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摘要 为满足智能变电站对通讯网络实时性、可靠性的要求，本文分析研究了IEC61850标准中的通讯网络架构及过程总线的组网方案，分析了变电站总线的分类及优缺点。分析快速以太网交换技术及VLAN等先进技术给智能变电站网络带来的便利性。列举了一种实际应用的网络通信架构方案，为智能变电站的通信网络架构选择和应用提供参考。
关键词 智能变电站；IEC61850标准；智能电子设备；虚拟局域网；网络架构
中图分类号 TU973 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）092-0217-01
智能变电站把传统变电站的所有信息采集、传输、处理、输出过程由过去的模拟量信息全部转换为数字量信息，并建立相应的通讯网络和系统。智能变电站的主要特点是智能化的一次设备和网络化的二次设备以及自动化的运行管理系统。智能变电站内各种智能电子设备（IED）通过网络系统相互连接，通讯网络架构是智能变电站自动化系统的关键技术之一。实现智能变电站要求通讯网络传输数据准确、可靠、快速。
1 IEC61850标准对通讯网络的要求
为规范不同电子设备制造商之间的接口，提高互操作性，IEC61850标准体系按照变电站自动化所要完成的控制、监视、继电保护三大功能从逻辑上把智能变电站系统分为三层，即站控层、间隔层、过程层。过程层主要完成开关量输入输出、模拟量采样和控制命令的发送等与一次设备相关的功能。间隔层的功能主要是利用本间隔的数据对本间隔的一次设备产生作用，如线路保护等。站控层的功能主要是利用各个间隔或全站的信息对多个或全站的一次设备发生作用，如母线保护或全站范围内的闭锁等；以及与远方控制中心、工程师站及人机界面通信等。
2 IEC61850标准中的过程总线组网方案
针对过程总线数据流要求及可靠性要求不同，IEC61850标准中列举了4种基本方案，可以根据不同场合、不同需求参考这些方案做出选择。
在方案1中，每个间隔有其自身的总线段，同时还装设一个独立的全站范围的总线以连接各间隔的总线段。面向间隔组网方案的优点是结构清晰、易于维护，缺点是需要安装较多的交换机和路由设备，成本较高。该方案适用于220 kV及以上系统以及重要间隔。
方案2中每个间隔总线段覆盖了多个间隔。当IED的安装位置处于多个传感器安装位置的中心时，从高压端到IED的光纤传输距离最短。另外，220 kV双母线接线多采用母线PT，该PT可以供多个间隔共用，从而节省了PT的安装数量。
方案3是一种全站单一总线方案，所有设备都与该总线连接。该方案的优点是节省了交换机，成本较低；缺点是系统可靠性差，需要较高的总线速率。该方案适用于网络负载较轻、实时性要求不高的中、低压系统。
方案4中的总线段是按照保护区域来设置的，其突出优点是总线段之间的数据交换量最小。
3 变电站总线的基本组网方案
采用该方案时，位于间隔层的IED设备需要2套以太网接口，分别接入过程总线和变电站总线。优点是通讯结构清晰，网络负荷容易控制，缺点是IED设备必须驱动2套以太网络接口，硬件设计及软件编程较难控制。
4 通信网络架构的实际应用
4.1 过程层信息传输对网络的要求及对策
过程层交换的信息主要有两类：1）周期性的采样值信号，它可以允许网络中有少量的丢包，但是必须做到数据的实时和可靠。2）由事件驱动的开入开出信号，如分布式系统下各设备间状态信息、互锁信息的相互交换和智能设备状态信息的发布等，该信息不仅对数据传输实时性要求高，同时可靠性也要求高，不允许这种信息在网络传输过程中丢失。
智能操作箱是相对传统操作箱而言的，利用以太网发送跳闸、合闸、闭锁命令（执行器），将其安装在开关附近，可实现用过程总线对开关进行控制。扩展故障检测功能，即状态监测、分析诊断和故障预测，通过增加相应的温度、压力等传感器，将装置的当前状态传到控制器，就可以根据设定的判据进行故障诊断和处理。
4.2 快速以太网及交换技术发展带来的技术优势
当过程层IED设备很多时，过程总线的网络负荷会很重，现代高速千兆以太网交换机可以容许更大的网络负荷。当网络中数据流越来越大时，数据冲突会呈指数增长，为降低冲突的机率，虚拟局域网（VLAN）技术能提供更好的解决办法
由VLAN的特點可知，一个VLAN内部的广播和单播流量都不会转发到其它VLAN中，从而有助于控制流量、减少设备投资、简化网络管理、提高网络的安全性。VLAN除了能将网络划分为多个广播域，从而有效地控制广播风暴的发生，以及使网络的拓扑结构变得非常灵活的优点外，还可以用于控制网络中不同节点之间的互相访问。
4.3 实际应用的通信网络架构方案
站内通信网络采用以太网技术，通信体系采用IEC61850架构，以取代大量传统硬接线。站内网络拓扑采用双星型结构，通信介质使用100M光纤以太网，组网方式为VLAN虚拟以太网。
为保证可靠性，保护网络与测控、计量网络分开，针对保护和监控分别配置合并单元，保护信息通过保护通信管理单元接入主站。配备工业级以太网交换机，冗余方面尽可能利用网络设备本身能提供的功能。
5 结论
采用合并的变电站总线，在较小规模（10条线路）变电站系统中，100 M快速以太网交换机能够满足通信网络要求，可以通过划分VLAN降低网络负荷，改善网络安全。如果变电站系统的网络规模较大，可以采用1000 M以太网交换机，全部端口通过光纤连接，也可以满足网络实时性、可靠性的要求。
为保证可靠性，还可以利用VLAN技术将保护相关的网络与测控、计量的网络分开，避免数据冲突。采用工业以太网交换机能从网络交换本身提高网络的可靠性。对可靠性要求特别高的情况下，还可以考虑用两套网络，各自独立，实现冗余和备份。
参考文献
[1]IEC61850， Communication networks and systems in substations[S].2003.
[2]殷志良，刘万顺，杨奇逊等.基于IEC61850标准的过程总线通信研究与实现（Research and implementation of the communication of process bus based on IEC61850）[J].中国电机工程学报 （Proc.CSEE），2005，25（8）：84-89.
[3]IEEE 802.1Q，VLAN Message Specification[S].
[4]邱智勇，陈建民.500 kV数字化变电站组网方式及VLAN划分探讨（Discussion of 500kV digital substation network mode and VLAN partition）[J].电工电能新技术（Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy），2009，10（4）：60-65.
关键词 智能变电站；IEC61850标准；智能电子设备；虚拟局域网；网络架构
中图分类号 TU973 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）092-0217-01
智能变电站把传统变电站的所有信息采集、传输、处理、输出过程由过去的模拟量信息全部转换为数字量信息，并建立相应的通讯网络和系统。智能变电站的主要特点是智能化的一次设备和网络化的二次设备以及自动化的运行管理系统。智能变电站内各种智能电子设备（IED）通过网络系统相互连接，通讯网络架构是智能变电站自动化系统的关键技术之一。实现智能变电站要求通讯网络传输数据准确、可靠、快速。
1 IEC61850标准对通讯网络的要求
为规范不同电子设备制造商之间的接口，提高互操作性，IEC61850标准体系按照变电站自动化所要完成的控制、监视、继电保护三大功能从逻辑上把智能变电站系统分为三层，即站控层、间隔层、过程层。过程层主要完成开关量输入输出、模拟量采样和控制命令的发送等与一次设备相关的功能。间隔层的功能主要是利用本间隔的数据对本间隔的一次设备产生作用，如线路保护等。站控层的功能主要是利用各个间隔或全站的信息对多个或全站的一次设备发生作用，如母线保护或全站范围内的闭锁等；以及与远方控制中心、工程师站及人机界面通信等。
2 IEC61850标准中的过程总线组网方案
针对过程总线数据流要求及可靠性要求不同，IEC61850标准中列举了4种基本方案，可以根据不同场合、不同需求参考这些方案做出选择。
在方案1中，每个间隔有其自身的总线段，同时还装设一个独立的全站范围的总线以连接各间隔的总线段。面向间隔组网方案的优点是结构清晰、易于维护，缺点是需要安装较多的交换机和路由设备，成本较高。该方案适用于220 kV及以上系统以及重要间隔。
方案2中每个间隔总线段覆盖了多个间隔。当IED的安装位置处于多个传感器安装位置的中心时，从高压端到IED的光纤传输距离最短。另外，220 kV双母线接线多采用母线PT，该PT可以供多个间隔共用，从而节省了PT的安装数量。
方案3是一种全站单一总线方案，所有设备都与该总线连接。该方案的优点是节省了交换机，成本较低；缺点是系统可靠性差，需要较高的总线速率。该方案适用于网络负载较轻、实时性要求不高的中、低压系统。
方案4中的总线段是按照保护区域来设置的，其突出优点是总线段之间的数据交换量最小。
3 变电站总线的基本组网方案
采用该方案时，位于间隔层的IED设备需要2套以太网接口，分别接入过程总线和变电站总线。优点是通讯结构清晰，网络负荷容易控制，缺点是IED设备必须驱动2套以太网络接口，硬件设计及软件编程较难控制。
4 通信网络架构的实际应用
4.1 过程层信息传输对网络的要求及对策
过程层交换的信息主要有两类：1）周期性的采样值信号，它可以允许网络中有少量的丢包，但是必须做到数据的实时和可靠。2）由事件驱动的开入开出信号，如分布式系统下各设备间状态信息、互锁信息的相互交换和智能设备状态信息的发布等，该信息不仅对数据传输实时性要求高，同时可靠性也要求高，不允许这种信息在网络传输过程中丢失。
智能操作箱是相对传统操作箱而言的，利用以太网发送跳闸、合闸、闭锁命令（执行器），将其安装在开关附近，可实现用过程总线对开关进行控制。扩展故障检测功能，即状态监测、分析诊断和故障预测，通过增加相应的温度、压力等传感器，将装置的当前状态传到控制器，就可以根据设定的判据进行故障诊断和处理。
4.2 快速以太网及交换技术发展带来的技术优势
当过程层IED设备很多时，过程总线的网络负荷会很重，现代高速千兆以太网交换机可以容许更大的网络负荷。当网络中数据流越来越大时，数据冲突会呈指数增长，为降低冲突的机率，虚拟局域网（VLAN）技术能提供更好的解决办法
由VLAN的特點可知，一个VLAN内部的广播和单播流量都不会转发到其它VLAN中，从而有助于控制流量、减少设备投资、简化网络管理、提高网络的安全性。VLAN除了能将网络划分为多个广播域，从而有效地控制广播风暴的发生，以及使网络的拓扑结构变得非常灵活的优点外，还可以用于控制网络中不同节点之间的互相访问。
4.3 实际应用的通信网络架构方案
站内通信网络采用以太网技术，通信体系采用IEC61850架构，以取代大量传统硬接线。站内网络拓扑采用双星型结构，通信介质使用100M光纤以太网，组网方式为VLAN虚拟以太网。
为保证可靠性，保护网络与测控、计量网络分开，针对保护和监控分别配置合并单元，保护信息通过保护通信管理单元接入主站。配备工业级以太网交换机，冗余方面尽可能利用网络设备本身能提供的功能。
5 结论
采用合并的变电站总线，在较小规模（10条线路）变电站系统中，100 M快速以太网交换机能够满足通信网络要求，可以通过划分VLAN降低网络负荷，改善网络安全。如果变电站系统的网络规模较大，可以采用1000 M以太网交换机，全部端口通过光纤连接，也可以满足网络实时性、可靠性的要求。
为保证可靠性，还可以利用VLAN技术将保护相关的网络与测控、计量的网络分开，避免数据冲突。采用工业以太网交换机能从网络交换本身提高网络的可靠性。对可靠性要求特别高的情况下，还可以考虑用两套网络，各自独立，实现冗余和备份。
参考文献
[1]IEC61850， Communication networks and systems in substations[S].2003.
[2]殷志良，刘万顺，杨奇逊等.基于IEC61850标准的过程总线通信研究与实现（Research and implementation of the communication of process bus based on IEC61850）[J].中国电机工程学报 （Proc.CSEE），2005，25（8）：84-89.
[3]IEEE 802.1Q，VLAN Message Specification[S].
[4]邱智勇，陈建民.500 kV数字化变电站组网方式及VLAN划分探讨（Discussion of 500kV digital substation network mode and VLAN partition）[J].电工电能新技术（Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy），2009，10（4）：60-65.