基于220 kV智能變電站的網絡信息流分析及應用

霍 天，李林華，陳宇翔，韓婉嬌

(國網北京市電力公司檢修分公司，北京 100050)

0 引言

從2009 年國家電網公司提出建設堅強智能電網的發展目標，到目前繼電保護“九統一”的技術規范逐漸推廣，智能變電站逐漸成熟起來。智能變電站與常規變電站的最大區別是一次設備增加了大量的智能電子裝置，也就是常說的過程層設備[1]。而國內目前大部分關于智能變電站的文獻主要是分析過程層合并單元、智能終端、交換機之間的信息流，缺少對智能變電站整體網絡架構的梳理與分析。

針對北京市電力公司典型的220 kV 樞紐智能變電站的結構特點，從整體上對網絡結構進行分析，確定智能變電站從過程層、間隔層再到站控層的網絡結構，進一步分析各個間隔采樣值(sampled value，SV)+通用面向對象的變電站事件(generic object oriented substation event，GOOSE)網絡的信息流，并針對典型的故障情況展開應用，為生產現場運行人員進行故障定位及處缺提供參考。

1 信息流分析的原則

智能變電站過程層的合并單元與智能終端分別通過SV 和GOOSE 網絡信息流傳輸到過程層交換機，再通過過程層交換機上送到間隔層設備——測控裝置、保護裝置、網絡分析裝置等，間隔層交換機與站控層交換機通過制造報文規范(manufacturing message specification，MMS) 網絡進行傳輸，實現過程層設備狀態在監控后臺的實時顯示。因此首先需要分析MMS、SV、GOOSE網絡信息流的傳輸機制，掌握信息流告警的原因及影響，為典型故障分析奠定基礎。

1.1 MMS 信息流傳輸機制

MMS 信息流就是通過智能變電站的IEC 61850 規約進行傳輸信息。與傳統變電站不同，IEC 61850 規約作為國際通用的變電站自動化系統規約，它將繼電保護與自動化裝置的定義進行了約束，不再使用傳統變電站的保護管理機制進行規約轉換[2]。

1.2 SV 信息流傳輸機制

在過程層中合并單元采集到的數字電壓量和電流量通過光纖以SV 報文的形式進行傳輸，其中SV 傳輸機制為不間斷等間隔的發送，基本上每250 μs 發送一個SV 報文，報文中包含電壓和電流的瞬時值。如果接收端超時未接收到SV 報文，將會報“SV 斷鏈”告警信號[3]。圖1 為智能電子裝置(intelligent electronic device，IED)之間SV 報文傳輸機制。

圖1 SV 報文傳輸機制

1.3 GOOSE 信息流傳輸機制

GOOSE 主要傳輸斷路器/隔離開關位置、異常告警、閉鎖信號等。GOOSE 采用的是心跳報文和變位報文快速重發相結合的傳輸機制[4-5]，其報文傳輸機制如圖2 所示。T0為心跳時間，一般設為5 s，當GOOSE 數據發生變化，將快速以T1時間重發，T1時間一般為2 ms，經過2 ms、2 ms、4 ms、8 ms 發送5 幀數據，如果接收方仍未接收到GOOSE 報文，將會報“GOOSE 斷鏈”告警信號。

圖2 GOOSE 報文傳輸機制

2 整體網絡結構分析

對于智能變電站的網絡結構，首先需要介紹的是智能變電站的“三層兩網”，典型智能變電站的三層結構為站控層、間隔層和過程層，其中過程層的設備屬于相對于常規站新增加的設備，間隔層和站控層設備與常規站的設備大體相同，只不過常規站的間隔層向下為模擬量、向上為數字量，而智能變電站的間隔層均采用的是數字量傳輸。智能變電站的“兩網”指的是站控層網絡和過程層網絡。

智能變電站的“兩網”將“三層”設備連接起來，通過超五類屏蔽雙絞線、光纖、網絡交換機進行數據傳輸，其中站控層網絡設備包括站控層交換機和間隔層交換機。站控層交換機主要連接監控主機、數據網關機和綜合應用服務器等，站控層按照安全防護要求分為安全I 區、安全Ⅱ區、安全Ⅲ區和安全Ⅳ區。安全Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ區與I 區的網絡結構相同，因此只介紹安全I 區的網絡結構。安全I 區的網絡交換機即圖3(a)中所示的站控層I 區A/B 網交換機，一般設置在I 區數據通信網關機屏內。間隔層交換機連接間隔內保護、測控裝置，而站控層與間隔層的網絡交換機是通過MMS 傳輸機制進行數據傳輸。過程層網絡則通過過程層間隔交換機和中心交換機進行網絡信息傳輸，包括GOOSE 和SV 網絡，GOOSE 網絡用于間隔層和過程層設備之間的狀態和數據交換，SV 網絡用于間隔層和過程層設備間的采樣值傳輸。從圖3(a)、3(b)可以看出，站控層和間隔層網絡均采用雙重化星型以太網結構，過程層網絡則按照220 kV、110 kV 進行劃分，均采用星形網絡結構。

圖3 智能變電站整體網絡架構

從圖3 中可以看出站控層和間隔層網絡交換機均是A 網對A 網、B 網對B 網，但是間隔層網絡交換機采用交叉采集的方式進行連接，即間隔層A(B)網交換機能夠采集雙套保護裝置信息，單套測控裝置既連接到A 網間隔層交換機又連接到B 網間隔層交換機。根據電壓等級劃分，間隔層網絡交換機一般分為：220 kV 間隔層A/B 網交換機，放置在保護室220 kV 公共測控屏內；主變間隔層A/B 網交換機，放置在保護室公共測控屏內；110 kV 間隔層A/B 網交換機，放置在保護室110 kV 公共測控屏內；10 kV 間隔層A/B 網交換機，放置在10 kV 開關室網絡端子箱內。對于過程層網絡，兩套SV+GOOSE 網絡在物理上相互獨立，即A 網對應A 網、B 網對應B 網，不采取交叉互聯的方式，不配置單獨的主變過程層網絡，主變間隔的網絡根據電壓等級接入220 kV 和110 kV 過程層網絡。其中220 kV 各個間隔內設置過程層A/B 網交換機，放置在各間隔匯控柜內；主變高壓側和中壓側過程層交換機放置在保護室內的主變電量保護屏內；110 kV 間隔和10 kV 間隔不設置各間隔過程層交換機，各個間隔的網絡數據直接傳輸到110 kV 過程層中心交換機，設置在氣體絕緣金屬封閉開關設備(gas-insulated switchgear，GIS)室內的110 kV 母差保護屏內；同理220 kV 過程層中心交換機也作為GOOSE+SV 組網的核心設備，設置在GIS 室內的220 kV 母差保護屏內。

3 典型間隔信息流分析

現場異常和事故往往源于某一網絡交換機的網絡風暴或者光纖通道受損等原因，因此還需要對各個典型間隔的信息流傳輸進行分析，進一步確定各個線路、母聯、母線、主變等間隔的SV、GOOSE傳輸邏輯，這樣才能夠在實際中更加快速準確地處理異常。

因220 kV 及以上電壓等級的設備需要采取雙重化的保護配置，對應的過程層設備及網絡也需要雙重化配置。220 kV 過程層B 網信息流向與A 網大體相同，只是B 網交換機對應的是第二套合并單元、智能終端和保護裝置，因此只需分析過程層A 網的線路、母聯、主變間隔的信息流向。由于220 kV 測控裝置為單套配置，因此B 網的測控信號就傳輸到了220 kV 公共測控裝置內。

3.1 220 kV 線路間隔信息流傳輸分析

單間隔線路的保護采用“直采直跳”的方式，即合并單元采集到的電壓、電流SV 信息直接發送到該間隔線路保護裝置，線路保護裝置通過邏輯判斷將GOOSE 跳閘信息直接發送到智能終端。而線路間隔測控裝置采集的電壓、電流SV 信號需要通過線路過程層交換機進行組網傳輸，同理測控裝置的遙控GOOSE 信息也需要通過交換機傳輸到智能終端。針對通過過程層交換機傳輸的“網采網跳”方式，一般來說交換機的正常狀況起著關鍵作用。比如斷路器拒動造成單跳啟動失靈時，智能終端將拒動的GOOSE 信息通過保護裝置、間隔過程層交換機、中心交換機傳輸到母線保護，母線保護再通過邏輯判斷原路徑返回跳閘、遠跳、閉鎖重合閘信息，實現線路與母線的信息溝通。

信息流向圖可以非常清晰地看出各個裝置的鏈路關系以及信息走向。在運行維護期間如發生SV、GOOSE 異常等報文，可以快速地排查出異常源頭。

3.2 220 kV 母聯間隔信息流傳輸分析

220 kV 母聯間隔信息流與線路間隔相似，同樣在智能終端柜中設置了測控裝置、保護裝置、合并單元、智能終端、間隔交換機信息流傳輸設備，“網采網跳”的工作機制同樣也是以間隔交換機與中心交換機作為樞紐來完成。220 kV 樞紐站母聯一般均在合位，為了能快速隔離故障，在主變高后備(過流或零序)保護定值中一般設置I 段1 時限跳母聯，因此母聯信息流向中會通過交換機與主變保護裝置進行交互，具體傳輸邏輯為：主變保護I 高后備動作通過主變220 kV 過程層交換機將跳閘信息傳輸到中心交換機，中心交換機再將跳閘信息傳輸到母聯間隔交換機，進而發送給母聯智能終端實現跳閘。

3.3 220 kV 母線各間隔信息流傳輸分析

為了更好地了解220 kV 母線保護屏內的中心交換機的工作機制，現以母線保護，以線路、母聯、主變為例分析啟動失靈、遠跳、閉鎖重合閘等關鍵信息流向。

由于接口容量問題，一般設置在220 kV 母線保護屏內的中心交換機均會配置2 ～3 臺，每臺中心交換機均會分配一定間隔的過程層交換機進行級聯，同時各個中心交換機之間再采用級聯的方式聯系在一起。因此會經常遇到只有一部分220 kV 間隔的A 網(或者B 網)發生異常的情況，原因就是某一臺中心交換機故障引起所級聯的設備發出故障報文。

智能終端通過光纖直接將母線刀閘(4/5)發送給母線保護，以便母線保護動作跳對應母線上的斷路器，因此平時在操作時也需要檢查母線保護的刀閘切換位置，防止母差保護正動時將另一條母線上的開關跳開。

保護啟動失靈是由保護裝置(母聯充電保護、線路保護、主變保護)發出，通過過程層交換機將信息流傳輸到中心交換機，中心交換機再將失靈信息發送給母線保護裝置，通過“網采”的方式，讓母線保護給智能終端發出跳閘信號。遠跳信息則是通過母線保護裝置發出，通過相反的路徑：中心交換機→過程層交換機→線路保護裝置實現遠方跳閘，目的是為了快速切除開關與電流互感器(current transformer，CT)之間的死區故障。而閉鎖重合閘信息則分為手跳、遙跳閉重和母線保護動作閉重，手跳、遙跳閉鎖重合閘是通過智能終端→過程層交換機→保護裝置實現，母線保護裝置閉重則是通過母線保護→中心交換機→過程層交換機→保護裝置實現。

3.4 主變間隔信息流傳輸分析

對主變間隔的信息流傳輸進行整體分析可知，變壓器的信息流中包含了220 kV、110 kV、10 kV三側及母聯、分段間隔，110 kV、10 kV 過程層設備將合并單元和智能終端集成到一起，組成了合智一體裝置，既可以接受SV 采樣，也可接受、傳送GOOSE 報文。

根據過程層交換機及中心交換機的配置情況，主變間隔的信息流傳輸總體上可以分為兩個方向：一是主變220 kV 側通過220 kV 過程層中心交換機實現組網；二是主變110 kV、10 kV 側通過110 kV 過程層中心交換機實現組網。在傳輸邏輯上，主變保護裝置是通過“直采直跳”的方式采集主變三側數字量，直接將跳閘信息發送給智能終端；在測控裝置與智能終端之間需要通過過程層交換機實現組網，其中主變10 kV 側測控及遙信信息是通過主變110 kV 過程層交換機實現組網，10 kV 側不配置過程層交換機；主變保護啟動失靈在組網方式上也是通過過程層交換機→中心交換機→母線保護裝置進行傳輸，母線保護再將失靈聯跳信息以相反的方向發送給智能終端；主變高、中、低后備保護跳母聯的組網傳輸形式，均是通過保護裝置傳輸到過程層交換機，再到中心交換機，最終到母聯智能終端，實現保護組網跳閘。

4 過程層信息流應用

4.1 智能變電站信息流鏈路圖介紹

根據對智能變電站的信息流分析，形成智能變電站的220 kV GOOSE 鏈路圖，其中220 kV 采用雙套冗余配置保護裝置及過程層設備。對應的現場運檢人員可以根據現場的鏈路圖“按圖索驥”，通過查看鏈路所連接的智能終端、保護裝置、光纖等設備狀態，會非常直觀地查找到故障位置。

4.2 GOOSE 鏈路異常處置

某智能變電站監控機06：47 發220 kV 過程層B 網中心交換機異常報警，1 號、2 號、3 號主變保護測控二裝置異常報警，1 號、2 號、3 號主變保護測控二GOOSE 總報警，2212、2213 線路測控二裝置異常報警，2212、2213 線路測控二GOOSE 總報警，220 kV 母線保護二裝置異常報警、220 kV母線保護二GOOSE 總報警。通過梳理該站220 kV GOOSE 鏈路圖及信息流向圖，可判定220 kV 過程層B 網交換機存在異常，導致220 kV 第二套保護測控裝置全部報警。經過現場檢查發現過程層B網中心交換機指示燈滅，與判斷結果一致，現場運檢人員更換過程層B 網交換機之后，線路恢復正常。

5 結論

通過對220 kV 樞紐智能變電站的整體網絡機構、信息流傳輸機制、典型間隔信息流傳輸邏輯的梳理及分析，得出了智能變電站由上至下的MMS、SV、GOOSE 信息流向圖，對現場發現的異常起到快速定位及處置的指導作用。同時，結合北京某一智能變電站的GOOSE 斷鏈異常缺陷，說明應用以上梳理的流向圖可以快速完成缺陷消除。