220kV智能变电站网络结构及交换机配置优化方案研究

(2)GOOSE数据流量

GOOSE工程中实际最大报文长度为6016bit，按照GOOSE的发送机制，一个智能设备变位时的最大数据流量为0.03Mbit/s。

(3)MMS数据流量

发生故障时是MMS数据流量最大的情况，包含遥测及遥信量，经过理论计算值为0.012Mbit/s。

(4)网络记录分析仪及故障录波系统

网络记录分析仪及故障录波系统自网络流出流量为SMV、GOOSE信息，数据流量较大，但对于网络流量分析需要的流入流量仅为MMS信息，理论计算值为0.012Mbit/s。

(5)公用设备数据流量

母线保护、公用测控装置和一体化电源系统等流入交换机的数据主要包含GOOSE、MMS信息，上述设备的数据流量分别按照GOOSE、MMS的理论计算值核算。

(6)流量计算

最恶劣情况下(如220kV母线保护动作切除220kV所有断路器)，全站数据流量统计如表1、表2所示。

双星形情况下A、B网冗余配置，B网主干交换机数据流量相当于A网主干交换机数据流量。

环形网络最大流量考虑当某一通道发生故障时，某一交换机发送信息到最远交换机的数据流量。

智能变电站网络的性能分析

本节结合上节得出的流量结果，分别针对星形网络和环形网络作出了性能分析。

本站使用两层一网的拓扑结构，使网络具备众多优点：网络简单，易于布线;扩展容易，不会引起网络中断;便于维护，任何一个间隔故障，仅需对交换机相关部分进行隔离，无需更换交换机;交换机数量少，投资少;任何网络通道故障，可以实现快速自愈，保证系统的稳定性。

网络性能、功能主要体现在以下几个方面。

(1)响应能力分析

测量数据、保护信号和控制命令等都要求实时传送。特别是出现故障时要求信息能在站内通信网络上快速传送，保证严格的时限要求。

实时性要求有以下3个方面：①传输速度快。指单位时间内传输的信息多。②响应时间短。指事件发生时，传输到网络上及执行器接收到该信息马上执行所需的时间。响应时间由执行器控制中断的能力、信息在通信协议的应用层与物理层之间的传输时间、等待网络空闲的时间和避免信息在网络上碰撞的时间4个方面的因素决定，这个时间对大多数通信协议是一个随机数。③巡回时间短。指系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需要的时间。

由于本站设备较少，星形和环形网络均能满足相应能力的要求。

(2)网络延时分析

网络延时定义为一帧报文从发送者到接收者的网络传输花费的全部时间。网络延时由以下4部分组成：①帧发送延时(Transmit Lantency，T0)。②交换延时(SaveForward，T1)。③线路传输延时(Wire Latency，T2)。④帧排队延时(Queue Latency，T3)。

以上4种延时中，前3种延时由网络本身的硬件和软件决定，只有排队延时具有不确定性。要分析以太网延时，就必须分析出影响排队延时的因素，通过减小排队延时将有利于提高整个网络系统的实时性能。影响以太网通信延时的主要因素是节点数目和通信速率，也就是说网络负荷是造成通信延时的主要原因。

在电力系统中，站点之间传输的主要是短信息帧。当节点数目较少时，通信延时很小，随着节点数目的增加，延时也随之增大;同时，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络延时的减小，从而改善以太网的实时性能。

根据上节统计的数据流量，计算出两种结构的网络延时情况如表3所示。

计算表明，双星形网络在网络延时方面较环形网络有一定优势，但两者都能满足智能变电站系统层网络的要求。

(3)可靠性分析

网络可靠性表示网络连续无故障工作的能力，其判断依据是网络的任意两节点之间至少存在一条可通信的链路。经分析可得，环形网络和双星形网络均能满足变电站可靠性要求。

经济技术比较

3种方案的经济技术比较如表4所示。

经比较可以看出，3种方案均能满足智能变电站的需求，而两层一网环形网络的经济性大大超出其他两种方案，因此智能变电站推荐选择两层一网环网的组网方式。

智能交换机配置方案

220kV智能变电站以太网交换机要求具备以下功能：可靠性符合IEC61850-3标准;支持多环组网方案;Zero-Packet-Loss零丢包技术;满足C3级(-40～120℃)宽温度范围;满足IEC61000-6-5标准的抗电磁干扰能力;支持802.1QVLAN;支持802.1p优先级排队协议;支持GMRP组播技术;支持IEEE61588对时方式;每台交换机按16端口配置。

系统层网络采用环形配置方式，共2台公用交换机，其余交换机按电压等级配置。220kV每

2个间隔配置1台以太网交换机，共配置3台;66kV每段母线配置1台以太网交换机，共配置2台;每台主变压器配置1台以太网交换机，共配置2台。全站共配置9台以太网交换机。

继电器室内网络通信介质采用以太网线;通向户外的通信介质采用光缆;采样值和保护GOOSE等可靠性要求较高的信息传输采用光纤。

结束语

220kV智能变电站整站建立在IEC61850通信技术规范基础上，按分层分布式来实现智能变电站内智能电气设备间的信息共享和互操作性。本站按两层设备一层网络构建，两层为系统层和设备层，一层网络为系统层网络。