专利名称：适用于智能变电站集中式站域保护通信的过程层组网结构的制作方法
技术领域：
适用于智能变电站集中式站域保护通信的过程层组网结构技术领域[0001]本实用新型涉及智能变电站技术领域，具体是一种适用于智能变电站集中式站域保护通信的过程层组网结构。
背景技术：
[0002]智能电网是当今电力系统变革的最新动向，并被认为是21世纪电力工业领域的重大科技跨越和发展脉络。我国智能电网的建设是以特高压网架为基础，以信息通信平台为支撑，以智能控制为手段，包括电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度等各个环节，覆盖所有电压等级，由此实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合。其中，智能变电站作为智能电网的重要组成部分和关键节点，它集成了电子式互感器、合并单元、智能终端等诸多先进环保的智能设备，结合高效以太网通信技术手段以及IEC61850标准规约的实施与推广应用，有效促成了全站信息数字化、通信平台网络化及数据共享标准化。[0003]智能变电站内部利用以太网通信取代并行电缆传输IEC61850标准化数字信息，除了可大幅度简化设备连接方式和系统结构，还能够集成原先面向某个特定应用或功能而设置的专用信息系统，形成统一的资源传输支撑平台，达成站内多源信息的应用共享机制。借此可完全地消除信息交互孤岛，为提高智能变电站中继电保护装置的性能提供了基础及条件，诸如能够促进实现一种基于站内网络化冗余信息执行综合故障处理的集中式站域保护。[0004]集中式站域保护的运行机制可大体描述为:针对站内信息交互共享，利用过程层通信网络实时地获取各元件的电压电流同步采样信息(SV报文)以及开关量信息(G00SE报文)，通过划分冗余信息应用范围，结合所设计选定的保护综合算法，实现站内故障元件快速定位，继而执行优化跳闸策略，并使得跳闸信息通过网络可靠地传送至相关断路器，由此达成全站区域的保护功能。[0005]传统继电保护多根据单点信息进行故障判断处理，不具备全局性综合视角，在有效信息不足时其做出的判断往往不是最优的；对于传统后备保护而言，其通常根据保护定值和整定时限的配合来保障动作的选择性，在某些复杂情况下，后备保护的动作时限可能闻达数秒。实用新型内容[0006]针对现有技术的上述不足，本实用新型提供一种适用于智能变电站集中式站域保护通信的过程层组网结构，构架出站域信息的共享传输平台，从而保障网络化报文传输的实时性及可靠性，为集中式站域保护的应用奠定基础及条件。[0007]—种适用于智能变电站集中式站域保护通信的过程层组网结构，其特征在于使用间隔交换机实现高压及中压采样间隔内SV与GOOSE报文的源端共网传输，高压、中压等级子网使用双星型冗余结构，即由冗余配置的双子网交换机分别与子网内的间隔交换机以星型方式连接，间隔交换机与合并单元和智能终端直连；低压等级子网使用单星型结构且依靠子网交换机实现报文共网，即低压等级子网由单子网交换机与低压等级子网内的合并单元和智能终端连接；并通过中心交换机以双星型方式连接各子网以汇集全站信息，即由双中心交换机分别连接各个子网的子网交换机。[0008]如上所述的适用于智能变电站集中式站域保护通信的过程层组网结构，所述高压等级子网为大于或等于220kV的子网，所述中压等级子网为IlOkV 220kV(不包括220kV)的子网，所述低压等级子网为IOkV I IOkV (不包括IlOkV)的子网。[0009]采取本实用新型的过程层网络结构，SV、G00SE报文传送至站域保护的网络化时延特性满足IEC61850的延时要求，网络架构的可靠性符合IEC61508的规定等级，能够为站域保护的信息数据获取提供坚持的基础条件；另外结合以太网实时可靠传输手段，资源的集成共享化可有效消除站内交互孤岛现象，有助于推动利用站域冗余信息进行故障综合处理的集中式站域保护。
[0010]图1为智能变电站集中式站域保护原理示意图；[0011]图2为某实际220kV智能变电站的主接线及其间隔配置图(本实用新型的实施应用对象)；[0012]图3为基于本实用新型应用的过程层网络设计结构图；[0013]图4是本实用新型的结构原理图；[0014]图5为基于本实用新型应用的过程层网络可靠性计算框图，其中图5(a)表示220kV等级的过程层子网；图5(b)表示整体过程层网络。
具体实施方式
[0015]下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述。[0016]图1所示为智能变电站集中式站域保护的原理示意图，该型保护位于智能变电站的间隔层，从过程层网络获取 SV(Sampled Value)及 GOOSE (Generic Object OrientedSubstation Event)报文信息，并通过网跳方式触发相关断路器。出于提高保护可靠性之目的，可选用双重化保护配置方式。[0017]图2为某实际220kV智能变电站的主接线及间隔配置情况。在此以该智能变电站为集中式站域保护的应用对象，并作为所述实用新型的实施范例。[0018]此220kV智能变电站共包括有36个采样间隔，大致可分为以下四类:[0019]I)线路间隔，包括 4 条 220kV 进线(L1 22(| L4 22(|)，5 条 IlOkV 出线(L1 11(| L5 11(|)及 14 条 IOkV 馈线(Lijq L14jci)。[0020]2)母线间隔，包括 220kV、110kV 和 IOkV 母线，即 Bus_220、Bus_110、Bus_10。[0021]3)变压器间隔，包括有Tl和T2，各间隔由来自变压器高中低压三侧的合并单元及智能终端组成。[0022]4)母联间隔、分段开关间隔，即为BC_110、SS_220及SS_10。[0023]根据上述主接线及间隔配置情况，基于实用新型中所述的过程层网络应用特征，设计了如图3所示的过程层网络架构。从图中所观察，可知交换机SW1、SW2用于220kV子网，交换机SW3、SW4用于IIOkV子网，而交换机SW5 SW9配置在IOkV子网，交换机SWlO作为中心交换机以汇集全站信息数据。另外，220kV高压、IlOkV中压等级的网络通信选用双星型冗余配置，IOkV低压级网络通信使用单星型结构配置。[0024]对应于智能变电站220kV、110kV等级的采样间隔，均配置一台百兆端口间隔交换机，用以实现间隔内SV报文及GOOSE报文的共网传播，对于IOkV低压端未配置间隔交换机，通过SW5 SW9等子网交换机实现报文共网(间隔交换机未标注于图3中)[0025]除中心交换机SWlO使用千兆端口外，过程层子网交换机SWl SW9均使用百兆端□。[0026]图4是本实用新型的结构原理图，本实用新型过程层组网结构使用间隔交换机实现高压及中压采样间隔内SV与GOOSE报文的源端共网传输，高压、中压等级子网使用双星型冗余结构，即由冗余配置的双子网交换机分别与子网内的间隔交换机以星型方式连接，间隔交换机与合并单元和智能终端直连；低压等级子网使用单星型结构且依靠子网交换机实现报文共网，即低压等级子网由单子网交换机与低压等级子网内的合并单元和智能终端连接；并通过中心交换机以双星型方式连接各子网以汇集全站信息，即由双中心交换机分别连接各个子网的子网交换机[0027]下面对所建过程层网络的实时性及可靠性做一定分析评估。[0028]报文网络化的传输延时主要由以下四部分组成:交换机存储转发延时、数据交换延时、巾贞排队延时及光纤传输延时。前三部分同报文类型及交换机的通讯容量有较大关联，而光纤传输延时则依赖于光纤长度。以下为所建过程层网络中SV报文与GOOSE报文的理论时延推导过程。[0029]根据现代交换机的通讯传输原理，单台交换机的存储转发延时(Tsf)等于报文帧长度除以传输速率。鉴于SV报文(基于IEC61850-9-2)的帧长度约为1744bits，对于百兆光口交换机Sffl Sff9,其时延为TSF_SV_100 = 1744/100 = 17.44 μ s，而对于配置千兆光口的中心交换机SW10，时延则可表示为TSF_SV__ = 1.744 μ s.由于GOOSE报文的帧长度约等于 230bytes(1840bits),故其存储转发延时分别为 TSF_G00SE_100 = 18.4μ s 及 TSF_G00SE_1000 =1.84 μ S。[0030]交换机的数据交换延时(Tde)通常为固定值，取决于交换机芯片处理MAC地址表、VLAN等功能的速度。一般情况下，交换延时可以7 μ s来计算。对应而言，交换机的帧排队延时(Tq)具备不确定性，假设交换机共配置K个端口，最长帧排队延时可达到(K-1) Tsf，最短排队延时则为O。另外，光纤传输`延时(Tft)等于光纤长度除以光纤光速(近2/3倍光速)，以Ikm为例,光纤传输延时约为5 μ S。[0031]综合以上各子环节的时延分析，当SV报文及GOOSE报文的传输路径将经历N台交换机时，累计传输延时(Tc)可表示为Tc = N(Tsf+Tde+Tq)+Tft。以每台交换机装配18个光口、光纤总长度约Ikm为考虑，针对有无VLAN的情况，SV报文的理论最大时延分别为375 μ s及81 μ s，GOOSE 报文则为 393 μ s 及 84 μ S。[0032]在SV、GOOSE报文经历过程层网络传送至集中式站域保护之前，最长的通讯路径将由两台百兆端口交换机和一台千兆端口交换机组成，以此计算了理论时延值。尽管在未划分VLAN时，所建过程层网络的实时性已能满足IEC61850的相关要求(SV报文低于3ms，GOOSE报文低于4ms)，但可观察出，在应用VLAN技术执行数据隔离后，理论评估的实时性能够得到大幅度升高，这对于加强站域保护动作的快速性具备积极效应。[0033]可用度(A)是描述可靠性的重要参数，表征设备或系统处于正常工作的稳态概率，计算公式为A = MTTF/ (MTTF+MTTR)，其中MTTF是指设备或系统出现第一次故障的平均期望时间，MTTR是指故障设备或系统得到修复所用的平均时间。对应于可用度A，不可用度可表示为U= 1-A。一般来说，设备及系统之间的基本连接关系可分为串联及并联两种，当系统由M台设备组成，且单体设备的可用度分别为AiQ = l，2...m)时，串联系统可用度为A=TIAia = 1，2...m)，而并联系统可用度则为A= 1-Π (1-Ai) 0下面利用图4所示的过程层网络可靠性框图，结合智能变电站元件的可靠性参数(网络交换机不可用度为54.792 X 10_6，光纤介质不可用度为2.7397 X 10_6)，计算了过程层各子网的可靠性及网络整体可靠性。[0034]鉴于220kV子网的网络结构同IlOkV子网保持一致，故而可采用相同的方法计算网络可靠性。[0035]图5(a)所示为220kV子网的可靠性计算框图，其可用度为-A220 =(Asw)8X [1-(1-Asw)2J2X (Apiber)16 = 0.9995179。同理，IlOkV 子网可用度则为=A110 =(Asw)9X [1-(1-Asw)2J2X (Apiber)18 = 0.9994576。因 IOkV子网可视为串联系统，可用度为=A10=(Asw)5X (Apiber)18 = 0.9996768。[0036]图5(b)为所建过程层网络的整体可靠性计算框图，从中得出整体可用度为:Awh-=A220 XA110XA10X [1-(1-Asw)2] X (Apiber)20 = 0.9986036。[0037]根据IEC61508所规定的可靠性级别，各子网的可靠性可达到第3级，其中第4级为最高可靠性级别，而网络的整体可靠性亦达到了第2级。[0038]综上所诉，基于所述实用新型的智能变电站过程层网络具备良好的实时性及可靠性。集中式站域保护可利用该过程层网络有效地获取站域网络化信息，由此执行其相关设定功能。另外，智能变电站间隔层中其余设备装置亦可接入该过程层网络，从中实现网络化共享数据通信。[0039]智能变电站内部形成了统一信息标准支撑平台，结合以太网实时可靠传输手段，资源的集成共享化可有效消除站内交互孤岛现象，有助于推动利用站域冗余信息进行故障综合处理的集中式站域保护。鉴于通信网络的构架及其性能是站域保护应用实现的关键环节，本实用新型提出了一种适用于智能变电站集中式站域保护通信的过程层组网结构，该结构中配置间隔交换机达成SV与GOOSE报文的源端共网传输，选用虚拟局域网(VLAN)技术执行数据隔离，根据电压等级分区理念构架过程层子网络，基于可靠性的需求差异选取不同的网络冗余配置方式，并通过中心交换机连接各子网以汇集全站信息供给站域保护。采取本实用新型的过程层网络结构，SV、G00SE报文传送至站域保护的网络化时延特性满足IEC61850的延时要求，网络架构的可靠性符合IEC61508的规定等级，能够为站域保护的信息数据获取提供坚实的基础条件。此外，本实用新型的过程层网络结构中亦可接入智能变电站间隔层其余装置(典型设备有常规保护、测控、计量、故障录波、PMU、电能表等)，为它们提供网络化共享数据通信。[0040]以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式
，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求1.一种适用于智能变电站集中式站域保护通信的过程层组网结构，其特征在于使用间隔交换机实现高压及中压采样间隔内SV与GOOSE报文的源端共网传输，高压、中压等级子网使用双星型冗余结构，即由冗余配置的双子网交换机分别与子网内的间隔交换机以星型方式连接，间隔交换机与合并单元和智能终端直连；低压等级子网使用单星型结构且依靠子网交换机实现报文共网，即低压等级子网由单子网交换机与低压等级子网内的合并单元和智能终端连接；并通过中心交换机以双星型方式连接各子网以汇集全站信息，即由双中心交换机分别连接各个子网的子网交换机。
2.如权利要求1所述的适用于智能变电站集中式站域保护通信的过程层组网结构，其特征在于:所述高压等级子网为大于或等于220kV的子网，所述中压等级子网为IlOkV 220kV(不包括220kV)的子网，所述低压等级子网为IOkV 110kV(不包括IlOkV)的子网。
专利摘要本实用新型提供一种适用于智能变电站集中式站域保护通信的过程层组网结构，其使用间隔交换机实现高压及中压采样间隔内SV与GOOSE报文的源端共网传输，高压、中压等级子网使用双星型冗余结构，低压等级子网使用单星型结构且依靠子网交换机实现报文共网，并通过中心交换机以双星型方式连接各子网以汇集全站信息。采取本实用新型的过程层网络结构，SV、GOOSE报文传送至站域保护的网络化时延特性满足IEC61850的延时要求，网络架构的可靠性符合IEC61508的规定等级，能够为站域保护的信息数据获取提供坚实的基础条件。
文档编号H04L12/931GK202978439SQ201220715968
公开日2013年6月5日 申请日期2012年12月21日 优先权日2012年12月21日
发明者陈磊, 张侃君, 夏勇军, 胡刚 申请人:湖北省电力公司电力科学研究院, 国家电网公司