220kV智能變電站網絡結構及交換機配置優化方案研究

(2)GOOSE數據流量

GOOSE工程中實際最大報文長度為6016bit，按照GOOSE的發送機制，一個智能設備變位時的最大數據流量為0.03Mbit/s。

(3)MMS數據流量

發生故障時是MMS數據流量最大的情況，包含遙測及遙信量，經過理論計算值為0.012Mbit/s。

(4)網絡記錄分析儀及故障錄波系統

網絡記錄分析儀及故障錄波系統自網絡流出流量為SMV、GOOSE信息，數據流量較大，但對于網絡流量分析需要的流入流量僅為MMS信息，理論計算值為0.012Mbit/s。

(5)公用設備數據流量

母線保護、公用測控裝置和一體化電源系統等流入交換機的數據主要包含GOOSE、MMS信息，上述設備的數據流量分別按照GOOSE、MMS的理論計算值核算。

(6)流量計算

最惡劣情況下(如220kV母線保護動作切除220kV所有斷路器)，全站數據流量統計如表1、表2所示。

雙星形情況下A、B網冗余配置，B網主干交換機數據流量相當于A網主干交換機數據流量。

環形網絡最大流量考慮當某一通道發生故障時，某一交換機發送信息到最遠交換機的數據流量。

智能變電站網絡的性能分析

本節結合上節得出的流量結果，分別針對星形網絡和環形網絡作出了性能分析。

本站使用兩層一網的拓撲結構，使網絡具備眾多優點：網絡簡單，易于布線;擴展容易，不會引起網絡中斷;便于維護，任何一個間隔故障，僅需對交換機相關部分進行隔離，無需更換交換機;交換機數量少，投資少;任何網絡通道故障，可以實現快速自愈，保證系統的穩定性。

網絡性能、功能主要體現在以下幾個方面。

(1)響應能力分析

測量數據、保護信號和控制命令等都要求實時傳送。特別是出現故障時要求信息能在站內通信網絡上快速傳送，保證嚴格的時限要求。

實時性要求有以下3個方面：①傳輸速度快。指單位時間內傳輸的信息多。②響應時間短。指事件發生時，傳輸到網絡上及執行器接收到該信息馬上執行所需的時間。響應時間由執行器控制中斷的能力、信息在通信協議的應用層與物理層之間的傳輸時間、等待網絡空閑的時間和避免信息在網絡上碰撞的時間4個方面的因素決定，這個時間對大多數通信協議是一個隨機數。③巡回時間短。指系統與所有通信對象都至少完成一次通信所需要的時間。

由于本站設備較少，星形和環形網絡均能滿足相應能力的要求。

(2)網絡延時分析

網絡延時定義為一幀報文從發送者到接收者的網絡傳輸花費的全部時間。網絡延時由以下4部分組成：①幀發送延時(Transmit Lantency，T0)。②交換延時(SaveForward，T1)。③線路傳輸延時(Wire Latency，T2)。④幀排隊延時(Queue Latency，T3)。

以上4種延時中，前3種延時由網絡本身的硬件和軟件決定，只有排隊延時具有不確定性。要分析以太網延時，就必須分析出影響排隊延時的因素，通過減小排隊延時將有利于提高整個網絡系統的實時性能。影響以太網通信延時的主要因素是節點數目和通信速率，也就是說網絡負荷是造成通信延時的主要原因。

在電力系統中，站點之間傳輸的主要是短信息幀。當節點數目較少時，通信延時很小，隨著節點數目的增加，延時也隨之增大;同時，在數據吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網絡負荷的減輕和網絡延時的減小，從而改善以太網的實時性能。

根據上節統計的數據流量，計算出兩種結構的網絡延時情況如表3所示。

計算表明，雙星形網絡在網絡延時方面較環形網絡有一定優勢，但兩者都能滿足智能變電站系統層網絡的要求。

(3)可靠性分析

網絡可靠性表示網絡連續無故障工作的能力，其判斷依據是網絡的任意兩節點之間至少存在一條可通信的鏈路。經分析可得，環形網絡和雙星形網絡均能滿足變電站可靠性要求。

經濟技術比較

3種方案的經濟技術比較如表4所示。

經比較可以看出，3種方案均能滿足智能變電站的需求，而兩層一網環形網絡的經濟性大大超出其他兩種方案，因此智能變電站推薦選擇兩層一網環網的組網方式。

智能交換機配置方案

220kV智能變電站以太網交換機要求具備以下功能：可靠性符合IEC61850-3標準;支持多環組網方案;Zero-Packet-Loss零丟包技術;滿足C3級(-40～120℃)寬溫度范圍;滿足IEC61000-6-5標準的抗電磁干擾能力;支持802.1QVLAN;支持802.1p優先級排隊協議;支持GMRP組播技術;支持IEEE61588對時方式;每臺交換機按16端口配置。

系統層網絡采用環形配置方式，共2臺公用交換機，其余交換機按電壓等級配置。220kV每

2個間隔配置1臺以太網交換機，共配置3臺;66kV每段母線配置1臺以太網交換機，共配置2臺;每臺主變壓器配置1臺以太網交換機，共配置2臺。全站共配置9臺以太網交換機。

繼電器室內網絡通信介質采用以太網線;通向戶外的通信介質采用光纜;采樣值和保護GOOSE等可靠性要求較高的信息傳輸采用光纖。

結束語

220kV智能變電站整站建立在IEC61850通信技術規范基礎上，按分層分布式來實現智能變電站內智能電氣設備間的信息共享和互操作性。本站按兩層設備一層網絡構建，兩層為系統層和設備層，一層網絡為系統層網絡。