智能变电站网络结构：实用技术问答

第二节　智能变电站网络结构

1.智能变电站的网络结构及基本构成有哪些?

答:智能变电站自动化系统的结构在物理上可分为两类，即智能化的一次设备和网络化的二次设备。在逻辑结构上分为三个层次，根据IEC 61850通信协议草案定义，这三个层次分别称为“过程层”、“间隔层”、“站控层”(图3－1)。各层次内部及层次之间采用高速网络通信。

图3－1　智能变电站系统结构示意图

2.何为变电站层?

答:主要包括变电站监控系统、远动系统、继电保护故障信息系统等，其作用是完成对本站内间隔层设备及一次设备的控制，并完成与远方控制中心、工程师站及人机界面的通信功能。

3.变电站层的主要任务是什么?

答:①通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息，不断刷新实时数据库，按时登录历史数据库;②按既定协约将有关数据信息送往调度或控制中心;③接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行;④具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能;⑤具有(或备有)站内当地监控、人机联系功能，如显示、操作、打印、报警，甚至图像、声音等多媒体功能;⑥具有对间隔层、过程层诸设备的在线维护、在线组态在线修改参数的功能;⑦具有(或备有)变电站故障自动分析和操作培训功能。

4.何为间隔层?

答:间隔层主要包括变电站的保护、测控、计量等二次设备，主要任务是利用本间隔的数据完成对本间隔设备的监测和保护判断。

5.间隔层设备的主要功能是什么?

答:①汇总本间隔过程层实时数据信息;②实施对一次设备保护控制功能;③实施本间隔操作闭锁功能;④实施操作同期及其他控制功能;⑤对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制;⑥承上启下的通信功能，即同时高速完成与过程层及站控层的网络通信功能。必要时，上下网络接口具备双口全双工方式以提高信息通道的冗余度，保证网络通信的可靠性

6.何为过程层?

答:过程层是一次设备与二次设备的结合面，主要由电子式互感器、合并单元、智能单元等自动化设备构成，主要完成与一次设备相关的功能，如开关量、模拟量的采集以及控制命令的执行等。过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是指智能化电气设备的智能化部分。

7.过程层的主要功能有哪些?

答:(1)电力运行的实时电气量检测与传统的功能一样，主要是电流、电压、相位以及谐波分量的检测，其他电气量如有功、无功，电能量可通过间隔层的设备运算得出。与常规方式相比所不同的是传统的电磁式电流互感器、电压互感器被光电电流互感器、光电电压互感器取代;采集传统模拟量被直接采集数字量所取代，这样做的突出优点是抗干扰性能强，绝缘和抗饱和特性好，开关装置实现了小型化、紧凑化。

(2)运行设备状态参数在线检测与统计。变电站需要进行状态参数检测的设备主要有变压器、断路器开关、刀闸、母线、电容器、电抗器以及直流电源系统。在线检测的内容主要有温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等数据。

(3)操作控制的执行与驱动。操作控制的执行与驱动包括变压器分接头调节控制，电容、电抗器投切控制，断路器刀闸合分控制，直流电源充放电控制。过程层的控制执行与驱动大部分是被动的，即按上层控制指令而动作，比如接到间隔层保护装置的跳闸指令、电压无功控制的投切命令、对断路开关的遥控开合命令等。在执行控制命令时具有智能性，能判别命令的真伪及其合理性，还能对即将进行的动作精度进行控制，能使断路器定相合闸，选相分闸，在选定的相角下实现断路器的关合和开断，要求操作时间限制在规定的参数内。又例如对真空开关的同步操作要求能做到开关触头在零电压时关合，在零电流时分断，等等。

智能变电站里最为重要的是过程层网络的出现，没有过程层网络就不可能实现智能变电站的高级应用。

8.变电站通信网络和系统的主要内容是什么?

答:变电站通信网络和系统是新一代的变电站网络通信体系，适用于智能变电站自动化系统的分层结构。根据电力系统生产的特点，制定了满足实时信息传输要求的服务模型;采用抽象通信服务接口、特殊通信服务映射，以适应网络发展;采用面向对象建模技术，面向设备建模和自我描述，以适应功能扩展，满足应用开放互操作要求;采用配置语言，配备配置工具，在信息源定义数据和数据属性;定义和传输元数据，扩充数据和设备管理功能，传输采样测量值等。还包括变电站通信网络和系统总体要求、系统和工程管理、一致性测试等内容。

9.变电站通常采用什么样的网络通信结构?

答:智能变电站的网络通信结构设计需要充分考虑到网络的实时性、可靠性、经济性与可扩展性。网络的通信结构设计应具有网络风暴抑制功能，支持变电站内设备的灵活配置，减少交换机数量，简化网络的拓扑结构，降低变电站的建造和运行成本。另外，在智能变电站的设计中，还应对网络内的信息流量进行计算和控制，设立最大节点数和最大信息流量，并必须保持系统冗余。

10.智能变电站自动化系统通常采用的网络结构有哪些?

答:有总线型、环型或星型等，也可以将不同的网络结构进行混合，实现网络冗余，保证网络的可靠性。在智能变电站的网络系统中，站控层网络可采用总线型、星型或环型网络结构，而过程层网络可采用双星型及环型结构。随着智能变电站网络系统的发展，还可以将站控层和过程层的网络合二为一，采用单一总线结构。

11.变电站信息传输中，GOOSE和SV的含义是什么?

答:GOOSE(Genetic Obiect－Oriented Substation Event)是一种面向通用对象的变电站事件。主要用于实现在多个智能电子设备(IED)之间的信息传递，包括传输跳合闸、联闭锁等多种信号(命令)，具有高传输成功概率。SV(Sampled Value)即采样值，它基于发布/订阅机制，交换采样数据集中的采样值的相关模型对象和服务，以及这些模型对象和服务到ISO/IEC 8802－3帧之间的映射。在智能变电站应用中，GOOSE可以简单理解为用于实现开入开出功能。SV可以简单理解为用于实现采样功能。(www.xing528.com)

12.智能变电站自动化系统构成是什么?

答:智能变电站自动化系统可以划分为站控层、间隔层和过程层三层。

(1)站控层包含自动化站级监视控制系统、站域控制、通信系统、对时系统等子系统，实现面向全站设备的监视、控制、告警及信息交互功能，完成数据采集和监视控制(SCADA)、操作闭锁以及同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等相关功能。

(2)间隔层设备一般指继电保护装置、系统测控装置、监测功能组的主智能电子设备(IED)等二次设备，实现使用一个间隔的数据并且作用于该间隔一次设备的功能，即与各种远方输入/输出、传感器和控制器通信。

(3)过程层包括变压器、断路器、隔离开关、电流/电压互感器等一次设备及其所属的智能组件以及独立的智能电子设备。

13.什么是虚端子?

答:对于常规变电站，保护测控装置的采样值输入、开关量、跳合闸出口等都一一对应于具体的端子，通过端子之间的电缆连接实现保护装置采样，出口，以及保护装置之间的配合等功能，不存在虚端子的概念。而对于智能变电站，保护测控装置的采样值输入、开关量、跳合闸出口等基于SV和GOOSE实现。GOOSE、SV输入输出信号作为过程层传递的数字量信号，与传统屏柜的端子存在着对应的关系，但是为了便于形象地理解和应用GOOSE、SV信号，将这些信号的逻辑连接点称为虚端子。

14.GOOSE网络的配置原则是什么?

答:220 kV宜配置双套物理独立的单网，110 kV宜配置双网;主变220 kV侧宜配置双套物理独立的单网，主变110 kV 、35 kV侧宜配置双网;35 kV及以下若采用户内开关柜保护测控下放布置时，宜不设置独立的GOOSE网络。

110 kV 、主变各侧宜配置双网;35 kV及以下若采用户内开关柜保护测控下放布置时，宜不设置独立的GOOSE网络，若采用户外敞开式配电装置保护测控集中布置时，可设置独立的GOOSE网络。

15.变电站全景数据统一信息平台的作用是什么?

答:全景数据是反映变电站电力系统运行的稳态、暂态、动态数据以及设备运行状态、图像等数据的集合。全景数据统一信息平台的作用:

(1)全景数据统一信息平台能够解决传统变电站存在的应用系统众多、信息孤岛林立等问题。全景数据统一信息平台可以统一和简化变电站的数据源，形成基于同一断面的唯一性、一致性基础信息，以统一标准的方式实现变电站内外的信息交互和信息共享，形成纵向贯通、横向导通的电网信息支撑平台。

(2)全景数据统一信息平台可以为智能化高级应用提供统一的基础数据。根据全景数据的统一建模原则，实现各种数据的品质处理技术及数据接口访问规范，形成满足智能变电站高实时性、高可靠性、高自适应性、高安全性需求的变电站信息库，作为站内的各种高级应用功能的基础，同时为智能变电站一体化监控互动系统提供基本的测量数据。

(3)全景数据统一信息平台可以实现变电站监控系统与配电自动化系统的无缝连接，满足大用户的互动要求和变电站的最优协调控制，并实现对微电网、分布式发电的支持。

16.过程层网络的配置原则是什么?

答:(1)过程层SV网络、过程层GOOSE网络、站控层网络应完全独立配置。

(2)过程层SV网络、过程层GOOSE网络宜按电压等级分别组网。变压器保护接入不同电压等级的过程层GOOSE网时，应采用相互独立的数据接口控制器。

(3)继电保护装置采用双重化配置时，对应的过程层网络亦应双重化配置，第一套保护接入A网，第二套保护接入B网;110 kV过程层网络宜按双网配置。

(4)任两台智能电子设备之间的数据传输路由不应超过4个交换机。

(5)根据间隔数量合理配置过程层交换机，3/2接线形式，交换机宜按串设置。每台交换机的光纤接入数量不宜超过16对，并配备适量的备用端口。

17.对网络可靠性的要求是什么?

答:保护信息处理系统应满足二次系统安全防护要求。

18.对网络时延的要求是什么?

答:传输各种帧长数据时交换机固有时延应小于10 μs。