智能变电站过程层网络配置研究
刘韵韬 张洪涛 张子健 魏一汀
摘 要：智能变电站过程层组网通信质量决定了站内继电保护及自动化等二次设备的安全、稳定和可靠运行。目前主流使用虚拟局域网（Virtual Local Area Network，以下称VLAN）与静态组播技术对智能变电站内大量二次设备进行通信子网划分，以提高组网通信质量与安全水平。但是，高度安全的网络结构意味着维护改造更加困难，实际组网配置方案的优劣还受到复杂的现场情况与其他人为因素影响。本文将结合在运智能变电站实际案例，分析讨论VLAN和静态组播两种技术在过程层组网中的应用，为智能变电站过程层网络配置优化方向提供参考。
关键词：智能变电站；
过程层网络；
VLAN；
静态组播
Abstract：The communication quality of process layer network of smart substation determines the safety，stability and reliable operation of secondary equipment such as relay protection and automation in the station.At present，the mainstream uses Virtual Local Area Network（VLAN）and static multicast technology to divide the communication subnets of a large number of secondary devices in smart substations to improve the communication quality and security level of the Network.However，a highly secure network structure makes maintenance and renovation more difficult.The actual network configuration scheme is also affected by complex field conditions and other human factors.This paper will analyze and discuss the application of VLAN and static multicast technology in process layer networking based on the actual case of Yunsmart substation，so as to provide a reference for the optimization direction of process layer network configuration in smart substation.
Keywords：intelligent substation；
process layer network；
VLAN；
static multicast
目前距最早一批智能變电站投入实际运行已经十余年，在新建变电站中智能变电站占比更多，占据了更重要的地位。智能变电站采用智能设备实现模数转换，利用数字通信与网络技术，将传统繁杂的二次电缆简化为光纤，使得系统更具稳定性、互动性，变电二次设备的调试和运行维护等工作也变得更加高效。智能变电站采用IEC 61850中信息分层的概念，将二次网络分为站控层网络和过程层网络。其中过程层网络是变电站端二次设备正常运行不可或缺的重要联系通道，它的运行情况会直接影响继电保护与电能计量等设备的功能［12］。为保证过程层网络数据传输的高效稳定，同时满足网络安全要求，需要对过程层网络进行合理配置。
本文结合某110kV智能站改造工作和某110kV在运智能站检修工作实例，对智能变电站过程层网络VLAN划分策略与静态组播配置进行分析，探讨两种技术在实际应用场景的优劣性。
1 智能变电站组网概述
1.1 网络结构
智能变电站“三层两网”结构是依照国际标准IEC 61850（电力行业标准编号DL/T860）提出的。“三层”是指将智能变电站二次系统按功能逻辑层划分为间隔层、过程层、站控层，被广泛应用的“两网”是指将组网按物理层划分为过程层网络与站控层网络。通常将间隔层设备与过程层设备通过光纤组成同一物理网络，且过程层和间隔层部分功能可能集成在一个装置中［3］，所以通常将图1中的逻辑接口8划分到过程层网络内，间隔层网络不再单独划分。过程层网络位于下层，它是智能变电站专有的网络结构，作用是对智能终端、合并单元等智能设备进行信息采集，再转发到其他二次装置与上层网络设备（图1接口4，5），部分二次设备功能性的通信需求也依赖于过程层网络（图1接口8）。站控层属于上层网络，包括监控主机、远动通信机等，它的主要作用是汇总全站实时与非实时数据，交予监控主机或传给远方主站来进行全站的监控（图1接口1，6）。
本文讨论的范围是过程层网络。不同于站控层组网通常使用网线，过程层网络均使用光纤光缆组网，是各个二次设备实现其基本功能不可或缺的通信网，其主要传输信息为面向通用对象的变电站事件（Generic Object Oriented Substation Event，以下称GOOSE）和采样值信息（Sampled Measured Value，以下称SV）。所以，过程层网络还可以分为GOOSE网络与SV网络。
1.2 过程层组网风险抑制
过程层网络的核心即过程层网络交换机。几乎智能变电站所有二次设备都要通过交换机接入过程层网络，过程层网络交换机再互相级联，组成完整的过程层网络。但不是每一个二次设备都需要完整的过程层网络信息，一台单间隔的保护装置往往只需要与功能相关的公用间隔装置通信，而不是与全站所有间隔的装置通信。虽然末端接收设备可根据全站系统配置文件（Substation Configuration Description，以下称SCD）进行数据块筛选，但网络异常造成的报文延时、报文丢失等情况仍会影响设备正常运行。因此，利用过程层交换机的网络配置技术采取组网风险抑制措施是必要的。根据站内二次设备虚端子网络对信息进行划分，可避免无效、重复的数据占用通信带宽，提高组网通信质量，以降低网络堵塞、网络风暴、交换机或光口故障等风险发生的概率。
根据GOOSE与SV报文的特点与差异，也可以得出过程层组网的配置要素。GOOSE报文的内容对应传统直流电缆线中的电位信号，例如继电保护装置之间的跳闸、闭锁、启失灵等开关量信号，这类功能性GOOSE报文更具重要性；
SV报文的内容对应传统交流电缆线中的电流电压模拟量，它由合并单元进行模数转换后以数字量形式传输，但根据国家电网相关标准，具有重要功能的SV链路必须采用点对点直采方式，所以目前大多实际应用场景中过程层网络的SV报文优先级不高。文献［4］中指出，GOOSE报文在正常情况时每5s发送一帧，单组数据流量约0.2KB/s，在电网故障时按2ms、2ms、4ms、8ms递增时间发送，单组数据流量不超过244.14KB/s；
SV报文在任何情况下均实时传输，单组数据流量约为781.25KB/s。所以，分配电网正常情况的交换机负载时，SV报文流量比重远大于GOOSE报文，同时也需要为GOOSE报文考虑电网故障时的带宽余量。除此之外，还需要根据数据实时性要求、不同厂家型号交换机的百兆千兆光口配置情况、扩建预留与备用光口数量等实际情况综合考虑。所以目前过程层组网无论是采用哪种风险抑制技术，都需要现场人工配置，配置方案取决于具体现场情况与调试者经验和水平。
2 过程层组网VLAN与静态组播实例
2.1 组网VLAN
VLAN技术可以将同一局域网划分成多个不同逻辑子网，使得网络设备可以按逻辑分组而不受限于物理接口。VLAN在智能变电站过程层组网应用广泛，它可以将数据报文以光口为单位进行标记（Tag），根据不同Tag划入对应VLAN［5］，不同VLAN各自独立不互通，从而控制数据流，提高网络安全性与可维护性。
110kV甲智能变电站已在运10年，现增加110kV备自投装置一台，过程层网络交换机采用PVID（Portbase VLAN ID）进行VLAN划分，设计初案如图2所示。该站由于二次设备较多以及运行年份较长，部分交换机光口已损坏，改造前过程层交换机的接口已经相当紧张。而本次改造新增的110kV备自投由于装置本身原因，SV与GOOSE通信均只能通过组网方式接入。
基于PVID的VLAN划分可以将数据流以端口为单位进行定向转发，在设计初案中可以满足基本通信安全需求。问题在于该方案新增设备占用了最后一个预留光口，在基于端口划分的VLAN配置下，任一端口损坏或者改造等情况都可能导致挂载于本交换机的所有设备陪停，这台110kV过程层中心交换机将完全没有应急处理空間，这显然是不可靠的。根据上表所示的报文流向，假设GOOSE故障报文流量加SV报文流量之和为1MB/s，网络分析仪的总接收流量为5MB/s。百兆光口带宽速率为100Mbps/8=12.5MB/s，所以总接收流量占单个百兆光口的5/12.5*100%=40%。因此，若不需要划分18、19两个光口供网络分析仪使用，可以多保留一个预留光口。再者，若新增110kV备自投从110kV母联合并单元采集数据，需要从110kV过程层线路交换机级联至110kV过程层主变交换机再级联到本交换机，占用多台设备资源，违背最简化配置原则。
由此可总结出本次改造设计初案的问题有三。第一，交换机在用于预留光口数不合规。根据本地区电力企业验收标准，每台交换机的光纤接入数量不宜超过16对，且百兆口、千兆口应分别配备适量的备用端口，上述两条均不符合。第二，原过程层网络硬件接口及VLAN配置不合理。原过程层网络采用逐一串联方式，使得本次改造中新旧设备数据传输途径三台交换机，需要重新配置过程层网络结构。第三，缺少风险预案与未来规划。若采用该设计初案，新增备自投必须SV/GOOSE单纤共网接入交换机，但有可能出现不同厂家设备不支持SV/GOOSE单纤共网的情况，就算接入成功，交换机缺少调试光口，改造调试工作将非常困难。综上，此次改造将新增一台过程层交换机，将110kV备自投与相关的110kV线路1、线路3三个间隔挂载到新交换机上，以星形网络结构替换原有串联网络结构，对110kV过程层中心交换机重新进行了VLAN配置，如图3所示。这样在满足各项要求及顺利完成改造工程的前提下，优化了原过程层网络配置，也没有占用其他备用口紧张的交换机，大大提高了设备运行可靠性与调试维护可行性。
2.2 静态组播
静态组播技术利用MAC地址对全广播进行限制，以实现向目标节点定向传输的功能［6］。智能变电站虚端子网络中，数据块允许一发多收不允许多发一收，这刚好符合组播的数据传输方式。因此，实际过程层组网中有不少静态组播技術的应用实例。
MMS网络中的组播地址采用的是局域网地址或物理地址，这是与设备硬件关联的，随着硬件更换而变更。而在智能变电站过程层网络光纤链路中，静态组播采用的组播地址是SCD中为每台智能设备人工分配的。当智能设备更换时，SCD配置文件会下载到新设备中，其组播地址不会变更，即维修更替设备时不用重新设置组播地址。此外，由于SCD为同一设备不同控制块分配了不同的组播地址，利用静态组播可以从单一物理接口中对多个控制块按逻辑接口分别进行组播。以上均是静态组播在智能变电站过程层组网应用的特殊优势。
110kV乙智能变电站已在运5年，其110kV过程层网络仅采用静态组播方式进行了网络划分，部分组播配置如图4所示。该站仅对SV报文进行了静态组播配置，其余GOOSE报文采用组网全转发、接收端设备根据SCD识别筛选的方式。这种配置方案在基本满足通信安全性、稳定性的同时，也更易读、易维护，但基于端口转发的方式依旧需要合理安排交换机光口预留量，并且GOOSE报文全转发更加依赖末端接收设备的可靠性。
可以看出，该交换机的静态组播配置表中体现不出有哪些装置接入，想获取完整信息必须结合光口配置表。换言之，静态组播只针对端口转发指定地址的数据，不对接收数据进行处理。由于静态组播详细定义了GOOSE与SV控制块中所有组播地址的数据流向，其过程层组网安全性不输于VLAN组网，但前提是调试维护人员对静态组播和本站SCD都熟练掌握。从后期维护角度讲，静态组播的报文解析难度比VLAN更高。因为解析静态组播配置需要SCD、光口表、组播配置表三者对照，而VLAN仅是将设备划分为不同子网，信息集成度较低，出现人为错误的风险也就更低。
3 总结
其实结合甲智能变电站、乙智能变电站实例可见，智能变电站过程层组网方案中，VLAN与静态组播都是针对端口进行配置。不同的是，VLAN在输入端口进行Tag处理，根据输出端口所属VLAN进行选择性转发；
静态组播不在输入端进行处理，仅根据组播地址以GOOSE与SV控制块为单位，在指定输出端口进行选择性转发。在SCD的支撑下，静态组播与设备绑定的缺点也被消除，但VLAN比静态组播更具可维护性。220kV及以上智能变电站采用双套保护及AB双网配置，二次设备数量庞大，此时过程层组网技术理应采用VLAN而非静态组播。
随着智能变电站不断发展，相关从业人员的技术水平提高、经验逐渐丰富，使用VLAN或静态组播控制SV报文转发，对GOOSE报文采取全转发成为目前过程层组网的主流配置方案。未来智能变电站过程层网络配置的方向可能有以下几方面：第一，以这些实例方案作为样本，或许可以形成科学算法来定量评价网络安全稳定与实际维护可用指数，从而获得一个最优配置方案，但由于计算因子随现场条件波动较大，所以得到一个通用解法比较困难；
第二，在网络安全要求逐步提高的大背景下，目前不对GOOSE报文进行针对性划分的策略可能即将被淘汰，利用更先进的网络技术或者复合技术对过程层网络进行配置或许是亟待解决的课题；
第三，在研究先进网络配置方案的同时，相应提出高适应性、高集成度的调试维护方案，解决安全性与可维护性互斥的问题。
参考文献：
［1］韩本帅，王倩，孙中尉，等.智能变电站继电保护跳闸实现方式研究［J］.中国电力，2012，45（8）：2427.
［2］蔡利敏，刘国华，王勇.智能变电站电能量计量系统方案设计［J］.中国电力，2011，44（4）：3134.
［3］DL/T860/IEC 61850.变电站通信网络和系统［S］.
［4］黄天啸，刘平，辛光明，等.智能变电站过程层网络风暴的分析与处理［J］.中国电力，2014，47（11）：112115.
［5］刘景霞，田立猛.基于VLAN划分的智能变电站通信网络方案研究［J］.现代电子技术，2017，40（20）：173177.
［6］冯自权，赵景峰，陈罗飞.基于静态组播搜索的电力交换机检修技术研究［J］.电力系统保护与控制，2019，47（2）：182187.
作者简介：刘韵韬（1995— ），男，汉族，四川武胜人，学士，初级职称，研究方向：继电保护。
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