恩施州车坝水电站综合自动化系统通信网络基础平台数字化改造设计

孙 智

(恩施州车坝水力发电公司，湖北 恩施 445000)

随着IEC61850标准的颁布实施，光电式互感器和光纤通信技术在水电站中的逐步推广应用，数字化水电站已成为当前水电站自动化系统的发展方向.数字化水电站综合自动化系统通信网络的基本功能是解决电站内部以及与其他系统之间的实时信息交换，因此通讯网络是不可或缺的功能载体.构建一个可靠、实时、高效的通信网络基础平台是通信系统的关键之一.通信网络基础平台是连接水电站内各种智能电子设备(IED)的纽带，所以它必须能支持各种通信接口，满足通信网络标准化[1-4].

IEC61850标准将水电站划分为站控层、间隔层和过程层.与传统水电站相比，最突出的变化是在过程层引入网络技术[5].数字化水电站在过程层引入了网络和光纤通信技术，实现了水电站信息数字化传输和共享，简化二次采样回路，应用了面向事件对象的GOOSE服务，简化了水电站联闭锁、设备操作、保护跳闸等回路[6-7].

数字化水电站中数字采样和传输对水电站过程层网络有很高的要求，过程层的组网方式、通信的协议、网络的监控措施、网络交换机的技术性能、光纤的性能影响到整个水电站的安全运行.光纤以太网技术是目前主流的通信技术，具有极佳的经济性.本文以光纤以太网作为恩施州车坝水电站综合自动化系统的网络改造方案，文中重点对过程层网络拓扑结构进行了分析与探讨.

1 恩施州车坝水电站综合自动化系统网络结构

恩施州车坝水电站综合自动化系统(梯调计算机监控系统)采用全开放全分布式控制系统，以保证工作的可靠性和可扩性.网络结构采用快速交换式以太网，连接介质采用光纤电缆，通讯协议采用TCP/IP.目前车坝水电站综合自动化系统(梯调计算机监控系统)在各站节点上完成了LCU的采集与控制、闸门监测与控制、水位测量等功能，同时各站节点将实时数据传送到梯调网络上，在梯调中心实现了信息的综合集成与远程控制、采用101规约上送数据、WEB发布等功能.车坝水电站综合自动化系统网络结构如图1所示.

图1 车坝水电站综合自动化系统网络结构

2 恩施州车坝水电站综合自动化系统通信网络拓扑结构分析

对于恩施州车坝水电站来说，综合自动化系统采用低速串口通信方式，虽然引入了以太网技术，但由于通讯规约的不统一，设备之间互操作性差，需要专门的协议转换器来对设备进行接入，造成数据的传输延迟.对车坝水电站综合自动化系统通讯网络基础平台进行数字化改造有利于提高设备运行可靠性、保障安全生产、提高经济效益；有利于提高水电站自动化运行水平、降低员工劳动强度、提高工作效率.

在数字化水电站中不同的通信网络拓扑结构对水电站综自系统的安全性和可靠性有着不同的影响，已有很多文章对此做了详细的调查研究，其结果表明，在基于以太网交换机的单环网的拓扑结构下，当网络发生故障时，基于以太网交换机的单环网的网络配置时间通常很短，不超过100 ms，对于间隔层的自动化功能而言可以接受，因而基于以太网交换机的单环网方案是一个经济且具有一定可靠性的通信冗余方案.

3 恩施州车坝水电站综合自动化系统通信网络拓扑结构设计

恩施州车坝水电站综合自动化系统通讯网络基础平台进行数字化改造采用星型结构进行设计.目前常用的网络拓扑结构有星型网络和环型网络结构，从两种结构的优缺点可以看出星型拓扑结构在运行维护、传输时间及可靠性等多方面优于环型拓扑结构，更可以免去网络管理这部分软硬件乃至人员维护方面的成本，故宜采用星型拓扑结构建水电站的过程层网络.

3．1 星型结构

星型拓扑结构也称“集中式拓扑结构”，是因交换机连接的各连接节点呈星状分布而得名.因为在这种结构的网络中有中央节点(公共交换机)，其他节点(接二次设备的交换机)都与中央节点直接相连，这种结构以中央节点为中心，因此它又称之为集中式网络.交换机星型网络如图2所示.

图2 交换机星型网络

星型结构的优缺点主要体现在：①优点：网络简单，易于布线；扩展容易；便于维护，任何一台间隔交换机故障，都可以方便隔离，不影响其他间隔；公用交换机故障，仅影响公用智能电子设备，不影响间隔智能电子设备；传输速度快，从任一设备到另一设备至多经过三台交换机；报文延时固定；从结构上没有广播风暴的风险.②缺点：公共交换机负担较大，检修时将影响公用智能电子设备；交换机数量较多，成本一般相对较高，但间隔交换机所需要端口最少，而端口数量影响交换机价格，整个网络成本应结合工程具体分析.

3．2 具体配置方案

恩施州车坝水力发电公司管辖车坝河流域一、二、三级和马鞍槽四个梯级发电站.共10台(套)发电机组，总装机容量19.6 MW.110 kV坝车线出线一回，35 kV车月线出线一回，10 kV库区线出线一回，10 kV大坝线出线一回.所有电量在车坝三级水电站汇集，升压成110 kV电压等级之后，通过110 kV坝车线在220 kV的龙凤坝变电站接入电力系统.在四个站分别配置罗杰康(RSG2100)工业以太网交换机，组成独立子网，各独立子网通过点对点光纤通讯线路连接到位于三级电站的梯凋中心的公共交换机上，此公共交换机采用罗杰康(RSG2100)工业以太网交换机.各电站的站控层之间、站控层与间隔层之间的信息交换选用100 M的光纤交换以太网作为通讯网络.间隔层设备之间、间隔层设备和过程层设备之间的通讯采用100 M的光纤交换以太网作为通讯网络.

对于220 kV及以上电压等级的数字化水电站自动化系统可采用双网结构，110 kV及以上电压等级的数字化水电站自动化系统宜采用双网结构，但也可以采用单网结构，站控层与过程层宜分别独立组网，间隔层与站控层共用同一网络，且通讯网络为100M或1 000 M的以太网.由于车坝水电站的电压等级为110 kV及以下，所以在设计综自系统网络通讯平台的时候，采用单网结构，而不再考虑其通信网络的双重化.

4 结束语

在恩施州车坝水电站综合自动化系统通信网络设计时，采用以光纤太网作为数字化水电站综合自动化系统的网络通信平台，并采用单网结构，不做冗余配置要求.采用IEC61850标准的数字化水电站综合自动化系统以太网通信平台是实现过程层总线解决方案的有效途径，过程层通信网络的实时性和可靠性对数字化水电站继电保护功能具有直接的影响，但IEC61850对通信冗余的描述并不完善.通过对过程层网络拓扑结构的分析研究，不难发现星型拓扑结构在运行维护、传输时间及可靠性等多方面优于环型拓扑结构，更可以免去网络管理这部分软硬件乃至人员维护方面的成本.对IEC61850在水电站综合自动化系统中的应用研究有一定的参考价值.

参考文献:

[1]杨奇逊.变电站综合自动化自动化技术发展趋势[J].电力系统自动化,1995,19(10):1-4.

[2]任雁铭,秦立军,杨奇逊.IEC61850通信协议体系介绍和分析[J].电力系统自动化,2000,24(8):62-64.

[3]孙军平,盛万兴,王孙安.新一代变电站自动化网络通信系统研究[J].中国电机工程学报,2003,23(3):10-12.

[4]孙永发,钟建伟,雷辉.山区农村小型水电站机组飞车保护的研究[J].湖北民族学院学报:自然科学版,2002,20(3):41-42.

[5]茹锋,夏成军,许扬.IEC61850标准在变电站自动化系统中的应用探讨[J].江苏电机工程,2003,23(3):8-12.

[6]Anderson L,Brunner C.Substation automation based on IEC 61850 with new process-close technology[C]//IEEE PowerTech Conference,Bologna,Italy,2003:36-42.