电力通信网络化是信息共享、应用功能互动的基础,符合电力要求的网络化通信技术是实现智能电网的关键。在智能变电站的网络架构中,国内变电站采用较多的是三层两网的结构,整体上将智能变电站通信网络划分为站控层、间隔层和过程层;从一次设备到监控后台,采用交换机网络进行通信[1],依次要经过过程层、过程层网络、间隔层、站控层网络和站控层。其中站控层MMS网用于站控层设备和间隔层设备的信息交换,过程层GOOSE网用于过程层设备的跳闸、保护之间的信息交互、开关刀闸等信息的传输;过程层SV网用于采集合并单元电子互感器所产生的模拟量[2]。智能变电站智能终端的大量应用和通信线缆的大量铺设,使得保护监控系统逐步转向通过过程层网络传输采样值、一次设备状态以及上层设备的控制命令。而三层一网的应用要求,使得通信网络的业务剧增,管理和配置数据越发的复杂和重要,故障定位和信息安全问题越发突出,一定程度上增加了工程部署和电网运维的工作难度[3]。因此需要一种可靠的手段,在不改变智能变电站运行架构的前提下,实现业务的通信路径自动生成。基于IEC61850标准建模[4-5]的智能化变电站过程层电力专用交换机,具备自动配置、即插即用、二次回路安全隔离和全路径监视的能力[6],克服了过程层网络通信隐患及故障定位困难的弊端,进一步提高了智能变电站的监控和运维水平。

目前国内变电站过程层数据通信主要采用点对点以及网络传输2种模式。点对点模式可实现与常规站类似的回路隔离,但光纤数量多、功耗大,二次回路可扩展性差,不支持回路在线监测及远程管理,因此该模式仅适用于保护跳闸,不适合传递大量的联闭锁信号。网络传输模式的二次回路配置相对灵活,具备在线监测和远程管理的条件,但仍然缺乏二次回路安全隔离和全路径监视的有效手段,且VLAN配置过程繁琐,易用性差;在实际应用中,交换机通过VLAN配置虽然可以优化网络流量、提高传输效率、保障信号传输延时可控,但二次回路投运后并不是一成不变的,运维、改扩建时交换机VLAN的调整仍需人工完成,完成质量严重依赖人员技术水平,不但缺乏保证,而且影响缺陷处理的及时性。除此此外,普通工业交换机缺乏对二次回路逻辑隔离操作的支持,也无法及时发现运行中导致保护速动性降低的因素,其过程层网络自身故障定位能力的薄弱,更使得二次回路相关问题很难排查。

综合上述2种模式的特点,融合二者的优势,克服彼此的缺陷,为适应通信技术的快速发展并满足电力系统长期稳定性的需求,智能变电站过程层数据通信应同时具备：

1）无需手动配置VLAN,自动配置、即插即用的能力;

2）与物理隔离等效的二次回路逻辑隔断能力;

3）二次回路的全路径监视和故障定位能力;

4）保障信号传输延时可控的能力。

智能变电站过程层数据通信与普通工业以太网交换机的应用场景也有所不同。过程层数据通信的报文交换具有高度确定性,无论是数据内容还是通信关系都是预先配置完成的,这些信息依托IEC 61850标准规定的变电站配置描述语言,封装于SCD描述文件[7-9]中。智能变电站系统与设备的描述文件[10]见表1所列。

表1 智能变电站系统与设备的描述文件 Table 1 Description file of intelligent substation system and equipment

SCD描述文件是智能变电站的主导文件,描述了变电站内每个通信节点用于IED设备之间交互的数据类型和承载这些信息的GOOSE/SV/MMS报文定义。在SCD文件中,每个逻辑节点都可以按照设定,发布本逻辑节点对外提供的信息,订阅其他逻辑设备发布的信息,从而实现分布式的二次功能[11]。

智能变电站过程层电力专用交换机采用SCD描述文件进行配置。当SCD文件的关键数据被加载到交换机后,交换机通过解析和提取SCD文件中所有GOOSE/SV的特征值及订阅关系,分析各个IED设备之间的通信属性,将业务的APPID和IED设备进行关联[3]。当IED设备向交换机通信时,交换机通过检测数据帧中的APPID信息,查找SCD文件中该业务对应的通信逻辑映射关系,自动为其分配通信路径,转发给有订阅关系的装置,其他无关装置不转发。从SCD解析到独立封闭链路的建立,整个过程是全自动的,无需人工进行VLAN配置。

IEC61850标准引入了一个定长的16位整数即APPID,它和GOOSE/SV的控制块名称关联,使每一个GOOSE/SV控制块对应一个唯一的APPID。GOOSE/SV数据帧的构成[12-14]见表2所列。

表2 GOOSE/SV数据帧的构成 Table 2 Structure of GOOSE/SV data frames

交换机通过识别GOOSE/SV数据帧中所包含的唯一的APPID信息进行转发[15]。当装置连接到交换机时,交换机即可按照其报文中的APPID识别该装置的身份,并依据SCD所描述的订阅关系,在该装置与订阅者装置之间动态建立通信链路,以实现IED设备在任何物理端口的“即插即用”[16]。

电力专用交换机在同一个物理端口划分不同的逻辑子接口,而各个虚拟端口之间是逻辑隔离的。交换机通过进行端口虚拟加权,对不同报文类型划分逻辑子网,对不同逻辑子网分配相互独立的物理资源,从而实现逻辑子网的相互隔离。

电力专用交换机通过网管软件管理通信路径,当IED设备出现故障或虚拟二次回路出现问题时,能快速定位并提示问题,且可以人工强制取消虚拟二次回路、端口和IED的绑定关系,以隔离故障点提高对通信路径的可控性。

电力专用交换机通过对GOOSE/SV数据帧中保留字段打时标的方式,精确计算报文在交换机内的驻留时延,并实时报告每一条GOOSE/SV报文的流量、延时、抖动等信息。保护装置依据本地时间基准,将其还原为收到采样数据的发生时刻,从而实时检测传输信号在每个转发节点的延时,实现了传输链路与点对点通信等效的封闭、高效、独占等特征。

以云峰变电站220 kV通信B网为例,交换机与保护和测控装置的连接全部采用光纤,仅在站控层控制室内采用双绞线连接各工作站。220 kV线路间隔配置成一个独立的网段,采用独立的交换机,每一个间隔配置一台交换机,过程层网络包括：过程层中心交换机3台;2号主变交换机1台;4号主变交换机1台;220 kV线路交换机6台;220 kV母联交换机4台。交换机数量共15台。网管软件自动生成的云峰变220 kV通信B网的交换机级联拓扑如图1所示。

图1 网管软件自动生成的云峰变220 kV通信B网的交换机级联拓扑 Fig.1 Switch cascade topology for communication network B of 220 kV Yunfeng substation automatically generated by network management software

交换机在实际接入中,应首先了解过程层IED设备的接入类型,如线路保护的直采直跳方式,以及通过对不同间隔过程层交换机进行级联实现通信的网采网跳方式。对于独立间隔构成的纵向子网络,只需要通过SCD文件识别IED设备间的订阅关系即可。交换机通过对SCD文件的解析可得到每条SV和GOOSE报文由虚拟二次回路确定的发送及接收关系,其虚拟二次回路的基本关系主要包括：

1）合并单元至母差保护：采用点对点SV,发送该间隔电流;

2）合并单元通过过程层SV网络至保护测控装置：采用组网SV,发送该间隔电流、电压给测控;

3）合并单元至线路保护：采用点对点SV,发送该间隔电流、电压;

4）智能终端至线路保护：采用点对点GOOSE,发送开关位置/闭重信息给保护重合闸;

5）线路保护至智能终端：采用点对点GOOSE,发送跳合闸命令;

6）智能终端通过过程层GOOSE网络至合并单元：采用组网GOOSE,发送母线刀闸位置给合并单元,用于电压切换;

7）智能终端通过过程层GOOSE网络至测控装置：采用组网GOOSE,发送该间隔一次遥信、智能终端柜温湿度给测控装置;

8）测控装置通过过程层GOOSE网络至智能终端：采用组网GOOSE,发送遥控命令给智能终端;

9）智能终端至母差保护：采用点对点GOOSE,发送母线道闸位置给母差;

10）母差保护至智能终端：采用点对点GOOSE,发送跳闸命令给智能终端;

11）本间隔测控通过过程层GOOSE网络至其他测控：采用组网GOOSE,发送联闭锁信号给其他测控;

12）其他测控通过过程层GOOSE网络至本间隔测控：采用组网GOOSE,发送联闭锁信号给本间隔测控;

13）母差保护通过过程层GOOSE网络至线路保护：采用组网GOOSE,发送闭锁重合闸信号给线路保护;

14）母线合并单元至本间隔合并单元：采用点对点SV,发送母线电压给本间隔合并单元,用于线路保护。

根据220 kV过程层GOOSE/SV的B网中心交换机上所接的设备,更换中心交换机将影响以下业务[17]：

1）影响220 kV线路和主变等间隔与母差保护间的GOOSE通信,影响失灵启动逻辑;

2）影响故障录波器、网络分析仪接收,在交换机更换期间,录波及报文记录功能丧失;

3）由于中心交换机接入了220 kV母线测控,因此相关母线设备的遥测、遥信、遥控等功能丧失。

更换220 kV间隔过程层交换将影响以下业务：

1）使本间隔测控装置对本间隔合并单元和智能终端设备的遥测、遥信、遥控等功能丧失;

2）影响母线保护与其他保护之间的失灵启动、母联断路器过流保护启动失灵、主变保护动作解除电压闭锁等逻辑。

在更换交换机期间,需做好相应的安全措施,待新交换机上电检查正常后,将老交换机上的所有端口逐个转移到新交换机。更换完成后,将SCD文件下载到交换机,交换机能正确解析SCD文件,按IED提取虚端子连线,生成相应的报文转发路径,过程中无需进行人工VLAN配置。

中心交换机2-40n的IED设备自动绑定情况如图2所示。

图2 中心交换机2-40n的IED设备自动绑定情况 Fig.2 IEDs automatic binding of center switch 2-40n

交换机网管上的二次回路可视化界面提供了直观的二次回路操作功能和全景信息,用户可以通过鼠标的拖拽增加或减少订阅关系,快速查找回路源头、中间路径,查看信号延时等回路运行状态信息。二次回路自动识别实例如图3所示。

图3 二次回路自动识别实例 Fig.3 Examples of secondary loop automatic recognition

二次回路的即插即用功能极大简化了站域保护和测控系统的调试工作。二次回路的在线监测和故障定位起到了预期的作用,快速高效的定位了断链故障点、重复链路、未知链路等错误,极大提高了调试效率。

智能变电站过程层电力专用交换机基于IEC61850的IED化建模,紧贴智能变电站信息通信的新要求,在常规交换机的基础上,增加了对IEC61850业务的感知能力,继承了点对点模式良好的回路逻辑隔断能力,为用户提供了基于二次回路的操作管理能力、高可靠性的智能信息传输服务、良好的时间同步性能以及自动化应用感知等功能,提升了智能变电站通信系统信息共享和互操作的能力。这使得交换机无缝嵌入到智能变电站控制系统不再游离于监控系统之外,进一步提高了智能变电站的监控和运维水平。

(编辑:张京娜)

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于灏（1984-）,男,工程师,从事电力通信技术研究工作,[email protected];

闫冈（1989-）,男,工程师,从事电力通信技术研究工作。