论文部分内容阅读
摘要：智能变电站引入过程层的概念，本文根据作者实际从事的工程以及设计专业出发，总结了几种典型的过程层组网方案以及它们在不同工程中的应用，重点针对过程层GOOSE组网、SMV点对点直采以及混合型组网方式进行对比，为工程实施以及设计方案的确定提供一些参考。
关键词：智能变电站；过程层组网；IEC61850；VLAN
Several process level networking schemes of digital substation and application in practical engineering
SU Zhantao，ZHAN Zhongguan
(NARI Technology Development Co., Ltd., Nanjing 210061, Jiangsu Province, China)
Abstract:The digital substation is introduced to the process level concept. This artical is based on the authors who working on the engineering and designing, summarizing several typical networking schemes of digital substation and the application in different practical engineering, especially focus on the contrasting of GOOSE networking, SMV point-to-point directly acquisition and mixed type of networking in the process level. Providing some reference resources for the engineering and designing
Key word: Digital Substation, process level networking schemes,IEC61850, VLAN
中圖分类号：TM63文献标识码： A 文章编号：
0 引言
一般认为，智能变电站的系统架构分为站控层、间隔层和过程层，站控层和间隔层之间的网络为制造报文规范网(rnanufacmringmessagespecification,MMS)，间隔层和过程层之间的网络为过程层网，过程层网络包括采样值网(sampledmeasuredvalue,SMV)和面向对象的变电站通用事件网(genericobjectorienwAsubstationevent,GOOSE) 。过程层作为智能变电站3层结构的最底层，涉及变电站一次设备的数据传输和设备的实时控制，如数据采集和保护跳闸等，过程层网络结构设计的合理性在很大程度上决定了变电站全站运行的稳定性和可靠性，需要设计人员着重考虑。本文结合国网的相关导则、规范，总结出了几种典型的技术方案及其在不同工程中的应用，并分析研究了其关键技术。
1 过程层的概念及构成
1.1 过程层的概念
智能变电站自动化系统三层之间用分层、分布、开放式网络系统实现连接。过程层位于最底层，是一次设备与二次设备结合的介质，主要完成运行设备的状态监测、操作控制命令的执行和实时运行电气量的采集功能，实现基本状态量和模拟量的数字化
输入／输出。
具体而言，变电站中原来间隔层的部分功能下放到过程层，如模拟量的 A/D 转换、开关量输入和输出等，相应的信息经过程层网络进行传输，它直接影响变电站信息的采集方式、准确度和实时性，是继电保护正确动作的前提。过程层信息传输基于光纤通信方式，其服务分采样值传输（SMV）和GOOSE信息传输两类。
1.2 过程层的构成
过程层包括变压器、断路器、隔离开关、电流/电压互感器等一次设备及其所属的智能组件以及独立的智能电子装置。
相对于传统变电站，智能变电站的一、二次设备发生了较大的变化，一次设备上电子式互感器取代了电磁式互感器，智能化开关取代了传统开关设备；多个智能电子设备之间通过GOOSE、采样值传输机制进行信息的传递。这些特征有利于实现反映变电站电力系统运行的稳态、暂态、动态数据以及变电站设备运行状态、图像等的数据的集合，为电力系统提供统一断面的全景数据。
2 过程层网络的要求
2.1GOOSE网络的要求
GOOSE 是一种面向通用对象的变电站事件，其基于发布/订阅机制，能快速和可靠地交换数据集中的通用变电站事件数据值的相关模型对象和服务，以及这些模型对象和服务到 ISO/IEC8802-3 帧之间的映射。
智能变电站中 GOOSE服务主要用于智能一次设备、智能单元等与间隔层保护测控装置之间的信息传输，包括传输跳合闸信号或命令，GOOSE 报文数据量不大但具有突发性。由于在过程层中GOOSE 应用于保护跳闸等重要报文，必须在规定时间内传送到目的地，因此对其实时性要求远高于一般的面向非嵌入式系统，对报文传输的时间延迟在4 ms 以内。
2.2SMV网络的要求
采样值传输是变电站自动化系统过程层与间隔层通信的重要内容，智能变电站过程层上最大的数据流出现在电子式互感器和保护、测控之间的采样值传输过程中。采样值报文（以及跳闸报文）的传输有很高的实时性要求，即使在极端情况下也要确保报文响应时间是可确定性的。
2.3 智能变电站对智能终端以及合并单元的基本要求
2.3.1 智能终端的基本要求
智能终端是过程层的另一重要设备，逻辑上是一种智能组件，它与一次设备采用电缆连接，与保护、测控等二次设备基于 GOOSE机制采用光纤连接，实现对一次设备（如：断路器、刀闸、主变压器等）的测量、控制等功能。智能终端适用于安装在户内柜或户外柜等封闭空间内，当安装在户外控制柜内时，装置壳体防护等级应达到IP42，安装在户内柜时，防护等级应达到IP40。
2.3.2 合并单元的基本要求
合并单元主要是对来自二次转换器的电流/ 电压数据进行时间相关组合和处理的物理单元，是针对电子式互感器，为保护/ 测控等二次设备提供一组时间同步（相关）的电流和电压采样值，其主要功能是汇集/ 合并多个电子式互感器的数据，获取电力系统电流和电压瞬时值，并以确定的数据品质传输到继电保护设备等；其每个数据通道可以承载一台或多台的电子式电流或电压互感器的采样值数据。它是过程层采样值传输技术的主要实现者，物理形式上可以是互感器的一个组成件，也可以是一个分立的单元。
在智能变电站中，合并单元的重要性与继电保护装置相似，因此要求其正常工作时的地点应无爆炸危险，无腐蚀性气体及导电尘埃、无严重霉菌、无剧烈振动源，同时有防御雨、雪、风、沙、尘埃及防静电措施等。
3 过程层网络典型组网方案
智能变电站过程层通信涉及数字化采样，即电子式互感器和合并单元的使用，同时也涉及GOOSE网的实现，即智能操作箱或智能开关的使用。从一定程度上看，过程层网络涉及全站的数据源和开关的控制，对全站的稳定运行起着重要作用。
因此，有必要对其组网方式进行详细讨论，并挑选最安全可靠、最经济的组网方式来保证现场安全稳定运行。当前涉及的组网方式主要有以下几种。①GOOSE、SMV直连方式、②GOOSE组网、SMV直连方式、③GOOSE组网、SMV组网、④GOOSE、SMV共网传输、⑤混合型组网、⑥对时网络。
4 过程层网络的优化
4.1 数据优先级划分
首先保证保护直采直跳数据的最快传输要求，对于组网的GOOSE和SMV报文，要充分分析各种数据属性将数据根据重要程度进行优先级划分，比如分为跳闸数据、保护装置之间闭锁和联锁数据、开关量数据、模拟量数据，这几种数据重要性很高，但仍轻重之分，当变电站发生故障时，过程层网上的数据会增加很多，数据就有堵塞的可能，应对的措施是采用IEEE802.1p优先级技术，对上述5类数据进行优先级的划分，保证最重要的数据在最恶略情况下的可靠快速传输。
4.2 流量分类控制技术
4.2.1 VLAN技术的应用
对于GOOSE和SMV数据单独组网的情况，可以根据数据共享关系及流向分别划分各自的网络，主要是为了防止出现网络风暴，减少网络阻塞提高报文传输的可靠性和实时性。对于GOOSE和SMV共网传输的情况，由于各种网络报文共存，需要利用报文过滤技术，尽量避免不同形式网络报文互相干扰的情况。VLAN技术是属于交换机网络技术范畴之内的，并不涉及过程层设备本身，但是对交换机的配置方面有较高要求。总的来说，该工作增加了现场施工和维护的复杂性，网络不能轻易的调整，一旦调整则意味着进行重新的VLAN划分，工作量较大。鉴于此，另一种更为简单实用的网络协议-GMRP，得到了应用。
4.2.2 GMRP协议的应用
GMRP是一种基于以太网链路帧的自动多播配置方案，由于VLAN和多播管理信息未能在IEC61850模型文件中進行规范表达，为了解决此问题，建议通过GMRP或者GARP VLAN注册协议(GARP VLAN registration protocol，GVRP)实现智能电子设备(intelligentelectronicdevice，IED)和交换机的互动，由装置告诉交换机多播报文的转发范围，达到动态优化网络流量的目的，省去了配置静态VLAN的繁琐，并且可以动态应对网络结构的改变。与VLAN相比，GMRP不需要对交换机进行繁琐配置，仅需交换机支持GMRP功能，方便了变电站的改扩建，有效降低了运行维护的难度。具体实现原理可以参考文献[3-12]。
5 结语
过程层是智能变电站区别于常规变电站的亮点之一，也是饱受争议的部分。本文对其概念和构成以及基本要求进行了分析阐述，列举了过程层目前比较典型的几种组网方案以及在实际工程中的应用，对于网络的优化提出一定的建议，以期为今后智能变电站的建设尤其是过程层网络结构的设计提供参考。
参考文献
[1] Q／GDW_441-2010《智能变电站继电保护技术规范》及编制说明.北京，国家电网公司，2010.
[2] Q/GDW 383-2009：2-3国家电网公司企业标准. 智能变电站技术导则[S].
[3] 邱智勇，陈健民．500 kV数字化变电站组网方式及VLAN划分探讨[J]．电工电能新技术，2009，28(4)：60-64
[4] 易永辉，王雷涛．智能变电站过程层应用技术研究．电力系统保护与控制，2010
作者简介：
苏战涛（1980），男，硕士，工程师，主要从事电力系统自动化工程调试；
张中冠（1984），男，本科，助理工程师，主要从事电力系统自动化工程调试
关键词：智能变电站；过程层组网；IEC61850；VLAN
Several process level networking schemes of digital substation and application in practical engineering
SU Zhantao，ZHAN Zhongguan
(NARI Technology Development Co., Ltd., Nanjing 210061, Jiangsu Province, China)
Abstract:The digital substation is introduced to the process level concept. This artical is based on the authors who working on the engineering and designing, summarizing several typical networking schemes of digital substation and the application in different practical engineering, especially focus on the contrasting of GOOSE networking, SMV point-to-point directly acquisition and mixed type of networking in the process level. Providing some reference resources for the engineering and designing
Key word: Digital Substation, process level networking schemes,IEC61850, VLAN
中圖分类号：TM63文献标识码： A 文章编号：
0 引言
一般认为，智能变电站的系统架构分为站控层、间隔层和过程层，站控层和间隔层之间的网络为制造报文规范网(rnanufacmringmessagespecification,MMS)，间隔层和过程层之间的网络为过程层网，过程层网络包括采样值网(sampledmeasuredvalue,SMV)和面向对象的变电站通用事件网(genericobjectorienwAsubstationevent,GOOSE) 。过程层作为智能变电站3层结构的最底层，涉及变电站一次设备的数据传输和设备的实时控制，如数据采集和保护跳闸等，过程层网络结构设计的合理性在很大程度上决定了变电站全站运行的稳定性和可靠性，需要设计人员着重考虑。本文结合国网的相关导则、规范，总结出了几种典型的技术方案及其在不同工程中的应用，并分析研究了其关键技术。
1 过程层的概念及构成
1.1 过程层的概念
智能变电站自动化系统三层之间用分层、分布、开放式网络系统实现连接。过程层位于最底层，是一次设备与二次设备结合的介质，主要完成运行设备的状态监测、操作控制命令的执行和实时运行电气量的采集功能，实现基本状态量和模拟量的数字化
输入／输出。
具体而言，变电站中原来间隔层的部分功能下放到过程层，如模拟量的 A/D 转换、开关量输入和输出等，相应的信息经过程层网络进行传输，它直接影响变电站信息的采集方式、准确度和实时性，是继电保护正确动作的前提。过程层信息传输基于光纤通信方式，其服务分采样值传输（SMV）和GOOSE信息传输两类。
1.2 过程层的构成
过程层包括变压器、断路器、隔离开关、电流/电压互感器等一次设备及其所属的智能组件以及独立的智能电子装置。
相对于传统变电站，智能变电站的一、二次设备发生了较大的变化，一次设备上电子式互感器取代了电磁式互感器，智能化开关取代了传统开关设备；多个智能电子设备之间通过GOOSE、采样值传输机制进行信息的传递。这些特征有利于实现反映变电站电力系统运行的稳态、暂态、动态数据以及变电站设备运行状态、图像等的数据的集合，为电力系统提供统一断面的全景数据。
2 过程层网络的要求
2.1GOOSE网络的要求
GOOSE 是一种面向通用对象的变电站事件，其基于发布/订阅机制，能快速和可靠地交换数据集中的通用变电站事件数据值的相关模型对象和服务，以及这些模型对象和服务到 ISO/IEC8802-3 帧之间的映射。
智能变电站中 GOOSE服务主要用于智能一次设备、智能单元等与间隔层保护测控装置之间的信息传输，包括传输跳合闸信号或命令，GOOSE 报文数据量不大但具有突发性。由于在过程层中GOOSE 应用于保护跳闸等重要报文，必须在规定时间内传送到目的地，因此对其实时性要求远高于一般的面向非嵌入式系统，对报文传输的时间延迟在4 ms 以内。
2.2SMV网络的要求
采样值传输是变电站自动化系统过程层与间隔层通信的重要内容，智能变电站过程层上最大的数据流出现在电子式互感器和保护、测控之间的采样值传输过程中。采样值报文（以及跳闸报文）的传输有很高的实时性要求，即使在极端情况下也要确保报文响应时间是可确定性的。
2.3 智能变电站对智能终端以及合并单元的基本要求
2.3.1 智能终端的基本要求
智能终端是过程层的另一重要设备，逻辑上是一种智能组件，它与一次设备采用电缆连接，与保护、测控等二次设备基于 GOOSE机制采用光纤连接，实现对一次设备（如：断路器、刀闸、主变压器等）的测量、控制等功能。智能终端适用于安装在户内柜或户外柜等封闭空间内，当安装在户外控制柜内时，装置壳体防护等级应达到IP42，安装在户内柜时，防护等级应达到IP40。
2.3.2 合并单元的基本要求
合并单元主要是对来自二次转换器的电流/ 电压数据进行时间相关组合和处理的物理单元，是针对电子式互感器，为保护/ 测控等二次设备提供一组时间同步（相关）的电流和电压采样值，其主要功能是汇集/ 合并多个电子式互感器的数据，获取电力系统电流和电压瞬时值，并以确定的数据品质传输到继电保护设备等；其每个数据通道可以承载一台或多台的电子式电流或电压互感器的采样值数据。它是过程层采样值传输技术的主要实现者，物理形式上可以是互感器的一个组成件，也可以是一个分立的单元。
在智能变电站中，合并单元的重要性与继电保护装置相似，因此要求其正常工作时的地点应无爆炸危险，无腐蚀性气体及导电尘埃、无严重霉菌、无剧烈振动源，同时有防御雨、雪、风、沙、尘埃及防静电措施等。
3 过程层网络典型组网方案
智能变电站过程层通信涉及数字化采样，即电子式互感器和合并单元的使用，同时也涉及GOOSE网的实现，即智能操作箱或智能开关的使用。从一定程度上看，过程层网络涉及全站的数据源和开关的控制，对全站的稳定运行起着重要作用。
因此，有必要对其组网方式进行详细讨论，并挑选最安全可靠、最经济的组网方式来保证现场安全稳定运行。当前涉及的组网方式主要有以下几种。①GOOSE、SMV直连方式、②GOOSE组网、SMV直连方式、③GOOSE组网、SMV组网、④GOOSE、SMV共网传输、⑤混合型组网、⑥对时网络。
4 过程层网络的优化
4.1 数据优先级划分
首先保证保护直采直跳数据的最快传输要求，对于组网的GOOSE和SMV报文，要充分分析各种数据属性将数据根据重要程度进行优先级划分，比如分为跳闸数据、保护装置之间闭锁和联锁数据、开关量数据、模拟量数据，这几种数据重要性很高，但仍轻重之分，当变电站发生故障时，过程层网上的数据会增加很多，数据就有堵塞的可能，应对的措施是采用IEEE802.1p优先级技术，对上述5类数据进行优先级的划分，保证最重要的数据在最恶略情况下的可靠快速传输。
4.2 流量分类控制技术
4.2.1 VLAN技术的应用
对于GOOSE和SMV数据单独组网的情况，可以根据数据共享关系及流向分别划分各自的网络，主要是为了防止出现网络风暴，减少网络阻塞提高报文传输的可靠性和实时性。对于GOOSE和SMV共网传输的情况，由于各种网络报文共存，需要利用报文过滤技术，尽量避免不同形式网络报文互相干扰的情况。VLAN技术是属于交换机网络技术范畴之内的，并不涉及过程层设备本身，但是对交换机的配置方面有较高要求。总的来说，该工作增加了现场施工和维护的复杂性，网络不能轻易的调整，一旦调整则意味着进行重新的VLAN划分，工作量较大。鉴于此，另一种更为简单实用的网络协议-GMRP，得到了应用。
4.2.2 GMRP协议的应用
GMRP是一种基于以太网链路帧的自动多播配置方案，由于VLAN和多播管理信息未能在IEC61850模型文件中進行规范表达，为了解决此问题，建议通过GMRP或者GARP VLAN注册协议(GARP VLAN registration protocol，GVRP)实现智能电子设备(intelligentelectronicdevice，IED)和交换机的互动，由装置告诉交换机多播报文的转发范围，达到动态优化网络流量的目的，省去了配置静态VLAN的繁琐，并且可以动态应对网络结构的改变。与VLAN相比，GMRP不需要对交换机进行繁琐配置，仅需交换机支持GMRP功能，方便了变电站的改扩建，有效降低了运行维护的难度。具体实现原理可以参考文献[3-12]。
5 结语
过程层是智能变电站区别于常规变电站的亮点之一，也是饱受争议的部分。本文对其概念和构成以及基本要求进行了分析阐述，列举了过程层目前比较典型的几种组网方案以及在实际工程中的应用，对于网络的优化提出一定的建议，以期为今后智能变电站的建设尤其是过程层网络结构的设计提供参考。
参考文献
[1] Q／GDW_441-2010《智能变电站继电保护技术规范》及编制说明.北京，国家电网公司，2010.
[2] Q/GDW 383-2009：2-3国家电网公司企业标准. 智能变电站技术导则[S].
[3] 邱智勇，陈健民．500 kV数字化变电站组网方式及VLAN划分探讨[J]．电工电能新技术，2009，28(4)：60-64
[4] 易永辉，王雷涛．智能变电站过程层应用技术研究．电力系统保护与控制，2010
作者简介：
苏战涛（1980），男，硕士，工程师，主要从事电力系统自动化工程调试；
张中冠（1984），男，本科，助理工程师，主要从事电力系统自动化工程调试