通信。全站统一结构双星形比单环网可靠性，好单环网适用于较小规模变电站。可采用网络冗余协议构造双环网以提高可靠性在双环网交换机之间建立环间链接。
4结论
在基于IEC61850规范和思想的数字化变电站中，通信网络是站内各种智能设备联系的纽带，成为SAS的核心。提出并分析了过程层网络结构的三种基本组网方案的优缺点，以采用IEC61850-5中的D3型配电变电站為例研究了站控层网络的基本组网结构，分析了基于全站唯一网络的数字化变电站各种通信网络拓扑，同时由现场调试数据表明，过程层网络中交换机的数据流量大时，会造成采样值变化和GOOSE传输产生延时，本文提出了3种过程层给网方案，可根据变电站结构和规模，重要性以及所选网络设备考虑过程层给网，保证数字化变电站过程层传输的实时性和可靠性。
关键词：数字化变电站过程层网络；IEC61850；通信网络；
中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：
0前言
随着新型互感器、智能设备、通信技术等相关数字化变电站应用技术的快速发展及IEC61850标准为我国数字化变电站与电力系统的信息化提供了全面统一的建设规范基于IEC61850的数字化变电站通信经历了点对点通信模式与过程总线通信模式，鉴于上述两种通信模式在数字化变电站过程层信息共享与设备投资方面的局限性，本文主要对基于全站唯一网络的数字化变电站通信网络中的过程层网络组网方案展开相关研究。
1数字化变电站过程层通信网络的组网方案
IEC61850将数字化变电站的功能在逻辑上被分配到过程、层间、隔层和站控层站内各种功能的实现依靠通信网络。通信网络的结构取决于过程层网络与站控层网络的存在形式，目前三层两网结构的数字化变电站应用技术已成熟由于独立过程层网络和站控层网络都使用MMS作为应用层协议以及采用交换式以太网，为站控层网络和过程层网络连接合并构成全站唯一通信网络如图所示提供了理论基础，由于对过程层网络有较高的实时性要求，在各制造商中存在多种设计思想，一种是基于点对点技术的过程层组网方案，另一种是基于网络交换技术的组网方案，以及点对点和网络交换的综合组网方式，组网方式的选择应综合变电站的建设的投入，规模等因素，本文仅从方案实施的难易及数据传输的部分特性进行阐述。
1.1基于网络交换的组网方案
由于通信网络的使用，来自合并单元(MU)的测量数据和来看成智能操作箱(知能终端)的GOOSE报文以及来自间隔层的控制数据共用一个网络得以实现。这种方式减少了间隔接线的复杂性，但是每个间隔层IED需要两个层面的以太网接口，分别用于和过程层网络以及站控层网络连接。同时由于来自合并单元(MU)的采样值信息量比较大，所以这种方式对过程层网络的要求比较高，需要达到100Mbit/s以上并要求在网络的设定中，测量数据和控制命令有不同的优先级。间隔层设备的跳闸命令也是通过该网络被发送到智能操作箱或知能终端，知能终端和间隔层设备间的通讯，为保证实时性，采取的GOOSE传输机制。这种方式是和IEC61850-9-2协议对应的，它的主要特点是间隔层设备的测量数据和控制命令的通信数据共用一个网络――过程层网络。右图为典型的过程层网络组网示意图。
1.2基于点对点的组网方案
在这种方式下，来自合并单元(MU)测量数据和来自智能操作箱(智能终端)控制命令均通过直连到间隔层设备的光纤或以太网线点对点连接进行发送，由于不存在过程层网络交换机，过程层网络上的信息流量就比较小，网络拓扑结构简单，故障时容易排查。过程层设备至间隔层设备之间的接线仍然比较复杂，同时，对于大规模较大的变电站，该方式的的缺点会更加明显。点对点方式是和IEC61850-9-1
协议对应的，它的主要特点是过程层层测量数据和控制命令的通信数据严格分离。右图为典型的点对点过程层网络组网示意图。
1.3点对点和网络交换的综合组网方式
这种方式下，测量数据采用通过直连到间隔层设备的光纤或以太网线点对点连接进行发送，过程层的开关量信号及间隔层的控制命令采用过程层交换机进行传输，采样值信息不进入过程层网络；GOOSE信息和控制信息通过过程层网络来完成。这样过程层网络上的信息流量就比较小，基于10Mbit/s的常规交换机既能满足要求，但间隔层与过程层之间的接线仍然比较复杂。它的主要特点同样是间隔层设备的测量数据和控制的通信数据严格分离。
2数字化变电站过程层网络的组网原则
过程层网络的核心设备应该是交换机，交换机上层负责与间隔层的IED设备通讯，下层负责与过程层的智能终端和合并单元进行通讯，面对众多的IED设备、智能终端和合并单元，有组织，有计划的分配交换机使网络结构达到结构清晰、易于维护显得尤其重要，笔者从现场调试经验出发，总结了三种常见组网原则用于不同的场合。
2.1适用于110kV及以上间隔的面向间隔原则
每个间隔(过程层设备)布置自身的总线网络同时还要装设1个全站范围下的总线网络用来连接各个间隔的总线网络。优点是网络结构层次清晰、易于管理维护。 缺点是需要较多的交换机与路由设备设备，成本较高。面向间隔组网方案适合于220KV 系统及以上,应用于系统重要间隔组网 此外设备间的互操作性甚至互换性可在IED层 获 得,也可在间隔层获得。
2.2适用于110kV以下电压等级设备数量较小的面向应用原则
每1个间隔总线网络覆盖多个间隔。当智能设备安装于几个传感器安装位置中心时，从高压端到智能设备的光纤传输通道最短。此外，双母线多采用母线PT,该PT采用面向位置原则组网可以节省的安装数量，多个间隔可共用网络设备。以该方案为基础，还可以拓展出是一种全站范围内单一总线网络方案所有IED都与该总线网络连接。优点是交换机使用数量少，成本较低。缺点是网络可靠性差且要求较高的总线速率与网络带宽 适合于网络负荷较轻和实时性要求低的中、低压变电站系统。
2.3适用于高压柜及厢式变的面向功能原则
将相互之间需要较多信息交互的IED、智能接口、合并器等设备挂接到一个交换机上，不同的交换机之间再进行连接。优点是不同交换机之间的信息交换量最小，缺点是可能会增加交换机的数量,结构不够清晰。
3数字化变电站过程层拓扑方案
通信网络是数字化变电站自动化系统的基础，其可靠性直接影响到数字化变电站的可用性。而前面讨论的过程层网络，在实际应用中对应的是所有过程层交换机之间的连接。在物理上，这些交换机之间可以选择多种不同的连接方式，而不同的连接方式，会对通信的可靠性会产生不同的影响。基本的连接方式有三种：总线型（可靠性最低，网络延迟大）、环型（可靠性较高，网络延迟较大）、星型（可靠性较低，网络延迟最小），可靠性是对变电站最基本的要求之一，有鉴于此，在实际的应用中，通常是在此各基础排拓扑结构上进行冗余，形成各种可靠性更高的拓扑结构，较常用的是冗余星型网络结构和冗余环状网络结构，并以IED双以太网口冗余结构。
基本总线型 基本星型基本环型
需要指出的是，冗余星形结构的不足之处是站控层设备能直接获得合并单元和智能断路器的过程层数据，存在安全性隐患问题，核心交换机的负担很重，这些对交换机的性能和网络管理提出了很高的要求。因此，全站唯一双星形通信网络结构适用于中低压变电站，变电站规模不大。全站唯一单环光纤以太网采用单模光纤将各间隔交换机两端级联起来构成环形拓扑，各交换机需具备和启动生成树协议通过交换机的生成树协议，选择一条有效的主路径与其他IED通信。全站统一结构双星形比单环网可靠性，好单环网适用于较小规模变电站。可采用网络冗余协议构造双环网以提高可靠性在双环网交换机之间建立环间链接。
4结论
在基于IEC61850规范和思想的数字化变电站中，通信网络是站内各种智能设备联系的纽带，成为SAS的核心。提出并分析了过程层网络结构的三种基本组网方案的优缺点，以采用IEC61850-5中的D3型配电变电站為例研究了站控层网络的基本组网结构，分析了基于全站唯一网络的数字化变电站各种通信网络拓扑，同时由现场调试数据表明，过程层网络中交换机的数据流量大时，会造成采样值变化和GOOSE传输产生延时，本文提出了3种过程层给网方案，可根据变电站结构和规模，重要性以及所选网络设备考虑过程层给网，保证数字化变电站过程层传输的实时性和可靠性。