基于IEC61850-9-2及GOOSE共网传输的数字化变电站技术应用与分析.pdf

第３８卷第２４期２０１０年１２月１６日电力系统保护与控制ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＶｂｌ－３８ＮＯ．２４Ｄｅｃ．１６．２０１０基于ＩＥＯ６１８５０－９－２及６００ＳＥ共网传输的数字化变电站技术应用与分析魏勇，罗思需，施迪，梁小刚２７李俊刚，崔全胜（１．许继电气股份有限公司，河南许昌４６１０００；２．山西晋中供电分公司，山西晋中０３０６００）——摘要：分析了数字化变电站过程层采样值的两种通信传输方式：点对点的ＩＥＣ６１８５０－９１方式及网络化的ＩＥＣ６１８５０－９２方式，提出了网络化采样值ＳＭＶ与ＧＯＯＳＥ信息共网传输的方案，从技术角度分析了方案的可行性。分析了共网传输模式下的主要业务数据类型：ＳＭＶ，ＧＯＯＳＥ，ＰＴＰ１５８８网络报丈，对各自的网络数据流量及可能的网络通信时延因素：存储转发延时，交换延时，线路延时，帧排队延时进行了定量分析。结合某实际数字化变电站工程进行了该技术方案的仿真计算和应用分析，工程应用实践表明所提出的共网传输技术方案是可行的，对数字化变电站过程层网络性能研究具有参考价值。—关键词：数字化变电站；ｔＥＣ６１８５０－９２；ＧＯＯＳＥ；共网传输；网络流量；通信时延；ＰＴＰ１５８８ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｎｄｉｇｉｔａｌｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＩＥＣ６１８５０－９－２ａｎｄＧＯＯＳＥｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎｏｎｅｎｅｔｗｏｒｋＷＥＩＹｏｎｇ，ＬＵＯＳｉ．ＸＵ，ＳＨＩＤｉ，ＬＩＡＮＧＸｉａｏ．ｇａｎｇ，ＬＩＪｕｎ．ｇａｎｇ．ＣＵＩＱｕａ．．ｓｈｅｎｇ（１．ＸＪＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉｔｅｄ，Ｘｕｃｈａｎｇ４６１０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＪｉｎｚｈｏｎｇＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＢｒａｎｃｈ，Ｊｉｎｚｈｏｎｇ０３０６００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｍｏｄｅｓｆｏｒｓａｍｐｌｅｍｅａｓｕｒｅｖａｌｕｅ（ＳＭＶ）ａｔｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｌｅｖｅｌ———————ｏｆｄｉｇｉｔａｌｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ．ｎａｍｅｌｙｔｈｅｐｏｉｎｔｔｏｐｏｉｎｔＩＥＣ６１８５０９１ｍｏｄｅａｎｄｗｅｂｂａｓｅｄＩＥＣ６１８５０９２ｍｏｄｅ．ＴｈｅｓｃｈｅｍｅｆｏｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｏｆＳＭＶａｎｄＧＯＯＳＥｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｏｎｅｎｅｔｗｏｒｋｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄｉｔｓｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｉｓａｎａｌｙｚｅｄｆｒｏｍｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌａｓｐｅｃｔ．ＴｈｅｍａｉｎｄａｔａｔｙｐｅｓｉｎｔｈｅｍｏｄｅｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎｏｎｅｎｅｔｗｏｒｋｓｕｃｈａｓＳＭＶ，ＧＯＯＳＥ，ａｎｄＰＴＰ１５８８ａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｅａｃｈｎｅｔｄａｔａｔｒａｆｆ—ｉｃａｓｗｅｌｌａｓｐｏｓｓｉｂｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｄｅｌａｙｆａｃｔｏｒｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｔｏｒｅａｎｄ－ｆｏｒｗａｒｄｄｅｌａｙ，ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｄｅｌａｙ，ｌｉｎｅｄｅｌａｙａｎｄｆｒａｍｅｑｕｅｕｉｎｇｄｅｌａｙｉｓａｎａｌｙｚｅｄｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ．Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈａｐｒａｃｔｉｃａｌｐｒｏｊｅｃｔｉｎａｄｉｇｉｔａｌｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｃｈｅｍｅａｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｃｈｅｍｅｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎｏｎｅｎｅｔｗｏｒｋｉｓｆｅａｓｉｂｌｅ，ａｎｄｉｔｈａｓｒｅｆｅｒｅｎｃｅｖａｌｕｅｆｏｒｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｎｅｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｔｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｌｅｖｅｌｏｆｄｉｇｉｔａｌｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ．—Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌｓｕｂｓｔｍｉｏｎ；ＩＥＣ６１８５０－９２：ＧＯＯＳＥ；ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎｏｎｅｎｅｔｗｏｒｋ；ｎｅｔｗｏｒｋｔｒａｆｆｉｃ；ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｄｅｌａｙ；ＰＴＰ１５８８中图分类号：ＴＭ７６文献标识码：Ａ——文章编号：１６７４３４１５（２０１０）２４０１４６－０７Ｏ引言变电站综合自动化技术经过１０余年的发展，目前已经基本成熟，得到了大量的工程应用，获得了巨大的成功。随着ＩＥＣ６１８５０变电站建模通信标准体系标准的颁布实施及电子互感器技术的发展，各地各种应用模式的数字化变电站试点工程建设如雨后春笋般蓬勃开展，变电站自动化技术进入了数字”化时代。目前无论国外还是国内，对符合ＩＥＣ６１８５０的全数字化变电站的研究、工程试点都是热点，但是多处于站控层和间隔层部分的ＩＥＣ６１８５０．８的试点，——或者是在过程层采用ＦＴ３／ＩＥＣ６１８５０９１点到点模式实现采样值数字化传输，国内真正基于ＧＯＯＳＥ及网络方式（ＩＥＣ６１８５０．９．２）采样值共网传输的数字化变电站还未在工程中应用Ｌ２Ｊ。在２００８年法国巴黎召开的第４２届国际大电网会议上由专家提议，国际电工委员会（ＩＥＣ）决定——废弃ＩＥＣ６１８５０９１及ＩＥＣ６００４４技术标准Ｌ３Ｊ，随着———ＩＥＣ６１８５０９．１的废除，基于ＩＥＣ６１８５０９２标准的变魏勇，等基于ＩＥＣ６１８５０．９．２及ＧＯＯＳＥ共网传输的数字化变电站技术应用与分析－１４７－电站自动化系统的推广应用是一种必然的趋势，国—内外已经开始了ＩＥＣ６１８５０９．２网络化采样值方式的技术研究及产品开发，部分地区的招标技术要求中，明确要求采用ＩＥＣ６１８５０．９．２网络化采样值方式作为过程层组网方案Ｌ４ｊ。文献『６１对数字化变电站ＧＯＯＳＥ网络的性能进行了专项测试，测试结果表明ＧＯＯＳＥ技术完全可应用于数字化变电站各项网络化应用功能的实现，测试环境是在采样值网络和ＧＯＯＳＥ网络共网传输的环境下进行的，从技术角度分析网络化采样值和ＧＯＯＳＥ共网传输是可行的。本文在现有的数字化变电站工程应用模式基础上，在分析点到点的ＩＥＣ６１８５０．９．１采样值传输模式——和ＩＥＣ６１８５０９２网络化采样值传输模式之后，提出了在数字化变电站过程层采用ＩＥＣ６１８５０．９。２网络化采样值组网方式，并和ＧＯＯＳＥ信息一起物理共网传输的方案，并对这种传输模式下的网络流量及可能的通信时延进行了定量的估算和分析。本文最后结合某实际的数字化工程进行了该技术方案的应用分析。１现有工程应用组网模式依据国网公司数字化（智能）变电站调研情况统计资料【７】，数字化变电站现有的工程建设及应用模式归纳起来可以分为下列几种：Ａ．采用电子互感器，采用智能终端设备，过程层采用ＧＯＯＳＥ技术。采样值网络单独组网。采样值通过光纤点对点传输。Ｂ．采用电子互感器、未采用智能终端设备，跳合闸回路采用传统电缆模式。—采样值组网，传输格式采用ＩＥＣ６１８５０９．１、ＩＥＣ６００４４。采样值通过光纤点到点传输。ｃ．采用传统互感器，采用智能终端设备，过程层采用ＧＯＯＳＥ技术。Ｄ．变电站监控系统采用ＩＥＣ６１８５０规约通信，仅站控层与间隔层设备问通信采用ＩＥＣ６１８５０规约。从上面的统计情况可知，目前采用—ＩＥＣ６１８５０９．２网络化采样值及ＧＯＯＳＥ共同组网的应用模式尚未见到。下面将分析在数字化变电站过程层中依据采样值ＳＭＶ，ＦＩＧＯＯＳＥ信息传输方式不同而划分的几种“常见的组网方案，最后重点对所提出的ＩＥＣ６１８５０．”９－２网络化采样值及ＧＯＯＳＥ共同组网的组网方案从过程层网络性能角度进行详细理论分析。２过程层组网方案２．１ＩＥ０６１８５０－９－１采样值点到点传输方案—ＩＥＣ６１８５０９．１是ＩＥＣ为了适应数字化采样值传输方案在数字化变电站建设初期，为了兼容传统的ＩＥＣ６００４４互感器数据传输标准制定的临时标准，该模式只提供报文传输一种服务，即通过单向多路点对点串行通信链路的采样值传输方式。合并单元提供多个光纤数据输出接口，与间隔层设备之间通过光纤一对一（点对点）进行连接。点对点传送方式只需考虑传送介质的带宽和接受方ＣＰＵ处理数据的能力，而不用担心数据流量对于其他间隔设备传输的影响，因为它并没有通过网络与其他间隔共享网络带宽。—ＩＥＣ６１８５０９．１方案实现模式简单固定，但不灵活，数据通道固定为１２路，帧格式固定而且不允许改变，映射方法也相对固定、简单，对抽象通信服务接口（ＡｂｓｔｒａｃｔＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｅｒｖｉｃｅＩｎｔｅｒｆａｃｅ，ＡＣＳＩ）模型的支持不够完备，比较适合于测量表计的数字化采样值接口方式Ｌ８Ｊ，图１给出了该模式的工程应用配置示意图。图１ＩＥＣ６１８５０－９－１传输方案的应用——Ｆｉｇ．１ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｌＥＣ６１８５０９１ｓｃｈｅｍｅ目前已经投运的大多数数字化工程都采用了图１方式的技术方案，典型项目如１１０ｋＶ洛阳金谷园数字化变电站工程及更早期的１１０ｋＶ云南翠峰数字化变电站工程。——２．２ｌＥ０６１８５０９２采样值网络化传输方案——ＩＥＣ６１８５０９２采样值网络化传输方式实现了从电子互感器经合并器输出的采样值以网络方式传输到间隔层设备，即合并单元的数字化采样值输出接入过程层网络，保护、测控、计量等设备不再与合并单元直接相连，而是通过网络获取采样值，这样就达到了采样值数据的信息共享。通过交换机本身的优先级技术、虚拟网（ｖＬＡＮ）技术、组播技术电力系统保护与控制等可以有效地防止采样值传输流量对过程层网络通信性能的影响。更重要的方面在于网络传输模式有效地解决了点对点传输模式下的一些缺陷，如便于实现跨间隔保护（母线保护、变压器保护等），便于实现全站或区域性的集中保护；可灵活配置数据集的内容，帧格式可灵活定义，并支持单播方式；合并单元可以下放至就地端子箱安装，只需一根光纤就可方便地将此间隔的合并单元接入主控室的过程层网络，方便了就地采集器至合并单元的光纤连接。随着交换机网络管理技术的迅速发展及其应用成本的降低，采样值网络传输模式势必在数字化变电站得到推广应用。ＩＥＣ６１８５０９．２的ＡＣＳＩ通信服务支持报文传输（ＳｅｎｄＭｅｓｓａｇｅ）、控制块值读／设置和数据值读（ＧｅｔＤ￣ａＶａｌｕｅ）等三种服务。—ＩＥＣ６１８５０９．２方案更加符合数字化变电站所倡导的全站信息数字化网络传输的发展方向，体现了“”数字化变电站信息传输网络化的特征，图２给出了该模式的工程应用配置示意图。图２ＩＥ０６１８５０－９－２传输方案的应用——Ｆｉｇ．２ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＩＥＣ６１８５０９２ｓｃｈｅｍｅ—考虑到ＩＥＣ６１８５０９．２配置定义过于灵活，为了便于工程应用，国际上推出了ＩＥＣ６１８５０．９．２ＬＥ版—本。其实是一个工程定制版的ＩＥＣ６１８５０．９２，目前，国内各种工程应用所采用的网络化采样值方式基本都是ＩＥＣ６１８５０．９．２ＬＥ。新版的ＩＥＣ６１８５０标准体系中已经明确表示准备废除ＩＥＣ６１８５０．９．１的点到点采样值方式，只采用—ＩＥＣ６１８５０９．２方式。这也从技术标准上引导了数字化变电站过程层采样值传输方式的技术选择。目前正在建设或规划中的大多数数字化工程都采用了图２方式的技术方案，典型项目如１１０ｋＶ绍兴大闾数字化变电站工程、５００ｋＶ长春南智能变电站工程等。——２．３ＩＥＣ６１８５０９２采样值及ＧＯＯＳＥ共网传输方案由于部分地区对于电子式互感器及整个数据传输环节的技术成熟度理解差异较大，如华东地区专家们认为在现阶段为了确保间隔层保护控制功能的可靠实现，应当不用或者慎用电子式互感器，在数“”字化变电站中只采用ＧＯＯＳＥ技术实现虚接线和联闭锁、跳合闸功能，即ＧＯＯＳＥ单独组网，互感器采用传统互感器或者采用电子互感器后，单独组ＩＥＣ６１８５０．９．２采样值传输网，所以现阶段很多数字化工程中，过程层尽管采用了ＩＥＣ６１８５０．９．２采样值组网方式，但和ＧＯＯＳＥ网基本是独立的两个物理网络，这可能更多是从运行管理角度去考虑的。本文认为如果数字化变电站采用了ＩＥＣ６１８５０．９．２采样值组网方式，就没有必要在物理上单独设立ＧＯＯＳＥ网，应当采用网络化采样值和ＧＯＯＳＥ共网传输的组网方式。从技术经济角度分析，有以下几个原因可以说明物理共网传输方式是可行的，也是必要的。①ＧＯＯＳＥ信息采用了特有的发布／订阅机制，有完善的超时重传机制，ＧＯＯＳＥ数据量和占用网络带宽的比例都是比较小的，这从接下章节的流量分析中也可体现，ＧＯＯＳＥ信息可以和ＳＭＶ采样值物理上共享／复用过程层高速工业以太网（甚至是在不久的将来进入千兆网后，实现全站网络合一），共网传输后的通信性能和单独组网方式，无论ＳＭＶ采样值和ＧＯＯＳＥ信息都不会有明显差别。②过程层传输的信息除了ＳＭＶ采样值和ＧＯＯＳＥ信息外，还有少量辅助信息，如对时信息（ＳＮＴＰ／ＰＴＰ１５８８），网络设备管理信息等，这些信息采用各自独立的物理通道后，技术实现和运行维护都不方便。③采用共网传输方案后，可以在保证性能的前提下，省掉大量的网络通信设备，如工业交换机，这对于数字化变电站降低投资成本，加快推广应用具有重要意义。④采用共网传输方案后，网络化保护及控制功能、电压切换／ＰＴ并列等辅助功能实现起来更加便捷。⑤网络通信技术的飞速发展也揭示着千兆及更高速率的网络通信速率、更低成本的应用方案即将到来，多种信息共网综合传输是大势所趋。当然，需要注意的是，由于目前间隔层数字化设备硬件资源相对紧张，部分厂家现场运行设备甚至出现箱体温度过高的问题，采用ＳＭＶ和ＧＯＯＳＥ共网传输后，对这些设备的ＣＰＵ芯片选型、软硬件设计也提出了更高的要求。魏勇，等基于ＩＥＣ６１８５０．９．２及ＧＯＯＳＥ共网传输的数字化变电站技术应用与分析一１４９．图３给出了网络化ＳＭＶ采样值和ＧＯＯＳＥ信息共网传输的结构示意图。目前山西及河南电网建设或规划中的大多数数字化工程都采用了图３方式的技术方案，典型项目如１１０ｋＶ晋中范村数字化变电站工程、１１０ｋＶ郑州吴河数字化变电站工程、２２０ｋＶ郑州陈庄数字化变电站工程等。站摔工作站１ｌ＝＝作站２远动站嘲＿一ｌＩｌＩｌＩｌｌＩＪＩｌ站控层．¨｜黧童正ｃ６。’＃黼｝ｍ鬟’：譬≯嚣蝥ｌｌ装嚣月光缆／／１眦÷Ｉ电子式感器智能一次设备图３ＳＭＶ及６００ＳＥ共网传输结构示意图Ｆｉｇ．３ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＳＭＶａｎｄＧＯＯＳＥｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎｏｎｅｎｅｔｗｏｒｋ３共网传输网络流量及通信时延分析浙江省电科院在研究数字化变电站继电保护ＧＯＯＳＥ信息实时性的时候，对过程层网络通信时延的构成进行了详细的分析Ｉ９Ｊ，笔者也曾发表学术论文探讨了过程层ＧＯＯＳＥ网络的测试方法ｌｏＪ，但经文献检索后发现针对过程层ＳＭＶ采样值和ＧＯＯＳＥ共网传输情况下的网络流量及通信时延尚未见报道。本文下面将对ＳＭＶ和ＧＯＯＳＥ共网传输方式下的网络流量计算和通信时延估计进行说明，并且针对在此传输方式下一般会存在的网络对时信息，如ＳＮＴＰ和ＰＴＰ１５８８网络对时报文进行了网络流量估算。３．１网络流量计算数字化变电站过程层采用ＳＭＶ和ＧＯＯＳＥ共网传输模式后，经分析可知，网络上传输的主要信—息类型包括ＩＥＣ６１８５０９．２采样值数据包信息和ＧＯＯＳＥ信息，以及为了实现过程层设备时钟同步而引入的网络对时报文信息，依据不同的对时方案，主要可分为ＳＮＴＰ报文和ＰＴＰ１５８８报文（考虑到ＰＴＰ１５８８网络对时方案更具有代表性，极有可能成为未来数字化变电站对时标准技术，下面的流量及时延分析仅以ＰＴＰ１５８８为例进行分析）。—ＩＥＣ６１８５０．９．２采样值数据包流量用ＱｓＭｖ＿９２标识，ＧＯＯＳＥ信息流量用ＱＧＯｏｓＥ标识，网络对时信息流量用ＱｓＹＮ（ｓＮＴＰ／ＰＴＰ）标识，总的网络流量用ＱＡｌ＿Ｌ标识。在忽略网络管理报文等其他辅助报文产生的网络流量开销前提下，有：ＱＡＬＬ＝ＱＳＭＶ－９．２＋ＱＧｏｏｓＥ＋ＱｓＹＮ（ＳＮＴＰ／ＰＴＰ）（１）ＱｓＭｖ＿９．２流量计算按照ＩＥＣ６１８５０９．２ＬＥ方式实施的工程中，实际最大报文长度：在８０点采样率，每５点一帧的应用模式下，每帧最大报文长度为『６６２］字节一５２９６位；在２５６点采样率，每８点一帧的应用模式下，每帧最大报文长度为『１０３７］字节＝８２９６位；按照每帧１点（１２个模拟量通道）计算，一个合并器每秒种的数据流量：Ｑ＝『１５９］字节Ｘ８ｂｉｔ／字节Ｘ５０周波／ｓ×８０帧／周波＝５．０８８Ｍｂｉｔ／ｓ；过程层采样值通信流量只占用１００Ｍ端口的４％左右。上面各算式中，括号【］内的量，如６６２，１５９，１０３７等都是不同ＳＭＶ数据包的长度，这些长度的计算将在另文论述，此处不再展开说明。（２）ＱａＯＯＳＥ流量计算由于ＩＥＣ６１８５０中定义了ＧＯＯＳＥ信息的发送采用变长时间间隔算法，按照Ｔｏ＝ｌＯＳ计算，一个智能设备每秒种的数据流量：Ｑ＝［６０１６］字节／帧×８ｂｉｔ／字节×（１／１０）／秒＝０．０４８Ｍｂｉｆｆｓ；通常情况下，ＧＯＯＳＥ流量和ＳＭＶ采样值流量比较，对网络带宽的影响基本可以忽略。上面各算式中，括号［】内的量，如６０１６等是归一化后的Ｇｏ０ＳＥ数据包的长度，这些长度的计算将在另文论述，此处不再展开说明。（３）ＱＳＹＮ（ＳＮＴＰ／ＰＴＰ）流量计算数字化变电站过程层的时钟同步可以采用脉冲及ＩＲＩＧ．Ｂ码方式，但这需要架设额外的对时硬总线及相关的辅助设备如光扩展箱等，价格不菲，施工不便，没有充分体现数字化变电站的特点。采用本文所述的共网传输模式后，所有的过程层设备都实现了直接上网，所以可以选用网络方式的对时技术。主要有ＳＮＴＰ／ＮＴＰ及ＰＴＰ１５８８技术，前者精度能达到数十毫秒至秒级，可满足站控层对时需要，但无法直接满足过程层对时精度要求（一般可以通过辅助措施，如对时脉冲配合实现过程层对时精度要求），后者最初应用于航天军工及高精度运动测控．１５０．电力系统保护与控制方面，精度可达到毫秒级，目前已经有试点数字化变电站工程采用ＰＴＰ１５８８技术实现过程层时钟同步，华东电科院组织相关厂家做过相关的互操作试验ｌｌ，测试结果基本令人满意。在本文的共网传输模式下，对时技术采用ＰＴＰ１５８８的纯网络对时方案，下面的流量计算也仅考虑ＰＴＰ１５８８报文流量。在ＰＴＰ１５８８对时方案下，主要包括下面几种对时报文：ａｎｎｏｕｎｃｅ报文，同步报文（包括Ｓｙｎｃ，Ｆｏｌｌｏｗ报文），报文（包括，．ＵｐｄｅｌａｙＤｅｌａｙ，，，＿．ＲｅｑＤｅｌａｙ＿ＲｅｓｐＰＤｅｌａｙ＿ＲｅｑＰＤｅｌａｙ＿ＲｅｓｐＰｄｅｌａｙ＿ｅｓｐ报文），依据使用习惯，我们设定．ＦｏｌｌｏｗＵｐａｎｎｏｕｎｃｅ报文和同步报文的发送周期均为１Ｓ，ｄｅｌａｙ报文的发送周期为８Ｓ。下面以最坏的情况，按ａｎｎｏｕｃｅ报文，同步报文和ｄｅｌａｙ报文均在同一秒内发送，计算一个合并器发出的ＰＴＰ报文流量。下面各算式中，括号内的量，如８２，６４，７２等都是每种不同类型对时报文的长度，这些长度的计算将在另文论述，此处不再展开说明。①—１步钟＋ｄｅｌａｙｒｅｑｕｅｓｔｒｅｓｐｏｎｄ机制：此种模式下，ａｎｎｏｕｎｃｅ，ｓｙｎｃ，ｄｅｌａｙｒｅｑ，ｄｅｌａｙ＿ｒｅｓｐ报文，最坏情况报文流量：Ｑｔ＝（８２＋６４＋６４＋７２）×８＝２８２×８＝２２５６ｂｉＶｓ②—２步钟＋ｄｅｌａｙｒｅｑｕｅｓｔｒｅｓｐｏｎｄ机制：此种模式下，有ａｎｎｏｕｎｃｅ，ｓｙｎｃ，ｆｏｌｌｏｗｕｐ，ｄｅｌａｙ＿ｒｅｑ，ｄｅｌａｙｒｅｓｐ报文，最坏情况报文流量：Ｑ２＝（８２＋６４＋６４＋６４＋７２）×８＝３４６×８＝２７６８ｂｉＶｓ③１步钟＋ｐｅｅｒｄｅｌａｙ机制：此种模式下，有ａｎｎｏｕｎｃｅ，ｓｙｎｃ，ｐｄｅｌａｙｒｅｑ，ｐｄｅｌａｙ报文，最坏情况报文流量：＿ｒｅｓｐ０３＝（８２＋６４＋７２＋７２）×８＝２９０×８＝２３２０ｂｉＶｓ④２步钟＋ｐｅｅｒｄｅｌａｙ机制：此种模式下，有ａｎｎｏｕｎｃｅ，ｓｙｎｃ，ｆｏｌｌｏｗｕｐ，ｐｄｅｌａｙｒｅｑ，ｐｄｅｌａｙｒｅｓｐ，ｐｄｅｌａｙ＿ｒｅｓｐ＿ｆｏｌｌｏｗ＿ｕｐ报文，最坏情况报文流量：０４＝（８２＋６４＋６４＋７２＋７２＋７２）×８＝４２６×８３４０８ｂｉＶｓ④按照第种情况最坏情况下分析，１个合并器的ＰＴＰ１５８８报文每秒钟数据流量为３．４０８Ｋｂｉｔ／ｓ，与每秒钟ＧＯＯＳＥ的报文流量０．０４８Ｍｂｉｔ／ｓ——相比，小了一个数量级，当然更远小于ＩＥＣ６１８５０９２ＬＥ的ＳＭＶ报文流量。经过上面的分析可知，共网传输模式下，总的网络流量为：ＰＡＬＬＱＳＭＶ－９．２＋ＱＧｏｏｓＥ＋ＱｓｖＮ（ＳＮＴＰ／ＰＴＰ）５．０８８Ｍｂｉｔ／ｓ＋０．０４８Ｍｂｉｔ／ｓ＋０．００３４０８ＭｂｉＶｓ＝５．１３９４０８ＭｂｉＶｓ从上面的结果可知共网传输模式下网络流量及网络带宽占用与采样值单独组网方式变化很小，可以忽略不计。３．２网络时延分析（１）网络时延计算模型通信网络的延时，可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。网络延时主要包含四种因素：①存储和转发指交换机存储收到的数据直到全部一帧被接收完，接着交换机转发数据帧从相应的端口出去。这个延时与被转发的帧的大小成比例，并且与速率成反比。上ｓｆ＝ＦＳ／ＢＲ式中：是存储转发延时；是以位计算的帧大小；ＢＲ是以位／秒为单位计算的速率。例如对于１００Ｍｂｐｓ速率交换机：最大的以太网帧１５１８字节延时是１５ｌ８×８／（１００×１０）Ｉｔｓ：１２１Ｉｔｓ最小的以太网帧６４字节的延时是６４×８／（１００×１０）Ｉｔｓ＝５Ｉｔｓ—９２的以太网帧１５９字节的延时是１５９×８／（１００×１０）ＩｔＳ＝１３ＩｔＳＧＯＯＳＥ的以太网帧７５２字节延时是７５２×８／（１００×１０）ＩｔＳ：６０ｕｓ②交换机制以太网交换机的内部是交换机制，由复杂的硬件电路执行存储转发引擎、ＭＡＣ地址表、ＶＬＡＮ、ＣＯＳ及其他的功能。交换机制产生的延时用以执行这些逻辑功能。各个厂商交换机制延时各不相同，对于同一厂商型号基本相同。如罗杰康产品的交换机制延时是７ｕＳ。③线路传输数据位在光纤链路上的传输速度大约是光速（３×１０ｍ／ｓ）的２／３。当部署很长距离以太网线路时，这个延时可能值得注意。对于１００ｋｍ／１ｋｍ／１００ｍ的链路延时可以计算出：Ｌｗｌ＝Ｌ，ｙＬ、ｖ，（１００ｋｍ）＝１×１０／（×３×≈１０）ｕｓ５００ＩｔＳＬｆ（１ｋｍ）＝１×１０／（×３×１０。）Ｉｔｓ￣５ｌａｓＬ、ｖ，（１００ｍ）＝１×１０／（×３×≈１０）ｕｓ０ＳｕＳ魏勇，等基于ＩＥＣ６１８５０．９．２及ＧＯＯＳＥ共网传输的数字化变电站技术应用与分析一１５１一对于局域网中距离，这个延时和其他延时影响相比可忽略不计。④帧排队帧冲突在广播式以太网中存在，以太网交换机用队列结合存储转发机制来消除帧冲突的问题。队列给延时引入了非确定性因素，原因归咎于通常很难预测网络上精确的通信工况。服务级别ＣＯＳ为以太网帧引入了优先级方案，减轻排队延时，然而并不能保证服务的质量。（２）过程层信息时延计算在一个单独１００Ｍｂｐｓ端口汇聚９．２帧通信，选择配置使这个到接收者的１００Ｍｂｐｓ链路接近饱和：每周期采样率为８０个点并且１２个合并器，每一个都在发送采样值。每一个９－２帧都是１２７２位长度，假设在所有１２个合并器中采样都是同步进行的，１２个帧将会以每１／（５０×８０）Ｓ＝２５０Ｉｔｓ的间隔速度到达交换机。一—个９２采样值帧的最好和最坏情况下延时、抖动分别是：Ｌ（ｂｅｓｔ）＝（１２７２／１００＋７）Ｉｔｓ￣２０ＩｔＳＬ（ｗｏｒｓｔ）＝（１２７２×≈１２／１００＋７）ｕｓ１６０Ｉｔｓ△Ｌ＝Ｌ（ｗｏｒｓｔ）一（ｂｅｓｔ）＝１６０ＩｔＳ一２０ＩｔＳ＝１４０１ｔｓ在一个单独１００Ｍ端口汇聚ＧＯＯＳＥ帧通信，选择配置使这个到接收者的１００Ｍ链路接近饱和：发送速率为５ｍｓ、１０ｍｓ、２０ｍｓ、１０Ｓ，每一个智能设备都在发送ＧＯＯＳＥ帧。每一个ＧＯＯＳＥ帧都是６０１６位，并且假设所有１２个智能设备发送都是同步进行的。一个ＧＯＯＳＥ帧的最好和最坏情况下延时、抖动分别是：Ｌ（ｂｅｓｔ）＝（６０１６／１００＋７）Ｉｔｓ￣６７ＩｔｓＬ（ｗｏｒｓｔ）＝（６０１６×１２／１００＋７１Ｉｔｓ￣７２８Ｉｔｓ△￡＝Ｌ（ｗｏｒｓｔ）－Ｌ（ｂｅｓｔ）＝７２８Ｉｔｓ一６７ＩｔＳ＝６６１ＩｔＳ４实际工程仿真计算４．１工程概况某１１０ｋＶ数字化变电站主接线为１１０ｋＶ内桥，１０ｋＶ单母三分段，现有１１０ｋＶ进线两回，主变２台，１０ｋＶ线路２４回，１０ｋｖ母分１回，１０ｋＶ电容器４组，１０ｋＶ消弧线圈２回。４．２过程层配置该数字化变电站过程层采用本文所述的ＳＭＶ和ＧＯＯＳＥ共网传输方案。１１０ｋＶ线路保护使用一个合并器的数据：进线的电压、电流：１１０ｋＶ桥分段使用一个合并器的数据：桥电流；变压器保护使用５个合并器数据：高压进线电流、桥电流、低压分支１的电流、低压分支２的电流、桥电流；母线保护使用５个合并器的数据：高压进线１电流、高压进线２电流、变压器１高压侧套管电流、变压器２高压侧套管电流、桥电流；１０ｋＶ采用一体化开关设计，电子互感器直接提供信号给保护测控装置、电表。４．３流量及时延仿真结果按照第３节的过程层网络流量计算方法及通信时延估算方法，可得出该示例变电站的仿真计算结果如表１所示【Ｊ。表１流量及时延仿真计算结果Ｔａｂ．１Ｔｒａｆｆｉｃａｎｄｄｅｌａｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ５结论本文在归纳现有数字化变电站试点建设模式的“基础上，创新提出了网络化采样值和ＧＯＯＳＥ信”息共网传输的过程层组网技术方案，对共网传输方式下的数据类型进行了归类分析，给出了该方式下的网络流量计算方法和通信时延估算公式，最后还结合某数字化变电站示例工程进行了仿真计算和应用分析，目前采用该技术方案的数字化变电站已成功投运，运行状况良好。鉴于过程层网络通信性能是数字化变电站关键技术指标之一，本文的研究成果对于数字化、智能变电站的建设，尤其是网络化采样值及ＧＯＯＳＥ共同组网方式在数字化变电站的推广应用起到了极好的示范作用。东北电网电科“”院组织的数字化变电站三网合一动模试验结果也和本文结论基本一致【Ｊ引。．１５２．电力系统保护与控制参考文献［１］魏勇．变电站网络化二次系统关键技术研究［Ｊ】．电力系统保护及控制，２００９，３７（８）：５３．５８．ＷＥＩＹｏｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｎｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｐｏｗｅｒｓｅｃｏｎｄａｒｙｓｙｓｔｅｍｉｎｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２００９，３７（８）：５３。５８．［２］魏勇．变电站网络化二次系统研究及应用【Ｒ］．许昌：许继电气技术中心，２００８．ＷＥＩＹｏｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｎｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓｅｃｏｎｄａｒｙｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｎｅｔｗｏｒｋ［Ｒ］．Ｘｕｃｈａｎｇ：ＸＪＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，２００８．——［３］赵希才．２００８年国际大电网会议系列报道电力系统保护与自动化［Ｊ］．电力系统自动化，２００８，３２（２３）：１．３．—’ＺＨＡＯＸｉｃａｉ．ＡｒｅｖｉｅｗｏｆＣＩＧＲＥ２００８ｏｎｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄａｕｔｏｍａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，２００８，３２（２３）：１－３．［４］２２０ｋｖ广东阳江核电数字化变电站招标技术要求［Ｓ］．广州：广东核电集团公司，２００９．ＴｅｃｈｎｉｃａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆＧｕａｎｇｄｏｎｇＹａｎｇｉｉａｎｇｎｕｃｌｅａｒｐｏｗｅｒｄｉｇｉｔａｌｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ［Ｓ］．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ：ＧｕａｎｇｄｏｎｇＮｕｃｌｅａｒＰｏｗｅｒＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，２００９．［５］５００ｋｖ长春南智能变电站招标技术要求【Ｓ】．北京：国家电网公司，２００９．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆ５００ｋＶｓｏｕｔｈＣｈａｎｇｃｈｕｎｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ［Ｓ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＳｔａｔｅＧｒｉｄＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ，２００９．［６］魏勇．数字化变电站ＧＯＯＳＥ网络测试［Ｊ］．电力系统保—护及控制，２００９，３７（２４）：９６１００，１０４．ＷＥＩＹｏｎｇ．ＴｅｓｔｉｎｇｏｆｄｉｇｉｔａｌｓｕｂｓｔａｔｉｏｎＧＯＯＳＥｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２００９，—３７（２４）：９６１００，１０４．［７］数字化（智能）变电站调研情况总结［ＲＪ．北京：国家电网公司，２００９．Ｓｕｍｍａｒｙｒｅｐｏｒｔｏｆｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎａｎｄｓｔｕｄｙｏｎｄｉｇｉｔａｌ（ｓｍａｒｔ）ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ［Ｒ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＳｔａｔｅＧｒｉｄＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ，２００９．［８］王红青．基于ＩＥＣ６１８５０．９－２接口的保护动模试验［Ｊ】．华东电力，２００８（６）：５１－５３．ＷＡＮＧＨｏｎｇ・ｑｉｎｇ．Ｔｈｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ—ｂａｓｅｄｏｎＩＥＣ６１８５０９－２ｉｎｔｅｒｆａｃｅ［Ｊ］．ＥａｓｔＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃ—Ｐｏｗｅｒ，２００８（６）：５１５３．［９］王松．数字化变电站继电保护的ＧＯＯＳＥＮ络方案【Ｊ］．电力系统自动化，２００９，３３（３）：５５．５８，１０７．ＷＡＮＧＳｏｎｇ．ＡＧＯＯＳＥｎｅｔｗｏｒｋｓｃｈｅｍｅｆｏｒｒｅｌａｙｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｉｎｄｉｇｉｔｉｚｅｄｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，２００９，３３（３）：５５－５８，１０７．［１０］数字化变电站ＰＴＰ１５８８的互操作试验报告【ＲＪ．上海：华东电科院，２００９．ＩｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙｔｅｓｔｒｅｐｏｒｔｏｎＰＴＰ１５８８［Ｒ］．Ｓｈａｎｇｈａｉ：ＥａｓｔＣｈｉｎａＥＰＲＩ，２００９．［１１］宋小会．数字化变电站过程层网络分析［Ｒ］．许昌：许继电气技术中心，２００８．—ＳＯＮＧＸｉａｏｈｕｉ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｎｐｒｏｃｅｓｓｌｅｖｅｌｎｅｔｗｏｒｋｏｆｄｉｇｉｔａｌｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ［Ｒ］．Ｘｕｃｈａｎｇ：ＸＪＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｅｎｔｅｒ，２００８．［１２］５００ｋＶ智能化变电站保护及二次组网动模试验报告［Ｒ］沈阳：东北电力科学研究院有限公司，２０１０．５００ｋＶｓｍａｒｔｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｎｅｔｗｏｒｋｓｙｓｔｅｍｄｙｎｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｒｅｐｏｒｔ［Ｒ］．Ｓｈｅｎｙａｎｇ：ＮｏｒｔｈｅａｓｔＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｏ．，Ｌｔｄ，２０１０．——收稿日期：２００９１２１５；作者简介：魏勇（１９７３－），男，系统方案及相关产品研发罗思需（１９６４－），男，护运行管理工作；—修回日期：２０１０－０１２２硕士，研究方向为数字化变电站Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｏｎｇｗ＠｝ｘｊｇｃ．ｃｏｍ总工，高级工程师，从事继电保施迪（１９６９一），男，工程师，从事继电保护运行管理工作。