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摘要：介绍了数字化变电站监控系统及网络通信技术，分析了站控层、过程层通信网络的结构类型和组网方式，为后续数字化变电站监控系统通信网络方案的设计与选择提供参考。
关键词：数字化变电站；监控系统；通信技术；网络构架
0引言
通信、计算机和自动控制等技术的进步，促进了智能电网的建设和全球能源互联的发展。数字化变电站作为智能电网的基础单元，担负着电压转换、功率输送和新能源接入的重任。经过近10年的发展，我国数字化变电站取得了重大突破，但在通信技术和网络配置方面仍存在诸多不足，尤其是不定期的网络“死数”、“通信中断”、“丢包”等通信故障的发生，使得数字化变电站监控系统运行可靠性急速降低，严重影响了电网的安全运行。随着智能电网建设的深入，对数字化变电站监控系统的要求越来越高。监控系统不仅要保障变电站的正常运行，还要满足变电站系统与外部系统的数字化信息交互需求。基于此，本文对数字化变电站监控系统通信方式和网络构架的优缺点进行分析和探讨，并提出适用于不同电压等级数字化变电站的监控系统通信网络推荐方案，为数字化变电站监控系统的通信网络设计和系统配置提供技术支持。
1数字化变电站监控系统介绍
随着智能电网的发展，需要变电站提供的实时数据和信息越来越多，对变电站无人值班、信息交互、数据共享等数字化和智能化的要求越来越高。数字化变电站监控系统是变电站实现数字化、信息化和智能化的重要技术手段，是变电站发展的趋势。与传统变电站监控系统相比，其功能、作用和地位发生了明显变化，最显著的特点是数据采集与传输过程的数字化、通信系统的网络化及监控信息与数据的共享化。数字化变电站监控系统按照系统构架和功能组成可分为站控层、间隔层、过程层和网络层。站控层由操作员站、五防系统、远动通信系统等组成，主要实现站内设备监控与接受调度管控；间隔层由测控、保护、测量、故障录波等设备组成，主要完成站内一、二次设备的自动化控制和电气量安全保护；过程层由电子式互感器、合并单元、智能终端和一次智能设备组成，主要实现数字化信息的采集与交互。通信网络分为站－间层网络与间－过层网络：站－间层网络由站控交换机与间隔层测控、保护装置等网络接口组成，主要实现整个变电站监控系统的生产信息和运行数据的实时传送；间－过层网络由过程层交换机与就地合并单元、智能终端设备组成，主要完成GOOSE和SV信号的传输。
2站控层通信网络结构分析
通信技术是数字化变电站监控系统的重要技术支撑，其通信构架和网络方式的合理性决定了监控系统数据采集和传输的实时性和可靠性，因而需要对数字化变电站通信技术进行分析，根据变电站的不同运行要求选择合适的通信方案。目前，数字化变电站通信系统的典型网络主要有星型、环型和总线型网络结构。
2．1星型网络
星型网络结构主要以交换机N为数据交换中心，交换机N与其它交换机进行直连，交换机1与交换机（N－1）之间相互独立运行并与间隔层对应的测控、保护装置进行通信。本文以过程层某合并单元发送的信息量64B，交换机端口传输速率100Mbit／s，交换机自身延时时间6μs为例，计算数字化变电站星型网络结构的最大延时。通信系统内部的信息传输时间TCS＝64B×8bit×（1／100Mbit／s）＝5．12μs。由于星型网络结构的数字化变电站一次设备运行数据从过程层传输至站控层，至少经过3个交换机，因此传输最大延时TYS＝（TCS＋TIn）×3＝（5．12＋6）×3＝33．36μs。星型网络结构的信息传输时间和传输延时相对固定，传输速率较快。星型网络结构的优点是系统构架简单、易扩展、接线较少和数据传输速率快等，除交换机N以外的任何交换机故障或异常均不会影响其它交换机和整个通信系统的运行，从系统构架上杜绝了网络风暴的传输风险；但缺点是安全可靠性不高，一旦交换机N故障就将导致整个通信系统瘫痪，影响整个变电站的正常运行。同时，星型网络结构需配置大量的交换机，会增加整个通信系统的成本。
2．2环型网络
环型网络结构是将交换机1～N组成封闭的环网，间隔层测控、保护装置可任意接入环网中的任一交换机，环网中的数据可沿着环网顺时针方向进行数据传输。若其中某台交换机节点故障或异常，网络系统便通过另一端口进行结构重组，形成两路传输通道，从而保证非故障交换机节点的可靠运行，因而具有较强的可靠性。通常环型网络的数字化变电站一次设备运行数据从过程层传输至站控层，至少经过5台以上交换机，因此数据传输最小延时TYS＝（TCS＋TIn）×5＝（5．12＋6）×5＝55．6μs。环型网络结构的优点是可靠性高、交换机数量少和布线简单等；但缺点是传输数据经过的交换机较多，导致延时较长、传输速率较慢，且网络结构较复杂，后续网络节点接入较困难，不易扩展。同时，环型网络结构对交换机的功能配置要求较高，环网内的所有交换机必须是管理性交换机，因而增加了通信系统网络设备的投资成本。
2．3总线型网络
总线型网络结构是数字化变电站中应用最多的通信方式，其原理较简单，所有运行交换机之间通过端口进行并连。图3中，交换机1～N通过端口互连，形成一条总线，并连后所有交换机可视为一台交换机。总线上的交换机按广播方式通信，任何一台交换机发出的信息，总线上的其它交换机均能接收。通常，总线型网络结构的数字化变电站一次设备运行数据从过程层传输至站控层，至少经过2台以上交换机，因此数据传输最小延时。总线型网络结构的优点是结构简单、布线方便、成本低、易维护；但缺点是冗余性差、信息安全能力薄弱，一旦总线上某个交换机节点故障，就将影响与之关联的通信区域。通常，总线型网络结构需要增加第2条总线，形成通信冗余网络，保证通信可靠性。
3间隔层网络通信技术分析
3．1间隔层
SV、GOOSE通信现状当前，我国35kV以上电压等级数字化变电站过程层通信组网方式分为两种：一种是GOOSE网与SV网独立网络配置；另一种是GOOSE网与SV混合组网。SV报文主要负责传输合并单元所采集的遥测信息，传输信息量较大，对通信传输的可靠性要求较高。GOOSE报文则负责完成测控、保护装置与智能终端之间的遥信、遥控信息的发送和接收，对通信传输速率和实时性的要求较高。数字化变电站中所有遥信、遥控及遥测信息均以SV、GOOSE报文形式进行传输。若间隔层网络配置或通信方式选择不当，则极易造成网络丢包或网络风暴现象发生，会对数字化变电站监控系统的安全运行造成极大影响。
3．2间隔层
SV、GOOSE混合组网方式间隔层SV、GOOSE混合组网的优点是组网方便、投资成本较低，但易受网络交换机吞吐率和传输延时的影响。通常220kV及以上电压等级数字化变电站过程层网络交换机的速率限值为100Mb／s，正常情况下GOOSE报文的传输速率小于4Mb／s，SV报文的传输速率小于8Mb／s，远远小于网络层交换机100Mb／s传输速率限制。然而，一旦间隔层交换机发生网络风暴，网络风暴就会占用交换机99Mb／s以上的传输速率。若GOOSE与SV混合组网，SV发生网络风暴则会造成GOOSE网丢包现象；同理，GOOSE网发生网络风暴不仅影响SV报文的传输速率，还会对间隔层测控、保护装置的控制与保护功能造成影响。另外，GOOSE、SV混合组网时交换机需传输的信息量大，且传输速率快，会导致间隔层主交换机发生过热现象，影响交换机的使用寿命和监控系统的安全性。
3．3间隔层
SV、GOOSE独立组网方式间隔层SV、GOOSE独立组网的目的是减少SV与GOOSE报文传输过程中的相互影响，保证间隔层数据传输的实时性和可靠性，但缺点是SV、GOOSE网需单独配置交换机和网络，使得投资成本较高、维护工作量大。由于SV网与GOOSE网相互独立，因此抗网络风暴的能力比混合组网方式强。当SV网或GOOSE网交换机发生网络风暴时，SV报文、GOOSE报文信息仍能正常传输，保障了间隔层网络信息传输的实时性与可靠性。
4结语
通过对数字化变电站站控层采用的星型、环型和总线型网络结构的优缺点分析，可看出总线型网络结构的可靠性差、信息安全能力不足及传输速率较慢，只适用于110kV及以下电压等级数字化变电站监控系统，而220kV及以上电压等级数字化变电站监控系统对站控层网络传输的实时性和传输速率要求较高，适宜采用双环网或双星型网络，同时网络风暴对间隔层通信网络的危害较大，在间隔层网络设计之初就应综合考虑数字化变电站的投资成本、传输速率及安全可靠性。基于35kV数字化变电站间隔层数据量较小、传输速率的要求不高，可采用SV、GOOSE混合组网方式，但对于110kV及以上电压等级数字化变电站间隔层网络则需单独设置SV网与GOOSE网，以降低网络风暴带来的危害，保证过程层SV、GOOSE报文信息传输速率和实时性。
参考文献
［1］高翔．数字化变电站应用技术［M］．北京：中国电力出版社，2008．
［2］黄天啸，刘平，辛光明，等．智能变电站过程层网络风暴的分析与处理［J］．中国电力，2014，47（11）：112－115.
作者:马恩宁 单位:云南电网有限责任公司大理供电局