（中国电力科学研究院 江苏南京 210000）
摘要：近几年，随着智能变电站试点工作的逐步展开，国家电网公司组织完成了智能变电站一体化监控系统建设技术规范和功能规范等标准的制定，并在智能变电站试点工程实践中逐步实现了全站信息统一建模和全站信息网络采样。而网络跳闸技术尚在讨论之中，在不同的过程层组网方式的影响下，网络中数据因组网方式而造成的延迟成为重点需要研究的问题。
关键字：组网分析组网方式GOOSE
一、存在问题
在智能变电站试点工程实践中逐步实现了全站信息统一建模和全站信息网络采样。而网络跳闸技术尚在讨论之中，无法落地实施。
在不同的过程层组网方式的影响下，网络中数据因组网方式而造成的延迟成为重点需要研究的问题。针对智能变电站中GOOSE网络可能出现的问题进行可靠性分析，可以为实现网采网跳提出可行性组网解决方案，进而提出提高其可靠性的措施。
二、组网分析
数据信息组网实时通信是实现变电站自动化系统智能智能化的关键技术。光纤通信技术、交换式以太网、以及虚拟局域网(VLAN)等网络通信技术不断深入研究带动了组网技术的不断发展，从而对交换机提出更高的要求和功能指标。同时引发智能变电站组网安全可靠性的进一步研究，智能变电站网络结构的研究可带动智能变电站逐步向集成网络化等方向快速发展。智能变电站中采用GOOSE网络保护系统的可靠性主要与网络结构、冗余方式等有关。
2.1网络拓扑
过程层组网网络拓扑与间隔层网络拓扑结构相同，可分为星形网络、环形网络、总线形网络３种主要方式。总线形网络可靠性最低，网络延迟大，造价最低；星形网络可靠性较低，网络延迟最小，造价适中；环形网络可靠性较高，网络延迟较大，但造价也最高【1】。从以前国内数字化变电站工程的建设情况来看，大多数变电站在组网时选择了星形结构，以实现性能和造价的最优化[2]。目前在高电压等级的变电站中，也多采用星形网络[3]。
2.2 SV和GOOSE共网延迟
采样数据的网络传输延时可以定义为一帧采样报文从合并单元到保护测控等接收设备的网络传输时间，具体又包含四个环节：线路传输延时TWL、存储转发延时TSF、交换机固有延时TSL、报文队列延时TQL。
SV与GOOSE共网的情况下，线路延时、交换机存储转发延时和交换机固有延时都是不变的，和SV单独组网模式下相同，唯一的不同在于由于GOOSE报文的加入，使得排队延时变得更加难以确定，因为同一交换机端口存在的报文转发数量增加了。
由于GOOSE报文配置较为灵活，且具体包含的数据属性可根据需求进行灵活扩充，因此GOOSE报文的长度是灵活多变的，在此为计算方便，取一GOOSE报文长度为284byte，则在GOOSE与SV共网的模式下，排队延时就会增加。
以多级交换网络为例（交换机8个网络口都是智能操作终端）：
TQL（worst）= 8*(284*8)/（100*1024*1024）*106+ 7*(126*8)/ （100*1024*1024）*106+ 7*(126*8)/（100*1024*1024）*106 = 21.67*8+9.61*7+9.61*7=173.36+67.27+67.27=307.9us
TTOTAL（worst）= TWL + TSF + TSL + TQL (worst)=10+20.16+14+307.9 = 352.06us
上述计算是基于在两级网络的架构下，在图下方第一级交换机中，SV排队延时是由于其它端口SV报文，而在第二级交换机，排队延时则是由SV报文和GOOSE报文共同组成。若是稳态，即长时间没有事件触发，其排队延时为：
TQL=2.95+ (3.84*8+0.0002168*8)/100*9.61 = 2.95 + （30.72+0.0017334）/100*9.61 =2.95+2.95=5.9us
t = 6.26-5.9 = 0.36us
由上述计算可知，在事件频繁发送和无事件发生的情况下，8包248字节的GOOSE报文所产生的排队延时差别仅为0.36us，可以忽略不计。
由此可以计算出，网络传输平均延时为：
TTOTAL= TWL + TSF + TSL + TQL =10+20.16+14+5.9= 50.06us
三、几种过程层组网方式
3.1 SV采样和GOOSE直连
此种方式的实现和传统变电站的电缆连接方式极为类似，区别就是当前的直连（也称点对点）全部更换成光纤连接[4]。即SV点对点和跳闸点对点类似设备直连，不经过网络交换机的方式。上述方案虽然能够保证数据传输的可靠性，但是采样值数据无法实现共享，直连需要IED设备同时提供多个网络电口或者光口，增加了设备的成本，同时设备发热量大，光缆用量也较大。若合并单元或者智能操作箱彻底下方到一次设备，此组网方式还可采用，但若集中配置，如典型的组屏配置，该方案就不适合，无形中增加了光纤的连接数量。目前该方式在实际工程中还没有相应的工程经验。
3.2SV组网和GOOSE直连
此种方式主要出现在早期数字化变电站建设的阶段，由于GOOSE网络跳闸的性能及可靠性还未得到广泛推广，初期数字化的实现就着重于电子式互感器的应用，因而多关注于采样数据网络的构建。在当前智能变电站的建设阶段，此类方案多会应用于传统变电站的升级改造[5]。
3.3混合组网方式
混合组网方式是结合上述几种方式，根据实际工程的运用，灵活调整组网方式的一种方案，在此介绍一种保护采样和跳闸点对点，其余通过组网方式实现。其组网方式如下：
此类方式主要是考虑到保护装置安全可靠性的要求，尽量避免因为网络故障而导致保护功能失效的问题。此种组网方式在国家电网公司《智能变电站继电保护规范》中也明确了此类方式，但此类方式对过程层和间隔层设备仍然提出了较高的要求，合并单元、智能操作箱等都需要增加多个光纤接口以满足直连和组网的需求，目前设备光口至少需要8个，母线保护、备自投保护等跨间隔的设备需要的光口就更多。
总体看来，混合式组网方式即满足了国家电网公司相关标准和规范的需求，同时也在提高保护安全性和可靠性的基础上满足全站信息数字化、标准化和网络化的要求，将成为今后智能变电站建设的主要组网方式。
四过程层GOOSE可靠性分析
GOOSE快速报文很重要的应用就是继电保护装置跳闸。但是GOOSE机制的快速性能否达到标准中规定的4ms要求，网络对GOOSE报文速度影响如何，这些都需要进行严格的测试加以验证。针对项目中某500kV变电站的具体情况，进行了GOOSE通信性能的测试。
五总结
基于IEC61850标准的过程层总线技术是当前国内外研究的热点，我国智能变电站工程建设中所采用网络技术即是其典型的工程应用。由于该技术目前仍然缺乏深入的研究，在具体工程应用中暴露出网络传输延时、报文丢失，网络运行不稳定等一系列问题，使得网络跳闸的工程应用受到限制，这在一定程度上阻碍了过程层网络跳闸技术的发展和推广应用。但是只要解决了组网可靠性的问题，其应用前景将非常广阔。
参考文献：
[1]国家电网公司.Q/GDW441,智能变电站继电保护规范[S].国家电网公司，北京，2010.
[2]国家电网公司.智能变电站试点工程技术总结报告[R],北京，2011.
[3]樊陈，倪益民，窦仁晖，沈健，高春雷，黄国方.智能变电站过程层组网方案分析[J]，电力系统自动化，2011,35（18）：67-71.
论文作者:徐歆
论文发表刊物:《电力设备》2016年第5期
论文发表时间:2016/6/17
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