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摘要：IEC61850标准提出智能变电站的网络化设计，本文针对单一网络可靠性较差的问题，分析和研究了通过增加网络冗余度提高系统可靠性的方案。介绍了基于以太网技术的总线型、环型以及星型网络拓扑结构，分析比较这些网络的特点及应用，结合智能变电站系统网络化的总线型架构体系，研究了站控层网络和过程层网络的三种冗余方案以及实现方式。
关键词：IEC 61850；智能变电站；冗余网络；总线型网络；环型网络；星型网络
0 引言
智能变电站是由智能化一次设备（电子互感器、智能断路器等）和网络化二次设备构建的，建立在IEC61850标准基础上，能够实现变电站内智能电气设备之间信息共享和互操作的现代化变电站[1]。根据IEC61850标准的定义，智能变电站可以划分为三层，分别为变电站层、间隔层和过程层，通过采用智能化一次设备，利用以太网技术和光缆组成网络通信系统，代替电缆的模拟量通信模式，实现二次设备的网络化[2]。
IEC61850标准提出了利用总线方式实现变电站中各种信号的传输，分为了站控总线和过程总线。站控总线实现了站控层和间隔层设备的数字通信服务，过程总线也改变了间隔层的保护、控制装置和过程层的智能化一次设备之间的通信连接，由传统的点对点连接通信，转变成基于和站控总线相同的服务[3]。
本文基于网络通信技术，介绍了以太网拓扑结构的三种基本模型，即总线型拓扑结构、环型拓扑结构和星型拓扑结构，通过分析IEC61850标准定义的智能变电站总线型架构体系，结合以太网技术在智能变电站中的应用，研究了利用三种网络拓扑结构构建冗余网络，提高智能变电站系统可靠性的方案。
1 网络拓扑结构
随着计算机技术和网络技术的发展，以太网在电力领域得到了越来越多的应用，以太网具有速度较快、带宽较宽、结构简单、设备标准统一的特点，能够与后台监控机、工作站等进行无障碍通信，实现网络中各个节点之间的访问。IEC61850标准提出了利用以太网实现其三层结构布局的方案，嵌入式以太网技术的出现，使得单片机系统上也能够实现以太网技术，这就为变电站自动化系统的通信提供了新的方式，也为智能变电站系统网络化提供了可靠的技术支持。
以太网的网络拓扑结构主要有三种，即总线型、环型和星型，这三种形式的网络都以交换机为节点，通过节点之间的数据通信实现信息交互，如图1所示。
图1 网络拓扑结构
在总线型拓扑结构中，每个节点通过光缆直接连接到相邻的节点上，可以看成一个没有闭合的环形拓扑结构，数据可以逐一地传输给网络中的所有节点，这种结构布线简单，扩充方便，节点介入灵活，但冗余度差，如果数据对延时敏感，则必须考虑最长的延时。
在环型拓扑结构中，各个节点交换机通过光缆连接成一个闭环，数据能够从一个节点出发逐一到达网络中的其他节点，这种结构的特点是每一个节点与两个相邻节点连接，点对点实现通信，对任一节点的故障都能够提供一定程度的冗余，而且数据在环形网络中是单方向流动的，两个节点之间仅有一条通路，简化了路径的选择，但由于数据流是在环路中串行地流过各个节点，当环中节点过多时，会影响数据的传输速率，使网络的响应时间延长，而且环路是封闭的，不便于扩充。
在星型拓扑结构中，节点被逻辑地排列成一个星形，通过点对点的方式连接到一个中心节点，数据通过这个中心节点发送到目的节点，这种结构不会因为某一分节点的故障导致通信的瘫痪，网络延迟时间较小，传输误差较低，但对中心节点的可靠性要求极高，由于没有冗余度，若中心节点发生故障，整个网络就会瘫痪。
以上三种网络结构的比较如表1所示。
表1 网络结构比较
2 IEC 61850的智能变电站方案
传统的电磁互感器输出模拟信号，这些信号要经过采样保持、多路转换、A/D变换等转换成数字信号，供测控装置、计量装置、保护装置等使用。智能化设备与传统设备相比，智能化设备可以输出数字信号，直接为二次设备使用，其应用直接改变了过程层一次设备和间隔层二次设备之间的通信方式，实现了二次回路的网络化，使得二次系统技术与一次系统技术融合。
根据IEC61850标准的描述，智能变电站通信体系分为三层：变电站层、间隔层和过程层，这三个层次仍然包括一次设备和二次设备两个层级。变电站层包括自动化站级监视控制系统、通信系统、对时系统等，实现对变电站的全面监视、控制、告警及信息交互等。间隔层包括继电保护装置、测控装置、监控装置等二次设备，这些设备实现与远方输入\输出、传感器和控制器等的数据通信，在变电站层失效的情况下，仍能独立完成间隔层设备的就地监控功能。过程层由电子式互感器、合并单元MU（Merging Unit）、智能终端和单独的智能电子装置IED（Intelligent Electronic Device）等构成，完成与一次设备相关的功能，包括实时运行电气量采集、设备运行状态的监控、操作控制执行等[6-10]。
在IEC 61850标准的定义中，智能变电站各层之间的通信系统通过总线方式实现，变电站层和间隔层之间有站控总线，间隔层与过程层之间有过程总线[1]，如图2所示。
图2 总线方式
3 智能变电站的冗余网络设计方案
IEC61850提出的总线方案极大地简化了变电站二次系统结构，尤其是过程层和间隔层之间的连接方式，由点对点的电缆连接变成了基于以太网技术的光纤网络，但由于总线型网络的冗余度较差，不能满足系统的可靠性要求。
变电站网络拓扑不仅可以选择总线型，还可以选择星型或环型，由表1可以看出，总线型结构在成本上最低，但可靠性也最低，单一的总线型网络不能满足系统的可靠性要求。环型结构的可靠性和冗余度较好，但成本较高，投资较大。星型结构的可靠性和成本居中，但没有冗余度，降低了系统可靠性。因此，为了提高智能变电站二次系统网络的可靠性，必须根据实际情况选择合适的网络拓扑结构，同时需要增加冗余度来提高系统可靠性。
3.1 基于总线型结构的冗余网络
在网络方面，总线型结构的智能变电站中，变电站层和间隔层、间隔层和过程层之间都只有一条总线，任一节点的故障都会影响到相应设备的信号传输，导致与此节点有关的设备失去有效的监控和保护。为解决这一问题，可以分别增加一条站控总线和过程总线来实现双总线网络结构，这种结构的网络可以保证任一总线上的节点发生故障时，仍然可以利用另一条总线的相应节点完成信号传输，保证了系统的可靠性[8]。
在设备方面，要提高过程总线和站控总线的冗余性，实现双总线拓扑结构，非常规互感器等一次设备和保护测控等二次设备必须提供不少于二组的输入\输出，例如非常规互感器利用合并单元输出电流和电压的数字信号到间隔层的保护测控装置，因此，非常规互感器可以将信号接入两组不同的合并单元，再分别接到两条过程总线，从而实现过程总线的双总线模式。保护装置等间隔层设备可以采用具有双接口的IED分别接入到两条过程总线和站控总线[9-10]。总线型冗余网络如图3所示。
图3 总线型冗余网络
总线型冗余网络为每个间隔设置了两条不同的信息通路，保证了信号的传输安全，解决了单一总线型网络冗余度差和可靠性差的问题，在成本投资上也较小。不足之处在于数据的延时性较大，例如连接在交换机n上的设备要传送数据到交换机1上，数据必须承受交换机n-1到交换机2的传输延时。
3.2 基于环型结构的冗余网络
环形结构与总线结构很类似，利用光纤通道将两端的交换机连接起来，形成一个封闭的环，数据可以在环中流动。某一节点发生故障时，数据可以选择另外一条路径到达目的节点，因此，这种结构能提供一定程度的冗余度，避免数据传输的中断。但相对于电力系统的高可靠性要求，单一的环型网络还不能满足这一要求，采用双环型的冗余结构能够提供高可靠性的系统要求。环型冗余网络如图4所示。
图4 环型冗余网络
双环型的网络结构具有高冗余度，能够提供可靠的系统要求。
3.3 基于星型结构的冗余网络
在总线型和环型结构中，每一节点的交换机都必须是管理交换机，这种结构增加了设备的复杂性，数据在网络中传输时，要经过前面连接的所有节点，导致系统的等待时间过长。星型结构以中央节点作为管理交换机，其他节点都连接到这个节点上，既简化了设备的复杂性，也使得数据在网络中传输时经过最少的节点，系统等待时间最少，因此，智能变电站采用星型网络结构具有一定的优势，但星型结构没有冗余度，不满足电力系统的可靠性要求，所以必须采用冗余结构来提高其可靠性要求，以间隔层和变电站层的星型冗余网络为例，如图5所示。
图5 星型冗余网络
图中间隔层的任一IED要传输信息到变电站层的工作站，只需要经过两个节点交换机，间隔层内IED之间的通信也只需要经过三个交换机的路径，所以星型结构在数据传输上延时最小。
4 结语
IEC61850标准的颁布实施，为实现智能变电站提供了技术规范，随着以太网技术的飞速发展，各种网络结构的出现，也为智能变电站系统网络化的实现提供了多种技术选择。本文分析了总线型、环型以及星型网络拓扑结构的实现方式，依据IEC61850标准的总线型架构体系，设计了智能变电站的冗余网络，提高了系统的可靠性。除了总线型冗余网络、环型冗余网络以及星型冗余网络外，还出现了混合型网络结构，如环型与星型并存的冗余网络，并且随着局域网技术的发展，冗余网络的结构还可以进一步优化，因此，混合型网络以及基于局域网技术的优化型网络将是本文下一步研究的重点。
参考文献:
[1] IEC61850 communication networks and system in substations part 6：configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs[S]. 2006.
[2] 段斌，陈国旗，林媛源. 基于过程总线通信实现数字化变电站的在线闭锁[J]. 电网技术，2009，33（19）：37-43.
[3] 张沛超，高翔. 数字化变电站系统结构[J]. 电网技术，2006，33（19）：37-43.
论文作者:朱伯通
论文发表刊物:《电力设备》2019年第1期
论文发表时间:2019/6/21
标签：冗余论文; 变电站论文; 网络论文; 节点论文; 结构论文; 总线论文; 拓扑论文; 《电力设备》2019年第1期论文;