摘要：过程层网络的通信性能对智能变电站的安全稳定运行起着关键的决定作用。而通信以太网络的不透明、不可视，使过程层网络通信过程不可控，这成为智能变电站发展的瓶颈。以过程层网络报文特性为切入点，对典型智能变电站——琴韵变电站的过程层网络报文特征进行分析，进而对过程层网络的通信特性做出研究，指出现有过程层网络通信配置中的一些不足，并给出了改进办法。这在一定程度上使过程层网络变得透明、可控，并对智能变电站的建设工作具有一定的探索性参考意义。
关键词：智能变电站；过程层网络；报文特性；通信配置
一、前言
相对于传统变电站二次系统中电缆点对点通信的方式，智能变电站过程层网络采用光纤以太网进行通信，其通信过程变得不透明、不可视，这使得过程层网络通信不可控。而目前又缺乏切实有效的研究办法，难以寻找到合适的切入点对过程层网络展开研究，这也制约了过程层网络的发展，如何进行恰当的网络规划、采取适宜的组网形式、分配合适的链路带宽等问题，成为目前智能变电站建设中亟待解决的关键问题。
二、过程层网络报文特性分析
2.1过程层网络报文的订阅关系
变电站二次网络采取组播通信的方式，依据报文发送组播表，选取典型间隔：线路间隔、主变间隔、母线间隔各一个，进行过程层网络报文订阅关系图的绘制，详细展示智能变电站内部报文的订阅关系和具体流向，每个IED设备发出的每一条报文内容以及每一条报文发送的目的IED均清晰可视，同时，IED接收的每一条报文的源IED也清晰可循。使二次设备之间的关联关系更加直观，使通信过程可视，为分析报文动态特征提供有效依据。
2.2过程层网络报文的潮流分布
变电站220kV侧采用双母单分段接线方式，分段母线两侧配置对称，因篇幅限制，本文选取其中一侧进行分析。包括：南琴甲、乙线路间隔、#1主变间隔、#2主变间隔以及母线间隔。根据报文订阅关系以及报文大小，分别对GOOSE、SV进行报文量的计算。
2.3过程层网络报文的特性
通过对报文订阅关系图和过程层网络报文潮流分布图的分析研究，下面对报文的一些特性做出总结：
2.3.1单向与双向报文并存
在智能变电站过程层网络中，间隔层和过程层之间的数据交互，以及间隔层间的信息传递，单向与双向报文同时存在。可以看出，单向报文如MU向订阅终端单向发送SV报文，双向报文如GOOSE心跳报文既有智能终端单向发送开关状态量至保测装置，也有开关状态变化触发保护跳闸的GOOSE反馈。
2.3.2 SV流量大而GOOSE流量小
在所有间隔中，SV报文流量远远大于GOOSE报文流量，即使在极端情况下，GOOSE报文流量也远低于SV。
2.3.3报文上行多而下行少
智能变电站通用的三层两网结构中，过程层网络包括过程层和间隔层，过程层到间隔层的上行报文较多，主要为合并单元到保护、测控等装置的采样值报文SV，以及智能终端到保护、测控等装置的开关状态量GOOSE报文；间隔层至过程层的下行报文较少，主要为保护到智能终端的跳闸信号、闭锁信号以及测控到智能终端的控制命令等GOOSE。
三、过程层网络通信配置的缺陷
3.1单、双向报文通信配置未加以区分
单向报文主要为合并单元向保护、测控等装置发送的SV报文，其发送报文流量量大，周期性强，双向报文为继电保护动作跳闸、闭锁、状态开关量反馈等GOOSE报文，实时性与可靠性要求较单向报文更高，且有动作信号关联（如开关状态量的不同触发闭锁等）。而现有变电站通信中，对单向报文与双向报文不加区分，未能充分利用单向报文周期性强、双向报文实时性可靠性要求高及动作关联的特点，不利于网络性能进一步利用与开发。
3.2上、下行报文通信配置未加以区分
过程层网络中，上行报文量（过程层——>间隔层）远远大于下行报文量（间隔层——>过程层），而现有通信配置未考虑此特点，主要有两方面的问题：1）上行流量与下行流量在同一条链路中进行传输，增加了包碰撞的几率，即使在采取了全双工的通信交换模式中，上行模式与下行模式的链路负载分配未加区分，网络性能受制约；2）上下行报文流量对装置的要求不同。上行流量影响过程层装置发送端和间隔层接收端，下行流量影响间隔层发送端和过程层接收端，两者对交换机的影响对等，若能根据不同影响为设备选型以及网络设计提供依据，对提升网络性能有重大意义。
3.3 SV、GOOSE报文通信配置未根据发送机制加以区分
SV报文为周期性报文，发送间隔固定，GOOSE报文为突发性报文，但遵循心跳发送机制。目前变电站通信采用GOOSE、SV分开组网，即物理隔离的方式传输报文，但会带来增加投资、浪费带宽等问题。若能根据GOOSE、SV报文发送规律的特点，提取发送周期、报文类型、流量变化率等特征量，则可以此为依据整定通信配置，对网络性能提升、报文共网传输等智能变电站工程实践大有裨益。
3.4链路负载不均衡，浪费大量带宽
根据智能变电站报文特征分析可知，报文流量是不对称的，交换机每一个端口与一个实体物理设备相连，每条链路的负载差异性很大，如一条GOOSE流量正常状态下约为1600b/s，跳变状态下为1.2Mb/s而保护采样值SV链路流量约为6.0Mb/s，而智能变电站组网采用独立组网，即SV/GOOSE/MMS/对时报文分别组网，并且各条链路传输的报文差异性大，链路负载不均衡，大量带宽被浪费。如何合理利用剩余的带宽，提高链路利用率，平衡各链路的负载，是智能变电站通信网络设计改进的方向。
四、基于报文特性的过程层网络通信配置优化
针对以上智能变电站过程层网络通信问题，结合智能变电站通信报文特有特性，对过程层网络通信配置提出新的配置方法。
4.1上、下行报文链路的带宽不同分配
上行、下行报文通信链路独立，交换机端口应使用全双工的工作模式，二者相互独立，互不干扰，减少包碰撞、包丢失的几率，如图1所示，交换机端口S11-S14均为全双工交换模式，交换机与IED之间的链路也是全双工模式，上行与下行链路分开，各自独立。同时，由于上行流量大于下行流量，可适当按流量比例为二者分配上行和下行带宽，使链路带宽得到合理的利用，既不紧张也不浪费。
图1 上、下行报文链路分开图
4.2 SV、GOOSE报文通信链路分别配置
在研究两种报文不同的发送机制的基础上，进行“量体裁衣”的通信匹配，是十分必要的。根据SV报文周期性强、流量大的特点，为其设计满足其流量裕度的固定带宽，并保证交换速率；根据GOOSE报文突发性、
绘图等多种功能。图纸主要是将设计和绘图进行设定和进行相关的编辑。设计模块在图纸管理领域的作用主要是对材料表和子系统进行管理和生成。此环节有利于设计图纸和设备的数字化，让此环节实现自动化。在设计布置环节此技术也可以实现设计对象和电气功能数字化。为了实现此模块的自动化，为了提升绘图的质量和效率需要对电气符号进行规范。在设计模块可以用图标驱动的方式实现绘图及数据编辑。最终可以生成有效目标图，进而帮助设计过程顺利实现。
3.2计算生成模块原型实现
计算生成模块主要由电压降和电力负荷计算书两个模块组成。在电压降计算书生成模块，可以将有关电流、截面进行有效预算，对短路温升和电压降进行有效校验，在此模块中每一个步骤都可以看成是一个环节，短路温升之外的其他步骤都是最后结果的条件步骤。
3.3知识管理模块和辅助模块原型实现
知识管理模块其实就是知识学习模块，如果要实现此模块的知识学习可以有录入学习和资料学习两种方法。知识管理模块可以通过程序分析的方式对程序展开自动研究学习，学习有关格式规则，既可以开阔眼界，又可以修正知识。辅助模块主要是利用数据交换和电气符号进行相关的图纸和图框的编辑。在于数据交换板块，辅助性模块可以将数据嵌入相关的数据库中，最终这些数据会以表格的形式出现，并将表格保存在系统数据库中。参照相关的GB和CB建立起符号库。辅助性模块可以根据设计者的需求进行自选备用。
结语
船舶电气智能设计系统已经在一些船只设计当中有所应用，对设计办法的指引，同时实现了对设计结果的自动校检，参数绘图等功能之上都有比较优越的表现，在科技不断向前发展的情况下，计算机技术持续获得进步，船舶电气智能化的设计将会得到更大的发展，开始逐步进入真正的智能化解读那，设计的成本与周期都会相应地减少。
参考文献
[1]李铭志, 蒋如宏, 柳存根. 船舶电气智能设计系统[C]. cad/cam学术交流会议. 2011.
[2]赵亮，张铭.船舶电气智能设计数字化信息模型分析[J].科技创新导报,2015(09).
作者简介
徐文豪，男，1983年4月，浙江嘉兴人，工程师，嘉兴市金航船舶设计有限公司，浙江省嘉兴市，从事船舶电气设计工作，单位邮编：314001。
论文作者:杜曼丽,岳玲
论文发表刊物:《基层建设》2017年第26期
论文发表时间:2017/12/19
标签：报文论文; 过程论文; 变电站论文; 间隔论文; 智能论文; 网络论文; 流量论文; 《基层建设》2017年第26期论文;