代 琴，邢 航，陈堂贤，李双杰

（1.荆州供电公司，湖北 荆州434000；2.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌443002）

0 引 言

1 纪南220 kV智能变电站概述

1.1 纪南220 k V智能站基础数据

纪南220 k V智能变电站是湖北荆州地区的一座重要枢纽变电站，位于湖北省西电东送的大通道上，电网位置十分重要：现有1台150 MVA和1台180 MVA的主变；220 k V、110 k V均采用双母线带旁母接线方式；220 k V终期出线6回，已有出线5回；110 k V终期出线8回，已有出线5回；10 k V终期出线15回，已有出线15回。10 k V主变进线回路采用分裂电抗器，两组分裂电抗器的四段母线形成两组单母线分段接线，两台主变压器分列运行，10 k V每段母线上接2组6 Mvar和1组8 Mvar电容无功补偿装置；变电站已有两台315 k VA干式变压器，低压380／220 V侧采用单母线分段接线，两台站变正常同时工作，分列运行，互为备用。＃1站变接入10 k V I段母线；＃2站变接入10 k V II段母线。

1.2 纪南220 kV智能站通信接口模型

基于IEC61850纪南220 k V智能变电站通信接口模型如图1所示。其体系分层为：过程层 、间隔层、变电站层。

（1）过程层：主要指变电站中的变压器、断路器、PT／CT等一次、二次设备及其智能组件（MU+智能操作箱），能完成变电站运行实时电气量的检测、设备状态参数检测及操作控制执行与驱动等功能。

（2）间隔层：主要指保护、测控等二次设备，能采用该间隔的数据操作或控制该间隔的一次设备，且能与各种远方输入／输出、传感器和控制器进行数据交换。

（3）变电站层：主要指站域和站级监控系统、网络通信系统、卫星对时系统等，主要功能是监视（数据采集和监视控制（SCADA）等）、控制（操作闭锁等）、告警及信息交互（同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等）等。

图1 纪南220 kV智能变电站通信接口模型

智能变电站与传统变电站比较主要优势表现在：智能传感器保证了保护、测量系统的精度；光纤数字网络传输简化了二次接线的复杂程度，且解决了电磁干扰问题。

(4)已知SCl2的沸点为50℃。实验结束后,将三颈烧瓶中混合物分离开的实验操作名称是____。若反应中消耗的Cl2的体积为896mL(标准状况,SO2足量),最后得到纯净的SOCl26.76g,则SOCl2的产率为____(保留两位有效数字)。

信息模型和通信接口按IEC61850标准统一建立，保证设备“无缝连接”，解决了设备间互操作性问题。

1.3 纪南220 k V智能站通信联接

纪南智能变电站的控制、保护、测量等功能是由多个逻辑节点共同协调工作完成，逻辑节点是数据帧交换的最小功能单元，如图2所示，表述了两个功能单元（F1、2）包含3个物理设备（PD1、2、3）的通信联系。图2中F1、2为实际功能单元；PD1、2、3为物理设备；F1有5个LN0（逻辑节点：LN1、2、3、4、5）；F2有3个LN0（逻辑节点：LN3、5、6）；PD1有3个LN0（逻辑节点：LN1、2、3）；PD2有2个LN0（逻辑节点：LN4、5）；PD3有1个LN0（逻辑节点：LN6）；PD1、PD2、PD3通信 PC（PC12、23、31）；逻辑通信LC（LC12、35、56、14、36）［2］。

图2 功能单元与物理设备间通信联系示意图

2 纪南220 kV智能变电站通信的实现

2.1 IEEE 1588对时方式

纪南220 k V智能变电站采用IEEE1588对时方式，IEEE1588定义了一种应用于分布式测量和控制系统的精密时间协议PTP（precision time protocol）。PTP利用以太网为传输媒介，采用时间戳机制和主从时钟方案，主时钟和从时钟之间周期交互包含时间编码信息的报文，利用网络链路的对称性和时延测量技术，实现主从时钟频率和时间的同步。纪南220 k V智能变电站保护装置的功能不依赖外部对时系统，但间隔层IED和过程层智能终端要产生SOE，需要达到SOE±1 ms的时标精度要求，合并单元要考虑检测信号角度误差，精度要求不大于（1／6）ms，考虑正负误差和可靠系数对时精度应不大于50 us。IEEE1588对时可以达到亚微妙级，完全满足纪南220 k V智能变电站合并单元对时的精度要求。

2.2 纪南220 kV智能站通信网络结构

纪南220 k V智能变电站通信如图3所示。

图3 纪南220 kV智能变电站通信网络结构图

纪南220 k V智能变电站的站控层及站控层网和常规综自站基本一样，主要区别在于过程层和间隔层及其之间的连接。智能变电站将原来的保护一分为三，形成了现在的保护单元、合并单元和智能终端，增加了过程层网，其主要目的一方面是共享信息的需要，减少采集硬件的重复配置，方便实现设备间的联闭锁及其它高级应用；另一方面也是今后智能开关、智能组合电器发展的需要。合并单元、智能终端必将组合到这些智能一次设备中去，今后一、二次设备间只需要用一根光缆连接。随着智能变电站的发展，甚至保护单元也会组合到智能一次设备中去，就象现在的空开供电一样，各间隔、各站所间依靠自身的复合光缆进行通信。

2.3 纪南220 kV智能站通信报文端到端时延

纪南220 k V智能变电站通信报文端到端时延构成如图4所示。图4中t是通信报文全部时延（源节点发出报文到目的节点接收到报文的时间）；ta是源节点处理和发出报文的时间（包括协议栈数据分段、协议封装等处理开销）；tb是报文在网络中传输时间（包括排队时延、传输时延和传播时延）；tc是目的节点接收到报文并

图4 纪南220 kV智能变电站通信报文时延构成图

处理的时间（包括协议拆封、除包头、拼装数据、应用数据拷贝等处理开销），式（1）表明这几部分的时延关系。

排队时延：指通信报文排队开始到获准传输资格的时延，此时延决定于网络的MAC。

传输时延：指传输链路上发送报文的第1位（比特）至发送报文的最后1位（比特）的时延，此时延决定于报文的长度和数据传输波特率。

传播时延：指传输链路上发送报文的第某位（比特）时刻至该位（比特）到达接收节点的时延，传播时延决定于传输网络的距离和网络传播速度。

2.4 纪南220 k V智能站通信的实时性

网络结构、网络带宽、控制网络介质访问的方法、优先级策略等共同决定智能变电站通信的实时性。以太网具备突出的带宽优势，但以太网强调网络节点之间的平等和带宽的共享，在智能变电站中的应用具有实时性问题，解决智能变电站通信实时性问题的主要方法是通过合并单元减少节点数目、减少网络流量、合理分配和整合网络流量［3］。

2.4.1 合并单元改善纪南智能站的组网结构

合并单元是智能变电站电子互感器、保护及测控设备的接口，可将12路电流、电压通道的信息按IEC61850标准组帧合并，如图5所示。

图5中智能变电站合并单元主要包括同步时钟信号、ECT（电子式电流互感器）／EVT（电子式电压互感器）的接口、合并单元向间隔层设备光纤通信接口、数据的接收与处理、异常检测与监控管理等。

2.4.2 启用以太网交换机提高智能变电站报文传输的实时性能

对智能变电站实时数据启用IEEE 802.1Q（VLAN协议），智能变电站实时数据（报文）在N台交换机组成的网络中传输后产生的总时延如式（2）所示。

式中，N为以太网络交换机台数；TS为单台交换机存储传输时间（TS≤5μs）；σ为端口阻塞的概率（0≤σ≤1）；Td为传输信息在队列中传输的时间；Lb为传输信息（报文）的长度（128 bytes等）；β为通信协议物理层添加常数（β=96 bytes）；Tt为实时传输信息（报文）点到点的传输时间；Lt为实时传输信息（报文）的长度（256 bytes等）。智能变电站通信的实时性（时延）主要与Lt、Lb、N三参数密切相关，Lt、Lb、N越长，延迟越大，数据流量越大［4］。

图5 合并单元改善纪南智能变电站的组网结构

2.4.3 自适应流量平滑器提高智能变电站报文传输的实时性能

为了解决以太网如下缺陷：采集现场数据采用查询／发送机制；报文平均流量远小于以太网容量；具有突发性（bursty）的报文发送和产生，容易发生碰撞Seok-Kyu Kweon和Kang G.Shin两学者提出了自适应流量平滑器。该流量平滑器是以太网MAC协议和传输层协议的接口，自适应流量平滑器的思路如下：

（1）将有实时要求的报文从本地节点中检测出来，并将其设置为高优先级，避免本地节点内部的非实时报文竞争访问网络，从而提高以太网报文传输的实时性能；

（2）在以太网MAC协议和传输层协议间设置缓冲区，并将具有突发性的以太网报文存储到此缓冲区后，再以一个较低的速率（自动确定实时报文的发送速率）发送到网络上，因而降低了以太网报文的突发性，降低了报文的碰撞率，提高以太网报文传输的实时性。

3 OPNET仿真评估网络的实时性

为了评估纪南220 k V智能变电站通信网络的实时性能，将上述方法采用工具软件OPNET进行仿真。仿真参数如表1所示。

表1 基于OPNET的纪南智能变电站仿真参数

OPNET采用三层建模机制建模，即最低层的进程域（Process）模型，中间为节点域（Node）模型，最上层为网络域模型。网络域：智能变电站内部网络组建方案采用独立总线的方式。每个保护单元设置双网卡，分别接入站控层总线和过程层总线，两条总线在物理结构上均为星型网络拓扑结构；节点域：节点域建模的方法是基于节点模块，每个节点模块实现节点行为的某一方面，多个节点模块的集合构成功能完整的节点。在仿真过程中，来自客户端的数据包被接收机接收（hub-rx-0-0），然后由下至上穿过协议栈到application模块。经过处理后，又沿原路返回至发送机hub-tx-0-0），最后被传输到客户端。仿真结果如图6、图7所示。

模拟仿真30 min结果可以看出，过程级网络端对端突发性报文最大时延为0.071 ms；站控级网络端对端突发性报文最大时延不超过0.134 ms。可靠性方案的报文延时小于IEC61850标准所要求的快速报文3 ms时延，验证了上述共享备用方案的可行性。

图6 过程级网络延时

图7 站控级网络延时

4 结 论

本文针对以太网智能变电站实时通信问题，结合湖北荆州220 k V纪南变电站智能化改造实际情况，采用以太网的新技术，研究增强智能变电站通信实时性的实现方法。模拟仿真结果表明该方法的有效性。

［1］张志丹，黄小庆，曹一家，等.基于虚拟局域网的变电站综合数据流分析与通信网络仿真［J］.电网技术，2011，35（5）：204-209.

［2］堇晓阳，廖晨淞，周立龙，等.基于61850-9-2的变电站通信网络仿真［J］.电力系统自动化，2010，34（2）：69-74.

［3］余祥坤.智能变电站过程层网络设计与分析研究［J］.湖北电力，2011，35（2）：31-33.

［4］苏 麟，孙纯军，褚 农.智能变电站过程层网络构建方案研究［J］.电力系统通信，2012，31（213）：10-13，19.