胡子侯

（广东电网公司茂名供电局，广东茂名 525000）

智能化变电站的两种建设模式探讨

胡子侯

（广东电网公司茂名供电局，广东茂名 525000）

智能电网是电网未来发展的趋势，而智能化变电站的建设是智能电网实现的基础，就建设智能化变电站的两种模式进行探讨，同时对其优缺点进行分析，提出今后智能化变电站的建设建议。

智能化变电站；建设模式；探讨

0 引言

智能化变电站的建设仍在摸索阶段，国内主流建设模式有两种：一种是保护装置GOOSE组网跳闸方式建设模式，另一种是保护装置直采直跳建设模式。保护装置GOOSE组网跳闸方式，即保护装置、智能终端均引接至过程层GOOSE网交换机，跳闸、继电保护之间的联跳闭锁信息、失灵启动等GOOSE信号通过过程层GOOSE网络传输，其他信号通过过程层SV网传输；保护装置直采直跳方式，即保护采样机跳闸信号通过直跳光缆传输，继电保护之间的联跳闭锁信息、失灵启动等GOOSE信号通过过程层GOOSE网络传输，此外，还有一些信号传输是在SV网络的协助下传输的。无论是组网跳闸方式建设模式还是直采直跳建设模式都有各自的优缺点，文章主要对这两种方式进行分析，提出相应的解决方案。

1 智能化变电站建设模式分析

保护装置GOOSE组网跳闸方式建设模式在南方电网各智能化变电站被广泛采用。除此之外，保护装置GOOSE组网跳闸方式建设模式在国家电网试点智能化变电站也被采用，保护装置直采直跳新型建设模式在智能化变电站装置中使用主要受到国家电网公司实施和发布的一些电网技术规范的影响。

2 保护装置直采直跳建设模式

该模式通过光纤引导的方式将智能化变电站保护装置的出口跳闸引至智能终端，也可以直接将保护采样引至合并单元，对于保护采样和跳闸信号的传输可以通过直跳光缆进行传输。继电保护之间的联跳闭锁信息、失灵启动等GOOSE信号通过过程层GOOSE网络传输，其他信号通过过程层SV网传输，其系统图见图1。

2.1 保护装置直采直跳方式智能化变电站的优点

（1）该方式采用点对点传输，不依赖网络，因此，网络出现故障的情况下不会影响到保护装置的跳闸出口。利用点对点的传输方式一定程度上能够避免交换机带来的问题，可以解决交换机延时带来的保护误动，另外，在受到电磁干扰的情况下交换机采样值会出现闭锁现象，点对点传输能够解决闭锁保护。

图1 保护装置直采直跳方式智能化变电站系统图

（2）与传统变电站相比，此模式在变电站结构上没有发生根本性变化，基层继保人员容易适应。

（3）在保护定检或变电站扩建时，试验措施与传统变电站相似，容易实施，风险相对容易控制。

2.2 保护装置直采直跳方式智能化变电站的缺点

（1）对保护装置的硬件要求高。点对点模式下，保护装置的数据接口大幅增加，同一时间多个接口的数据都需要利用CPU进行处理，一定程度上增加了处理量。对于CPU的选择上还需要采用性能高的CPU，这样处理的数据才更具有实用性。

（2）增加了现场施工的工作量。与网络传输模式相比，点对点的传输模式下的装置间光缆接线相对较多，从而使得现场施工的工作量增加，此外，增加熔接点一定程度上会影响到数据传输的稳定性。

（3）增加了装置出现故障的频率。在装置设置过程中，增加保护装置端口的数量，就会使得其CPU的发热量随着增加并且有可能大于常规CPU发热量，使得装置的运行环境受到严重影响，这时的装置在运行中就会频繁发生故障，若装置中光纤的熔接点较多时也会增加故障的发生概率。

（4）故障不易排查，维护难度大。由于光缆接线和光纤熔接点较多，在发生回路异常时，较难排查安全隐患。

（5）不方便进行故障分析。在采用点对点传输时，跳闸出口的设备连接都是采用一对一的直接连接方式，对数据报文的流程不能很好地进行检测，从而阻碍了故障分析的渠道。

3 GOOSE的组网跳闸方式建设模式

该模式智能化变电站保护装置、智能终端均引接至过程层GOOSE网交换机，跳闸、继电保护之间的联跳闭锁信息、失灵启动等GOOSE信号通过过程层GOOSE网络传输，其他信号通过过程层SV网传输，其系统图见图2。

图2 保护装置GOOSE组网跳闸方式智能化变电站系统图

3.1 保护装置GOOSE组网跳闸方式智能化变电站的优点

（1）对保护装置的硬件要求较低。该模式下，保护装置的数据接口较少，CPU不需同时处理各个端口的数据，CPU性能较易满足数据处理的实时性要求。

（2）现场施工工作量小。网络化传输方式在保护装置的出口设置中被采用，其优势在于铺设的光纤数量和网络构架相对较少，一定程度上使得设备互联调试的工作量适当的减轻了，工程建设时间也快速缩短了。

（3）方便进行故障分析。利用网络传输方式对过程层的数据进行传输，这样可以方便网络报文对设备监控过程中的信息进行交互，能够快速地发现网络设备中的故障，同时能够清楚地划分设备厂商的责任。

3.2 保护装置GOOSE组网跳闸方式智能化变电站的劣势

（1）交换机在使用过程中对性能的要求相对较高。交换机的性能是网络化传输的最大瓶颈。数据在传输的过程中会出现延时问题，因此，需要对网络数据进行合理分配，这样不仅能够提高交换机硬件质量，还能够使其稳定地运行，这种网络化传输方式是需要解决的重点问题。

（3）GOOSE组网跳闸方式智能化变电站采样时间较长。通过网络进行传输的过程中采样值会出现延时，为了能够使得间隔数据同步进行，需要利用对时系统。

（4）适应周期长。与传统变电站相比，此模式在变电站结构上发生根本性变化，基层继保人员适应周期较长。

（5）试验风险控制难度增加。在保护定检特别是变电站扩建试验时，由于保护跳闸信息需走公用GOOSE网络，在试验时很难控制对运行设备的影响，风险控制措施执行难度大。

3.3 分析GOOSE组网跳闸的可靠性和速动性

3.3.1 GOOSE组网跳闸的可靠性分析

GOOSE在智能变电的过程中信息流量相对较少，当出现的故障比较严重时，对间隔流量会有一定的要求，一般不能超过2 Mbit／s，这样不容易造成网络堵塞。此外，GOOSE可靠性相对较高，主要因为其采用的网络模式是双网结构模式。

3.3.2 对GOOSE组网跳闸的速动性探索

本项目为EPC项目，较传统项目而言，各参建方可以提前介入广义装配式的策划和实施。业主参与装配式专项工作全过程的组织、统筹与决策，同时负责督促检查各参建单位的落实情况与过程审核；工程监理为装配式专项工作的总体协调单位，负责协助业主对参建单位的装配式方案进行审核，并对落实情况过程监督与把关；总承包单位牵头实施装配式专项工作，组织专业单位资源，编制装配式实施方案。

交换机网络传输延时组成不要分为以下几点：

（1）交换机存储转发延时（简称TSF）

现代变换机的设计原理一般都是存储转发，通常情况下，利用帧长除以传输速度就能算出单台交换机的存储转发延时。百兆端口存储转发延时122 μs，千兆端口存储转发延时12 μs。

（2）交换机交换延时（简称TSW）

通常情况下，见到的交换机交换延时的数据都是固定的，其大小往往取决于交换机芯片处理MAC地址表、VLAN、优先级。而交换延时比较短的是工业以太网交换机，其延时一般不超过10 μs。

（3）光缆传输延时（简称TWL）

光缆传输延时通常是光速的2／3倍，其计算是利用光缆长度除以光缆光速。以1 km为例，光缆传输延时约5 μs。

（4）交换机帧排队延时简称TQ

利用顺序传送的方式解决交换机帧冲突就会给交换机延时带来一些不确定的因素，严重的情况下会影响到交换机借口报文的发送，如果在计算中忽略交换机帧冲突中间隔的时间，就会出现媜排队延时问题。其中帧排队的最短延时一般为0。

根据以上分析．可以得出经过N台变换机的最长报文传输延时TALL=N（TSF+TSW+TQ）+TWLA

其中，TALL表示报文经过N台交换机的光缆传输总延时。

星形结构形式下的转发文需要的交换机台数最大为3台。

评估TQ时一般都是借助于平均排队延时方式，当延时比较长时，目的端口或交换机级联端口接受的最长报文是通过所有交换机其他端口发送来的。

以3台交换机、每台交换机16个100 Mbit／s光口、光缆总长1 km、级联端口采用千兆端口为例，下面是网络传输中延时最长的计算值：

实际运行中，当继电保护传输的字节减少时，GOOSE报文不超过300 B，这种情况下也会使得网络延时减少。计算GOOSE报文的传输延时必须满足IEC 61850规定的3 ms的延时要求，才能够获得准确的结果。

除此之外，在实际使用过程中可以通过一系列方式缩短网络延时，利用IEEE 802．1Q优先级标志和虚拟LAN就可以达到缩短网络延时的目的，更好地提升报文传输的实效性。鉴于对VLAN的特点的研究，如果一个VLAN内部的广播和单播流量都不会转发到其他VLAN，这样就可以控制流量的流失，一定程度上降低设备投资，方便网络管理，也使得网络的安全性能有所提升。可以协助保护装置GOOSE组网跳闸方式的改进，又能够满足继电保护速动性的要求。

4 两种建设模式探讨

通过比较两种建设模式的系统结构和优缺点，可以看出：

（1）直采直跳方式，需要更多的接口。网跳方式下，每个间隔的电流信息通过合并单元直接上过程层SV网供所有保护（包括线路或主变保护、母差保护、失灵保护等）共享，而直采直跳方式下，合并单元需向每个保护直接提供采样，因此合并单元需增加网络接口。网跳方式下，所有保护的跳闸信息都是通过过程层GOOSE网到一次设备智能终端进行跳闸，而直采直跳方式下，需要每个保护通过光纤直接接到一次设备智能终端进行跳闸，需要增加智能终端的网络接口，对于500 kV线路保护，需增加1个跳中开关网络接口，而对于母差失灵保护，需要有满足跳所有间隔开关的网络接口，网络接口数量相比增加幅度最大。直采直跳方式下由于网络接口的大量增加导致硬件成本大增，同时由于需要更多网口的信息，也不利于保护的运行。

（2）直采直跳方式，需要更多光缆和光缆熔接。由于直采直跳方式，需要每个保护通过光纤直接接到一次设备智能终端进行跳闸，所以光缆数量大大增加，同时光缆熔接量也增大，因此，光缆成本以及施工成本大增。

通过分析可知，采用直采直跳方式的保护装置具有多重优势，但是光口数量和熔接点多，光缆用量大，基于这些优势的影响，直采直跳方式下的造价投资高于网跳投资。

5 结语

智能化变电站无论采用直采直跳方式还是采用GOOSE组网跳模式，这些模式一定程度上都能够满足继电保护的需要和要求，此外，保护装置GOOSE组网跳闸方式在多个方面都优于直跳方式，它的全寿命周期投资造价低，不仅绿色环保，还能够实现信息共享功能，同时还能对故障进行分析，能够满足智能电网全站信息数字化、通信平台网络化的发展。因此，建议以后智能化变电站建设中采用GOOSE组网跳闸方式建设模式。

Discussion on Two Kinds of Construction Mode of Intelligent Substation

HU Zi-hou
（Maoming Power Supply Bureau，Maoming525000，China）

The smart grid is the trend of future development of power grid，and the construction of intelligent substation is the foundation of realization of smart grid， the construction of the two modes of intelligent substation are discussed， and the advantages and disadvantages are analyzed，then put forward proposals of intelligent substation construction in the future.

intelligent substation；construction modes；discuss

TM727

A

1009－9492(2015)10－0039－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.10.010

胡子侯，男，1982年生，湖北武穴人，大学本科，工程师。研究领域：变电站继保设备运行及检修。已发表论文1篇。

(编辑：阮 毅)

2015－04－30