吕 航 杨 贵 胡绍谦
智能变电站网络传输可靠性评价方法
吕 航 杨 贵 胡绍谦
（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）
目前，智能变电站过程层网络化进程在不断推进，但智能站过程层网络传输可靠性尚无量化评估方法。为了提高智能站组网的规范性和可靠性，迫切需要针对智能站过程层网络提出一套完善的可靠性评价方法。可靠性评价方法包含多个关键评判指标，基于各评判指标对网络可靠性影响程度赋予不同权重值，实现对各种组网架构下的网络数据传输安全可靠性进行客观评价，考虑各电压等级技术经济因素，实现网络方案的最优选择。
智能变电站；
过程层网络；
传输可靠性；
关键指标；
评价方法
智能变电站采用过程层网络替代常规电缆回路，支撑保护控制设备完成采样跳闸及联锁等功能，所以过程层网络的可靠性直接影响保护控制设备运行可靠性[1-5]。智能变电站过程层网络影响因素众多，如网络负载率、数据传输路径、网络异常类型等。目前，针对智能站过程层网络方案，尚无易操作的可靠性评价标准量化评估方法，一般仅通过定性分析评估某种网络架构的特点，无法客观、精确地进行定量分析，不利于提高智能站组网的规范性和可靠性，迫切需要针对智能站过程层网络提出一套完善可行的可靠性评价方法。
鉴于此，本文提出一种智能站网络传输安全可靠性评价方法，从网络负载、传输路径、网络异常影响等方面实现对组网方案的定量评价，为智能站网络方案的合理制定提供依据。
1.1 过程层网络架构
智能变电站二次设备主要的过程层信息包括采样、跳闸信息，设备间配合信号、告警信号及联闭锁信号等。目前，二次设备采样跳闸方式主要有直采直跳、直采网跳、网采网跳等，网络架构主要有采样值（sample value, SV）与面向通用对象的变电站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）分网、SV与GOOSE共网、SV、GOOSE、制造报文规范（manufacturing message services, MMS）三网合一等，网络配置方案有星形单网、星形双网、环网、并行冗余协议（parallel redundancy protocol, PRP）、高可用无缝环网协议（high- availability seamless redundancy, HSR）等。
目前，国网和南网均通过规范的方式规定了组网要求。根据Q/GDW 441《智能变电站继电保护技术规范》，“继电保护设备与本间隔智能终端之间通信应采用GOOSE点对点通信方式；
继电保护之间的联闭锁信息、失灵启动等信息宜采用GOOSE网络传输方式”。事实上，这个网络也传输SV数据，供测控及故障录波器、网络分析仪等设备使用，因此目前国网智能站配置GOOSE、SV共网单网。
根据Q/CSG 1203005《南方电网电力二次装备技术导则》，“应优先采用常规互感器，并通过二次电缆直接接入装置实现采样”，“110kV及以上电压等级保护设备采用SV网络采样或GOOSE网络跳闸时，应采用双网冗余方式”，“过程层宜按GOOSE、SV网合一配置”。因此，目前南网智能站保护采用常规电缆采样、GOOSE跳闸方式，为提高跳闸可靠性，配置冗余双网。
PRP和HSR是实现网络冗余的两种新型协议，其中，PRP技术采用完全独立的双套网络实现报文热备份，HSR技术实现了真正意义上的环网无缝切换[6-7]。
1.2 网络运行风险分析
过程层采用网采网跳方式简化了网络结构，但带来了保护依赖外部时钟实现采样同步的问题，目前基于传输延时测量的网络采样同步方案已经较好地解决了这一问题[8-9]，并得到了业内认可。
选择采用SV、GOOSE报文共网传输方案，可显著减少交换机数量，但每路SV报文之间、每路GOOSE报文之间、每路SV和每路GOOSE之间的相互干扰问题，使异常报文链路会挤占正常报文的带宽。虚拟局域网（virtual local area network, VLAN）技术、静态组播技术和GARP组播注册协议（GARP multicast registration protocol, GMRP）技术可以实现数据转发控制，但是均无法有效地解决GOOSE、SV报文间的干扰问题。基于组播地址的流控技术通过限制每路SV、GOOSE 报文在交换机上的最大流量可以很好地解决报文间的干扰问题[10-12]。
为提高过程层网络运行可靠性，GB/T 32901《智能变电站继电保护通用技术条件》要求“双重化配置保护的过程层网络应遵循相互独立的原则，当一个网络异常或退出时不应影响另一个网络的运行”。但在智能变电站某些应用场景下，因单套配置的设备需要从双套配置的设备获取数据，确实存在需要进行跨网数据交换的需求，如备自投装置接收冗余配置主变保护的闭锁备投信号、110kV电压等级母联（或分段）智能终端接收冗余配置的主变保护跳闸信号。为方便地实现跨网数据交换，同时保证双重化配置保护的过程层网络相互独立，可在跨网链路中采用基于组播地址的流控技术，限制异常报文的跨网影响[10]。
智能站过程层可靠性评价由各个关键评判指标构成，对于不同的评判指标给出具体的影响范围或权重值[13-14]，例如网络风暴或雪崩、单一设备异常等各种情况的影响范围，能够实现对各种组网架构下的网络数据传输安全可靠性进行客观评价，评价指标只与组网方式的外特性相关，而与具体组网模式无关。
基于智能变电站网络架构、数据传输可靠性要求及网络运行风险分析，结合保护控制设备的业务需求，设置网络可靠性评价指标。
2.1 网络可靠性评价方法
评价结果满分为100分，基本项体现了系统正常运行情况下网络的基本特性，对于基本特性较差的设计，直接扣除惩罚分数得到基本分；
关键项主要包含典型网络异常情况下的数据传输特性，体现了保护控制设备对异常情况下数据传输可靠性的要求，在基本分基础上乘以各关键项系数，对于异常场景传输特性较差的设计，关键项系数较低，显著拉低总的评价分数。评价分数计算公式为
式中：为评价分；
D为基本项扣分；
K为关键项系数；
为基本项数目；
为关键项数目。
下面详细分析基本项及关键项设置的依据。
1）基本项主要包括网络平均负载率及最长数据传输路径。基本项评分原则见表1。
（1）网络平均负载率
网络平均负载率主要反映了系统正常运行情况下的网络基础流量，体现了网络设计中的安全裕度。电力系统出现复杂故障的情况下，保护控制设备突发报文激增，若网络平均负载率过高，则短时间内出现的雪崩报文可能超过交换机的转发能力，造成报文传输延时增加，甚至可能导致报文丢失。从另一个角度看，网络平均负载率过低说明网络的利用率偏低，网络设计的经济性偏差。本文的评价技术只评估方案的技术特性：
表1 基本项评分原则
①网络平均负载率＜40%，网络安全裕度大，不扣分。
②网络平均负载率在[40%, 60%]，网络安全裕度偏小，扣10分。
③网络平均负载率＞60%，网络安全裕度小，扣30分。
（2）最长数据传输路径
最长数据传输路径体现了网络设计中数据转发环节的数量，数据转发环节过多将造成数据转发延时增加，降低数据传输的可靠性。为了缩短数据传输路径，可能导致二次设备网络端口数量增加，网络结构复杂，也会降低设计的经济性。本文的评价技术只评估方案的技术特性：
①最长数据传输路径＜4，数据传输路径短，数据传输延时小，可靠性高，不扣分。
②最长数据传输路径在[4, 6]，数据传输路径偏长，数据传输延时偏大，可靠性偏低，扣10分。
③最长数据传输路径＞6，数据传输路径长，数据传输延时大，可靠性低，扣30分。
2）关键项主要包括几种异常情况下的数据传输特性。关键项评分原则见表2。
（1）满带宽风暴或雪崩异常报文对其他链路数据传输的影响
出现网络风暴或雪崩异常情况下，需要特别关注数据传输是否受到影响，进而影响保护控制设备的正常运行，需要设计合理的网络结构，或应用相关的网络技术提高网络异常情况下网络数据传输的可靠性。
表2 关键项评分原则
①完全不受影响，如前所述，采用基于组播流量控制等相关技术，可以从机制上保证同一物理链路中不同数据链路间互不影响，所以可以保证满带宽异常报文情况下其他链路数据传输不受影响，关键项系数设置为1。
②部分影响，满带宽异常报文情况下其他链路数据传输部分受到影响，可能影响系统中的部分保护控制设备的功能，关键项系数设置为0.5，评价分大幅降低。
③数据传输完全中断，导致系统中保护控制设备依赖网络数据传输的相关功能完全丧失，关键项系数设置为0.1，评价分将非常低。
（2）通信环节-1故障对相关数据传输的影响
当通信环节出现-1故障时，如单一光纤断链、单一交换机损坏等，这种情况下，主要考察网络设计是否考虑冗余设计，以提高网络设备故障情况下数据传输的可靠性。
①数据传输正常，当采用冗余网络结构设计方案时，可以保证通信环节出现-1故障的情况下，数据传输完全不受影响，保证保护控制设备的可靠运行，关键项系数设置为1。
②数据传输中断，当通信环节出现-1故障时，如果相关链路的数据传输中断，可能影响相关保护控制设备部分依赖网络数据的功能，关键项系数设置为0.5，评价分大幅降低。
（3）单一设备异常是否可能导致双套配置网络同时异常
单一设备异常的情况下，若网络结构不合理，如某设备直接跨接在双重化保护控制设备对应的两套网络上，一旦该设备因硬件缺陷或软件运行异常导致大量异常报文注入两套网络，可能会造成双套配置的网络同时异常，给全站的运行带来巨大安全隐患。
①不会，网络结构设计合理，能从机制上避免单一设备异常导致双套网络异常，关键项系数设置为1。
②有可能，网络结构不合理，存在单一设备异常导致双套网络异常的风险，关键项系数设置为0.5，评价分大幅降低。
2.2 评价方法应用示例
下面以几种网络设计方案为例，说明网络可靠性评价方法的具体应用。
1）示例1：环网、无流控、单套设备跨双网示例1的网络方案评分见表3。
表3 示例1网络方案评分
由表3可得，示例1方案的可靠性评价得分为(100-10-20)×0.1×1×0.5=3.5，表明该方案可靠性很低。
2）示例2：星形单网、无流控、单套设备跨双网示例2的网络方案评分见表4。
表4 示例2网络方案评分
由表4可得，示例2方案的可靠性评价得分为(100-10)×0.5×0.5×0.5=11.25，表明该方案可靠性 很低。
3）示例3：星形双网+HSR（间隔内）、有流控、双套网络间有流控
示例3的网络方案评分见表5。
表5 示例3网络方案评分
由表5可得，示例3方案的可靠性评价得分为(100-10-10)×1×1×1=80，表明该方案可靠性高。
4）示例4：星形双网、有流控、双套网络间有流控
示例4的网络方案评分见表6。
表6 示例4网络方案评分
由表6可得，示例4方案的可靠性评价得分为(100-10)×1×1×1=90，表明该方案可靠性很高。
目前，国网、南网新一代智能变电站基本都采用示例4的网络方案，方案具有很高的可靠性。
国网自主可控新一代变电站要求过程层GOOSE网络共用站控层星形双网，“应采取流量和风暴抑制等技术，降低异常报文对网络的影响”，“每个端口的广播和组播报文的流量限制门槛为2Mbit/s”，并需要配置“部署在变电站站控层网络上专门用来网络隔离的交换机”。
南网18版智能变电站要求“应采用星型网络结构”，“应为每套保护、测控冗余配置双网”，“交换机应支持组播流量控制功能，根据组播MAC（media access control）地址自动识别不同的组播组并按设定的阈值进行流量控制，避免异常组播对变电站网络产生有害影响”，“任一套装置不应跨接双重化配置的两个过程层网络；
备自投装置与其他设备交互数据时，均采用点对点方式实现”。
基于对智能变电站主流网络架构、数据传输可靠性要求及各种网络异常条件下报文传输性能量化指标等的详细分析，结合保护控制设备的业务需求，本文提出了网络可靠性评价指标，其中基本项体现了系统正常运行情况下网络的基本特性，对于基本特性较差的设计，直接扣除惩罚分数得到基本分；
关键项主要包含典型网络异常情况下的数据传输特性，体现了保护控制设备对异常情况下的数据传输可靠性的要求，在基本分基础上乘以各关键项系数，对于异常场景传输特性较差的设计，关键项系数较低，显著拉低总的评价分数。
网络方案的可靠性与经济性往往是一对矛盾，可靠性很高的方案可能需要配置更多的设备，导致方案的经济性下降。本文的评价方法仅针对网络方案的可靠性，未计及方案的经济性。实际网络设计中，应根据应用场景的可靠性需求，综合考虑技术及经济因素。
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Evaluation method of network transmission reliability in smart substation
LÜ Hang YANG Gui HU Shaoqian
(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)
At present, the process layer networking process of smart substation is constantly advancing, but there is no quantitative method to evaluate the transmission reliability of the process layer network of smart station. In order to improve the standardization and reliability of smart station networking, it is urgent to put forward a complete set of reliability evaluation methods for the process layer network. The reliability evaluation method includes several key evaluation indicators. Based on each evaluation indicator, different weight values are assigned to the influence degree of network reliability to objectively evaluate the security and reliability of network data transmission under various networking architectures. It is necessary to consider the technical and economic factors of each voltage level to realize the optimal selection of network scheme.
smart substation; process layer network; transmission reliability; key indicator; evaluation method
2022-11-01
2022-11-16
吕 航（1971—），男，江苏金坛人，硕士，研究员级高级工程师，主要研究方向为电力系统继电保护、智能变电站。
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