胡子侯

（廣東電網(wǎng)公司茂名供電局，廣東茂名 525000）

智能化變電站的兩種建設(shè)模式探討

胡子侯

（廣東電網(wǎng)公司茂名供電局，廣東茂名 525000）

智能電網(wǎng)是電網(wǎng)未來發(fā)展的趨勢，而智能化變電站的建設(shè)是智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，就建設(shè)智能化變電站的兩種模式進(jìn)行探討，同時對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，提出今后智能化變電站的建設(shè)建議。

智能化變電站；建設(shè)模式；探討

0 引言

智能化變電站的建設(shè)仍在摸索階段，國內(nèi)主流建設(shè)模式有兩種：一種是保護(hù)裝置GOOSE組網(wǎng)跳閘方式建設(shè)模式，另一種是保護(hù)裝置直采直跳建設(shè)模式。保護(hù)裝置GOOSE組網(wǎng)跳閘方式，即保護(hù)裝置、智能終端均引接至過程層GOOSE網(wǎng)交換機(jī)，跳閘、繼電保護(hù)之間的聯(lián)跳閉鎖信息、失靈啟動等GOOSE信號通過過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸，其他信號通過過程層SV網(wǎng)傳輸；保護(hù)裝置直采直跳方式，即保護(hù)采樣機(jī)跳閘信號通過直跳光纜傳輸，繼電保護(hù)之間的聯(lián)跳閉鎖信息、失靈啟動等GOOSE信號通過過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸，此外，還有一些信號傳輸是在SV網(wǎng)絡(luò)的協(xié)助下傳輸?shù)摹o論是組網(wǎng)跳閘方式建設(shè)模式還是直采直跳建設(shè)模式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，文章主要對這兩種方式進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的解決方案。

1 智能化變電站建設(shè)模式分析

保護(hù)裝置GOOSE組網(wǎng)跳閘方式建設(shè)模式在南方電網(wǎng)各智能化變電站被廣泛采用。除此之外，保護(hù)裝置GOOSE組網(wǎng)跳閘方式建設(shè)模式在國家電網(wǎng)試點(diǎn)智能化變電站也被采用，保護(hù)裝置直采直跳新型建設(shè)模式在智能化變電站裝置中使用主要受到國家電網(wǎng)公司實(shí)施和發(fā)布的一些電網(wǎng)技術(shù)規(guī)范的影響。

2 保護(hù)裝置直采直跳建設(shè)模式

該模式通過光纖引導(dǎo)的方式將智能化變電站保護(hù)裝置的出口跳閘引至智能終端，也可以直接將保護(hù)采樣引至合并單元，對于保護(hù)采樣和跳閘信號的傳輸可以通過直跳光纜進(jìn)行傳輸。繼電保護(hù)之間的聯(lián)跳閉鎖信息、失靈啟動等GOOSE信號通過過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸，其他信號通過過程層SV網(wǎng)傳輸，其系統(tǒng)圖見圖1。

2.1 保護(hù)裝置直采直跳方式智能化變電站的優(yōu)點(diǎn)

（1）該方式采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，不依賴網(wǎng)絡(luò)，因此，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的情況下不會影響到保護(hù)裝置的跳閘出口。利用點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸方式一定程度上能夠避免交換機(jī)帶來的問題，可以解決交換機(jī)延時帶來的保護(hù)誤動，另外，在受到電磁干擾的情況下交換機(jī)采樣值會出現(xiàn)閉鎖現(xiàn)象，點(diǎn)對點(diǎn)傳輸能夠解決閉鎖保護(hù)。

圖1 保護(hù)裝置直采直跳方式智能化變電站系統(tǒng)圖

（2）與傳統(tǒng)變電站相比，此模式在變電站結(jié)構(gòu)上沒有發(fā)生根本性變化，基層繼保人員容易適應(yīng)。

（3）在保護(hù)定檢或變電站擴(kuò)建時，試驗(yàn)措施與傳統(tǒng)變電站相似，容易實(shí)施，風(fēng)險(xiǎn)相對容易控制。

2.2 保護(hù)裝置直采直跳方式智能化變電站的缺點(diǎn)

（1）對保護(hù)裝置的硬件要求高。點(diǎn)對點(diǎn)模式下，保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)接口大幅增加，同一時間多個接口的數(shù)據(jù)都需要利用CPU進(jìn)行處理，一定程度上增加了處理量。對于CPU的選擇上還需要采用性能高的CPU，這樣處理的數(shù)據(jù)才更具有實(shí)用性。

（2）增加了現(xiàn)場施工的工作量。與網(wǎng)絡(luò)傳輸模式相比，點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸模式下的裝置間光纜接線相對較多，從而使得現(xiàn)場施工的工作量增加，此外，增加熔接點(diǎn)一定程度上會影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

（3）增加了裝置出現(xiàn)故障的頻率。在裝置設(shè)置過程中，增加保護(hù)裝置端口的數(shù)量，就會使得其CPU的發(fā)熱量隨著增加并且有可能大于常規(guī)CPU發(fā)熱量，使得裝置的運(yùn)行環(huán)境受到嚴(yán)重影響，這時的裝置在運(yùn)行中就會頻繁發(fā)生故障，若裝置中光纖的熔接點(diǎn)較多時也會增加故障的發(fā)生概率。

（4）故障不易排查，維護(hù)難度大。由于光纜接線和光纖熔接點(diǎn)較多，在發(fā)生回路異常時，較難排查安全隱患。

（5）不方便進(jìn)行故障分析。在采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸時，跳閘出口的設(shè)備連接都是采用一對一的直接連接方式，對數(shù)據(jù)報(bào)文的流程不能很好地進(jìn)行檢測，從而阻礙了故障分析的渠道。

3 GOOSE的組網(wǎng)跳閘方式建設(shè)模式

該模式智能化變電站保護(hù)裝置、智能終端均引接至過程層GOOSE網(wǎng)交換機(jī)，跳閘、繼電保護(hù)之間的聯(lián)跳閉鎖信息、失靈啟動等GOOSE信號通過過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸，其他信號通過過程層SV網(wǎng)傳輸，其系統(tǒng)圖見圖2。

圖2 保護(hù)裝置GOOSE組網(wǎng)跳閘方式智能化變電站系統(tǒng)圖

3.1 保護(hù)裝置GOOSE組網(wǎng)跳閘方式智能化變電站的優(yōu)點(diǎn)

（1）對保護(hù)裝置的硬件要求較低。該模式下，保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)接口較少，CPU不需同時處理各個端口的數(shù)據(jù)，CPU性能較易滿足數(shù)據(jù)處理的實(shí)時性要求。

（2）現(xiàn)場施工工作量小。網(wǎng)絡(luò)化傳輸方式在保護(hù)裝置的出口設(shè)置中被采用，其優(yōu)勢在于鋪設(shè)的光纖數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架相對較少，一定程度上使得設(shè)備互聯(lián)調(diào)試的工作量適當(dāng)?shù)臏p輕了，工程建設(shè)時間也快速縮短了。

（3）方便進(jìn)行故障分析。利用網(wǎng)絡(luò)傳輸方式對過程層的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，這樣可以方便網(wǎng)絡(luò)報(bào)文對設(shè)備監(jiān)控過程中的信息進(jìn)行交互，能夠快速地發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的故障，同時能夠清楚地劃分設(shè)備廠商的責(zé)任。

3.2 保護(hù)裝置GOOSE組網(wǎng)跳閘方式智能化變電站的劣勢

（1）交換機(jī)在使用過程中對性能的要求相對較高。交換機(jī)的性能是網(wǎng)絡(luò)化傳輸?shù)淖畲笃款i。數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中會出現(xiàn)延時問題，因此，需要對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分配，這樣不僅能夠提高交換機(jī)硬件質(zhì)量，還能夠使其穩(wěn)定地運(yùn)行，這種網(wǎng)絡(luò)化傳輸方式是需要解決的重點(diǎn)問題。

（3）GOOSE組網(wǎng)跳閘方式智能化變電站采樣時間較長。通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)倪^程中采樣值會出現(xiàn)延時，為了能夠使得間隔數(shù)據(jù)同步進(jìn)行，需要利用對時系統(tǒng)。

（4）適應(yīng)周期長。與傳統(tǒng)變電站相比，此模式在變電站結(jié)構(gòu)上發(fā)生根本性變化，基層繼保人員適應(yīng)周期較長。

（5）試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)控制難度增加。在保護(hù)定檢特別是變電站擴(kuò)建試驗(yàn)時，由于保護(hù)跳閘信息需走公用GOOSE網(wǎng)絡(luò)，在試驗(yàn)時很難控制對運(yùn)行設(shè)備的影響，風(fēng)險(xiǎn)控制措施執(zhí)行難度大。

3.3 分析GOOSE組網(wǎng)跳閘的可靠性和速動性

3.3.1 GOOSE組網(wǎng)跳閘的可靠性分析

GOOSE在智能變電的過程中信息流量相對較少，當(dāng)出現(xiàn)的故障比較嚴(yán)重時，對間隔流量會有一定的要求，一般不能超過2 Mbit／s，這樣不容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞。此外，GOOSE可靠性相對較高，主要因?yàn)槠洳捎玫木W(wǎng)絡(luò)模式是雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式。

3.3.2 對GOOSE組網(wǎng)跳閘的速動性探索

本項(xiàng)目為EPC項(xiàng)目，較傳統(tǒng)項(xiàng)目而言，各參建方可以提前介入廣義裝配式的策劃和實(shí)施。業(yè)主參與裝配式專項(xiàng)工作全過程的組織、統(tǒng)籌與決策，同時負(fù)責(zé)督促檢查各參建單位的落實(shí)情況與過程審核；工程監(jiān)理為裝配式專項(xiàng)工作的總體協(xié)調(diào)單位，負(fù)責(zé)協(xié)助業(yè)主對參建單位的裝配式方案進(jìn)行審核，并對落實(shí)情況過程監(jiān)督與把關(guān)；總承包單位牽頭實(shí)施裝配式專項(xiàng)工作，組織專業(yè)單位資源，編制裝配式實(shí)施方案。

交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸延時組成不要分為以下幾點(diǎn)：

（1）交換機(jī)存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時（簡稱TSF）

現(xiàn)代變換機(jī)的設(shè)計(jì)原理一般都是存儲轉(zhuǎn)發(fā)，通常情況下，利用幀長除以傳輸速度就能算出單臺交換機(jī)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時。百兆端口存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時122 μs，千兆端口存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時12 μs。

（2）交換機(jī)交換延時（簡稱TSW）

通常情況下，見到的交換機(jī)交換延時的數(shù)據(jù)都是固定的，其大小往往取決于交換機(jī)芯片處理MAC地址表、VLAN、優(yōu)先級。而交換延時比較短的是工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，其延時一般不超過10 μs。

（3）光纜傳輸延時（簡稱TWL）

光纜傳輸延時通常是光速的2／3倍，其計(jì)算是利用光纜長度除以光纜光速。以1 km為例，光纜傳輸延時約5 μs。

（4）交換機(jī)幀排隊(duì)延時簡稱TQ

利用順序傳送的方式解決交換機(jī)幀沖突就會給交換機(jī)延時帶來一些不確定的因素，嚴(yán)重的情況下會影響到交換機(jī)借口報(bào)文的發(fā)送，如果在計(jì)算中忽略交換機(jī)幀沖突中間隔的時間，就會出現(xiàn)媜排隊(duì)延時問題。其中幀排隊(duì)的最短延時一般為0。

根據(jù)以上分析．可以得出經(jīng)過N臺變換機(jī)的最長報(bào)文傳輸延時TALL=N（TSF+TSW+TQ）+TWLA

其中，TALL表示報(bào)文經(jīng)過N臺交換機(jī)的光纜傳輸總延時。

星形結(jié)構(gòu)形式下的轉(zhuǎn)發(fā)文需要的交換機(jī)臺數(shù)最大為3臺。

評估TQ時一般都是借助于平均排隊(duì)延時方式，當(dāng)延時比較長時，目的端口或交換機(jī)級聯(lián)端口接受的最長報(bào)文是通過所有交換機(jī)其他端口發(fā)送來的。

以3臺交換機(jī)、每臺交換機(jī)16個100 Mbit／s光口、光纜總長1 km、級聯(lián)端口采用千兆端口為例，下面是網(wǎng)絡(luò)傳輸中延時最長的計(jì)算值：

實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)繼電保護(hù)傳輸?shù)淖止?jié)減少時，GOOSE報(bào)文不超過300 B，這種情況下也會使得網(wǎng)絡(luò)延時減少。計(jì)算GOOSE報(bào)文的傳輸延時必須滿足IEC 61850規(guī)定的3 ms的延時要求，才能夠獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。

除此之外，在實(shí)際使用過程中可以通過一系列方式縮短網(wǎng)絡(luò)延時，利用IEEE 802．1Q優(yōu)先級標(biāo)志和虛擬LAN就可以達(dá)到縮短網(wǎng)絡(luò)延時的目的，更好地提升報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)效性。鑒于對VLAN的特點(diǎn)的研究，如果一個VLAN內(nèi)部的廣播和單播流量都不會轉(zhuǎn)發(fā)到其他VLAN，這樣就可以控制流量的流失，一定程度上降低設(shè)備投資，方便網(wǎng)絡(luò)管理，也使得網(wǎng)絡(luò)的安全性能有所提升。可以協(xié)助保護(hù)裝置GOOSE組網(wǎng)跳閘方式的改進(jìn)，又能夠滿足繼電保護(hù)速動性的要求。

4 兩種建設(shè)模式探討

通過比較兩種建設(shè)模式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點(diǎn)，可以看出：

（1）直采直跳方式，需要更多的接口。網(wǎng)跳方式下，每個間隔的電流信息通過合并單元直接上過程層SV網(wǎng)供所有保護(hù)（包括線路或主變保護(hù)、母差保護(hù)、失靈保護(hù)等）共享，而直采直跳方式下，合并單元需向每個保護(hù)直接提供采樣，因此合并單元需增加網(wǎng)絡(luò)接口。網(wǎng)跳方式下，所有保護(hù)的跳閘信息都是通過過程層GOOSE網(wǎng)到一次設(shè)備智能終端進(jìn)行跳閘，而直采直跳方式下，需要每個保護(hù)通過光纖直接接到一次設(shè)備智能終端進(jìn)行跳閘，需要增加智能終端的網(wǎng)絡(luò)接口，對于500 kV線路保護(hù)，需增加1個跳中開關(guān)網(wǎng)絡(luò)接口，而對于母差失靈保護(hù)，需要有滿足跳所有間隔開關(guān)的網(wǎng)絡(luò)接口，網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)量相比增加幅度最大。直采直跳方式下由于網(wǎng)絡(luò)接口的大量增加導(dǎo)致硬件成本大增，同時由于需要更多網(wǎng)口的信息，也不利于保護(hù)的運(yùn)行。

（2）直采直跳方式，需要更多光纜和光纜熔接。由于直采直跳方式，需要每個保護(hù)通過光纖直接接到一次設(shè)備智能終端進(jìn)行跳閘，所以光纜數(shù)量大大增加，同時光纜熔接量也增大，因此，光纜成本以及施工成本大增。

通過分析可知，采用直采直跳方式的保護(hù)裝置具有多重優(yōu)勢，但是光口數(shù)量和熔接點(diǎn)多，光纜用量大，基于這些優(yōu)勢的影響，直采直跳方式下的造價投資高于網(wǎng)跳投資。

5 結(jié)語

智能化變電站無論采用直采直跳方式還是采用GOOSE組網(wǎng)跳模式，這些模式一定程度上都能夠滿足繼電保護(hù)的需要和要求，此外，保護(hù)裝置GOOSE組網(wǎng)跳閘方式在多個方面都優(yōu)于直跳方式，它的全壽命周期投資造價低，不僅綠色環(huán)保，還能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享功能，同時還能對故障進(jìn)行分析，能夠滿足智能電網(wǎng)全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展。因此，建議以后智能化變電站建設(shè)中采用GOOSE組網(wǎng)跳閘方式建設(shè)模式。

Discussion on Two Kinds of Construction Mode of Intelligent Substation

HU Zi-hou
（Maoming Power Supply Bureau，Maoming525000，China）

The smart grid is the trend of future development of power grid，and the construction of intelligent substation is the foundation of realization of smart grid， the construction of the two modes of intelligent substation are discussed， and the advantages and disadvantages are analyzed，then put forward proposals of intelligent substation construction in the future.

intelligent substation；construction modes；discuss

TM727

A

1009－9492(2015)10－0039－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.10.010

胡子侯，男，1982年生，湖北武穴人，大學(xué)本科，工程師。研究領(lǐng)域：變電站繼保設(shè)備運(yùn)行及檢修。已發(fā)表論文1篇。

(編輯：阮 毅)

2015－04－30