智能变电站网络通讯方案

摘要本文总结了智能变电站特点及基于 IEC61850 智能变电站的特征和功能，介绍了智能变电站通信标准和关键技术的应用，分析了智能变电站分层网络的数据交换模式，讨论了通信网络的构建原则和简化方案。

关键词IEC61850智能变电站关键技术通信网络

中图分类号： F626.5 文献标识码： A 文章编号：

1 引言

变电站自动化技术是我国电力行业的热点技术之一，目前新建变电站自动化系统大多采用面向间隔、面向对象(Object-Oriented)设计的分层分布式结构模式,该模式按变电站的控制层次和对象设置站控层和间隔层两层。由于缺乏统一和先进的通信标准，以及受高压电气设备非数字化的制约，现有变电站自动化技术已不能完全满足现代电网发展的要求。在各种新技术的推动下，利用通信网络实现全站信息数字化传输的智能变电站试点应用逐渐成熟。

1.1 智能变电站概述

智能变电站是由智能化一次设备、网络化二次设备在IEC61850通信协议基础上分层构建，能够实现智能设备间信息共享和互操作的现代化变电站。与常规变电站相比，智能化变电站间隔层和站控层的设备及网络接口和通信模型发生了变化，过程层由传统的电磁型电流、电压互感器、一次设备以及一次设备与二次设备之间的电缆连接，改变为电子式互感器、合并单元、光纤连接等内容。

智能变电站采用先进、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。

图1：智能变电站

2 智能变电站的特征和功能

智能变电站与常规变电站相比，具有以下几个特征：

（1）以先进的计算机网络技术作为构建变电站通信网络的基础，实现站内外信息的高速、可靠传输。

（2）变电站IED(IntelligentElectronicDevice)，智能电子设备基于IEC61850标准构建，并以此作为站内外信息交互的标准。

（3）采用电子式互感器并实现了交流采样值的数字化传输[1]。

（4）采用智能断路器技术并实现了全站操作命令传输的数字化。

（5）输变电设备的在线监测信息作为变电站信息的一部分进行处理、分析和传送，实现了设备的状态检修。

按以上几个特征建立的智能变电站，全站设备通过光缆进行数字化信息交互，IED之间具有互操作性和即插即用功能，高、低压电气设备之间实现电气隔离。

3 智能变电站标准和关键设备的应用

智能变电站的网络结构是在变电站综合自动化系统的基础上发展而来，但是与目前的综合自动化系统存在较大差异。智能变电站的网络通信采用统一的标准，即IEC61850标准；同时应用电子式互感器和智能断路器等数字化高压设备后，较常规变电站增加了过程层网络并实现过程层信息的数字化交互。上述标准、设备的成熟度及应用情况将对智能变电站的网络结构和性能产生较大的影响。

3.1 IEC61850 标准

IEC61850 标准是关于变电站自动化系统第一个完整的通信标准体系，它的制定和为构建智能变电站的通信网络提供了理论基础和技术依据。我国也已经将该标准等同引用为国家标准GB/T 860。

IEC61850 标准定义了比较详细的逻辑节点和数据对象，并提供了建立完整的数据对象模型的方法和面向对象的服务。其核心可归纳为信息建模、抽象服务、具体映射三部分。与传统通信协议相比具有以下特点[2]：采用分层体系；信息传输采用与网络独立的抽象通信服务接口（ACSI）和特定通信服务接口（SCSI）；信息模型采用面向对象、面向应用的自描述；具有互操作性。

3.2 保护装置

全面支持智能变电站自动化系统，可方便接入电子式互感器和智能终端等过程层设备，并通过工业以太网与站控层设备进行通信，保护装置通信遵循最新的 IEC61850 国际标准，按照 IEC61850 协议提供接口，无须关注网络类型，实现灵活组网，可以适用于过程层各种组网方式。能够实现变电站内智能电气设备间信息共享、互操作和保护间隔下放具有更完善的、更经济的、更可靠的工程应用价值。

4 智能变电站网络结构

通信非确定性是以太网技术进入工业控制领域的最大障碍[3]，但是随着以太网技术不断成熟和改进，嵌入式以太网在工业控制领域地广泛应用，在网络负荷得到有效控制的情况下，变电站网络采用低廉、成熟的以太网是可以满足变电站实时通信的要求。

4.1 智能化变电站的体系结构与通讯网络

IEC61850 将智能变电站分为过程层、间隔层和站控层，各层内部及各层之间采用高速网络通信。整个系统的通讯网络可以分为：站控层和间隔层之间的站控层通讯网、以及间隔层和过程层之间的过程层通讯网。

图2：智能变电站分层结构

站控层通信全面采用 IEC61850 标准，监控后台、远动通信管理机和保护信息子站均可直接接入 IEC61850 装置。同时提供了完备的 IEC61850 工程工具，用以生成符合 IEC61850-6 规范的 SCL 文件，可在不同厂家的工程工具之间进行数据信息交互。

间隔层通讯网采用星型网络架构，在该网络上同时实现跨间隔的横向联锁功能。110kV 及以下电压等级的变电站自动化系统可采用单以太网，110kV 以上电压等级的变电站自动化系统需采用双以太网。

图3：智能变电站通讯结构图Ⅰ

图4：智能变电站通讯结构图Ⅱ

图5：智能变电站通讯结构图Ⅲ

4.2 网络结构的构建方案

IEC61850 按照变电站自动化系统所要完成的控制、监视和继电保护三大功能从逻辑上和物理上将系统分成三个层次，即站控层、间隔层和过程层，由过程层网络（总线）和站级网络（总线）进行通信连接。自动化系统接口模型如图6所示。过程层网络处理间隔层装置和智能一次设备（如断路器、互感器等）之间的通信，常规变电站中由间隔层完成的功能在智能变电站中由间隔层和过程层共同完成。站级网络处理变电站层和间隔层装置之间的通信，并通过远动装置与各级调度进行双向信息交换。

图6：智能变电站二次系统的三层架构接口模型图

（1）站控层网络

由于间隔层设备之间以及间隔层和站控层之间需要共享电压、电流值及状态信号，而且间隔层IED数量较多，为保证通信可靠性，站级网络采用100MB 双光纤交换式以太网结构。

间隔层内IED数据收发以TCP/IP 方式进行，在应用层选择制造报文规范（MMS）作为应用层协议与变电站控制系统通信，其映射一般遵循MMS＋TCP/IP＋ISO/IEC802.3模式。

构建站级网络时要分析站控层的数据流量。为减少不同网络内的数据交换量，减轻网络负担，考虑使用多个网段。即将需要大量和快速交换数据的IED放在同一网段上，尽可能减少不同网段之间的数据流量，从而最大程度地避免数据冲突，提高各网段的利用效率。实际应用中可根据电压等级再结合其他因素综合考虑后对网络进行分段。当然，将站级网络分割为多个网段会造成网络结构的复杂化和网络设备的增加。

（2）过程层网络

过程层往间隔层传送的数据较多，包括采样测量值（SV报文）和分合闸命令（GOOSE报文）等，它们都有很高的实时性要求，为避免通道堵塞，过程层选择基于交换式以太网的串行通信网络。

SV模型和GOOSE模型的报文传输映射是在应用层专门定义了协议数据单元(PDU)经过表示层ASN.1（Abstract Syntax Notation number One ）编码后，直接映射到数据链路层和物理层。这种映射方式是为了避免通信堆栈造成传输延时，提高报文传输的实时性。

针对过程层数据交换的特点和要求，提出如下几个组网原则：

1）按照电气间隔组网

对于在电网中比较重要的，可靠性、实时性要求比较高的电气间隔，如110kV及以上电压等级的线路、母联等间隔均按照电气间隔来组网。配置双重化保护的间隔则需采用双网冗余结构和两套独立的设备。

2）采用面向功能的原则组网

对于母线保护、主变差动保护等需要同时采集多个间隔交流量的装置，则采用面向功能的原则组网。如给母线保护单独配置一台交换机（双重化的母线保护需要两台），该交换机与相关间隔的交换机级联，分别收集各间隔的交流电气量。该模式的关键是保证母线保护设备与交换机通信接口处理的高效性和同时性。

3）采用简化网络结构

在满足数据传输实时性和可靠性要求的前提下，尽量简化网络结构。对于35kV及以下电压等级的各间隔可按母线位置设1～2 段网络，分布在本段网络上的IED可通过交换机直接进行信息交换。

5 结束语

网络系统是智能变电站的神经系统，选择合适的站内通信网络对智能变电站的可靠性、安全性和经济性起着举足轻重的作用。由于智能变电站网络的发展受各种技术的限制，如计算机网络、电子式互感器以及智能断路器等技术，因此考虑网络结构时，既要满足信息传输的实时性和可靠性的要求，又要简化网络结构，减少不必要的投资。

参考文献

[1] 高翔，张沛超．智能变电站主要特征和关键技术［J］.电网技术，2006 ，30 （23 ）：67-71．

[2] 任燕铭，秦立军，杨奇逊．变电站自动化系统通信网络的国际标准简介［J］. 供用电，2000，17（5）：50-52．

[3] 张增科，阳宪惠．计算机网络[M]. 北京：清华大学出版社，2006．

[4] 殷志良，刘万顺，杨奇逊，秦应力．基于IEC61850 标准的过程总线通信研究与实现［J ］. 中国电机工程学报，2005，25（8）：84-89．

[5] 张沛超，高翔．智能变电站系统结构［J］.电网技术，2006，30（24）：73-77．