變電站通信網(wǎng)絡的優(yōu)化設計

摘 要：我國能源需求的提升以及科學技術(shù)的進步，對變電站的通信網(wǎng)絡提出了更高地要求。介紹變電站通信網(wǎng)絡所采用的主要協(xié)議和設備，論述變電站通信網(wǎng)絡的構(gòu)建，提出簡化網(wǎng)絡方面的建議，希望起到一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：通信網(wǎng)絡 變電站 設計 簡化

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）011-121-02

隨著我國經(jīng)濟技術(shù)的高速發(fā)展，極大的促進了我國控制技術(shù)、通信技術(shù)和現(xiàn)代信息技術(shù)的提高，并推動變電站通信網(wǎng)絡實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標，使我國電力工業(yè)能夠適應社會對于能源多樣化需求。變電站通信網(wǎng)絡的構(gòu)建和完善，將提升電網(wǎng)系統(tǒng)的維護簡便性、經(jīng)濟性和可靠性，促進電力系統(tǒng)的市場化進程。顯然，未來的電網(wǎng)是智能、完整的電力系統(tǒng)，實現(xiàn)交互、靈活、經(jīng)濟和安全的變電站通信網(wǎng)絡，有利于電網(wǎng)穩(wěn)定性和安全性的提升。

1 變電站通信網(wǎng)絡的性能指標

變電站要實現(xiàn)自動化系統(tǒng)，就一定要將通信網(wǎng)絡作為載體，以完成不同系統(tǒng)之間的信息交換。對于變電站通信網(wǎng)絡而言，一定要擁有足夠的速率來進行故障錄波數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)和電量數(shù)據(jù)的傳輸。變電站通信網(wǎng)絡的優(yōu)化設計一定要考慮無擾恢復和冗余性能等指標。筆者將通信網(wǎng)絡的性能指標總結(jié)為以下幾個點：電磁兼容性、可靠性、實時性和分層結(jié)構(gòu)。

2 變電站通信網(wǎng)絡所使用的協(xié)議標準及設備

2.1 協(xié)議標準

變電站通信網(wǎng)絡應當采用IEC61850，為構(gòu)建和完善數(shù)字變電站通信網(wǎng)絡奠定良好的技術(shù)條件和理論基礎(chǔ)。就IEC61850標準來說，通過數(shù)據(jù)對象和邏輯節(jié)點的定義，實現(xiàn)面向?qū)ο蟮姆?。協(xié)議標準的核心可簡化為具體映射、抽象服務和信息建模。IEC61850協(xié)議的特點有：較高的互操作性；面向應用和面向服務的信息建模；采用SCSI和ACSI接口完成信息的傳輸；分層體系。

2.2 主要設備

當前應用范圍較廣的是無源和有源兩大類電子式互感器。對于有源互感器來說，采取的是電容或者電感分壓技術(shù)；而無源互感器主要采取的是逆壓電效應或者普克爾效應。

電子式互感器擁有眾多的優(yōu)點，其中以簡單的絕緣結(jié)構(gòu)、杜絕二次開路危險、較高的測量精度、較大的動態(tài)范圍、極強的抗電磁干擾能力以及無電磁飽和為代表。有源互感器有著較好的穩(wěn)定性、可靠且簡單，西方國家多將其運用于運營中的變電站的通信網(wǎng)絡。雖然無源互感器尚處于研發(fā)改進環(huán)節(jié)，但其在超高壓系統(tǒng)中擁有先天的優(yōu)勢。

電子式互感器的接口設備在變電站通信網(wǎng)絡中實現(xiàn)了多路同步采集電子式互感器輸出的信號，并基于相關(guān)標準的規(guī)定，按照特定的格式傳輸至二次設備。連接方式基于IEC61850標準點對點多路單向串行連接。

另外，還采用了智能斷路器技術(shù)，該技術(shù)基于新型傳感器、計算機技術(shù)和微電子技術(shù)，實現(xiàn)智能化操作?？梢詫嗦菲鬟\動特性進行自動調(diào)整，具有斷路器同步分斷及選向合閘、分合閘相角控制、智能重合閘等功能，在此基礎(chǔ)上，還能夠完成在線監(jiān)測斷路器狀態(tài)。

2.3 變電站網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

對于變電站而言，融入以太網(wǎng)技術(shù)的最大障礙時通信非確定性的特性，不過以太網(wǎng)技術(shù)在經(jīng)過多年的改進后，已相對較為完善，變電站通信網(wǎng)絡已具備采取嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)的條件。在有效控制網(wǎng)絡負荷的條件下，變電站通信網(wǎng)絡采取相對成熟和低廉的以太網(wǎng)是能夠符合其實時通信的高標準要求的。西方國家的應用案例也充分對其進行了證明。

2.3.1 變電站通信網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)方案

基于變電站自動化系統(tǒng)需要實現(xiàn)的繼電保護、監(jiān)視和控制功能，以及IEC61850標準，從物理和邏輯上把系統(tǒng)劃分為下列幾個層次，也就是過程層、間隔層和變電站層。由站級網(wǎng)絡以及過程層網(wǎng)絡（總線）實現(xiàn)通信連接。變電站模型詳見圖1。

站級網(wǎng)絡實現(xiàn)變電站間隔層設備以及站層設備間的通信，并基于調(diào)度和遠動裝置完成信息的雙向交換功能。變電站的過程層和間隔層共同完成老式變電站所實現(xiàn)的功能。過程層網(wǎng)絡實現(xiàn)互感器、斷路器等一次設備和間隔層設備間的通信。

（1）站級網(wǎng)絡。

因為變電站層與間隔層之間以及間隔層設備間需要實時狀態(tài)信息、電流值和電壓等信號的共享，同時由于有著較多的間隔層IED數(shù)量，為確保通信性能，因而采用雙光纖100兆交換式以太網(wǎng)來構(gòu)建站級網(wǎng)絡。

采用TCP/IP協(xié)議來實現(xiàn)間隔層相關(guān)IED的數(shù)據(jù)收發(fā)功能，應用層協(xié)議采用MMS制造報文規(guī)范，以實現(xiàn)和變電站控制系統(tǒng)之間的雙向通信，該映射模式采用ISO/IEC802.3+TCP/IP+MMS。

變電站站級網(wǎng)絡的構(gòu)建必須要對站層數(shù)據(jù)流量進行分析。為使數(shù)據(jù)交換量得到有效控制，使網(wǎng)絡負擔得到大幅度降低，建議采用數(shù)個網(wǎng)段。也就是把需快速及大量數(shù)據(jù)交換的IED置于相同網(wǎng)段內(nèi)，最大限度降低數(shù)據(jù)沖突的幾率，進而使相應網(wǎng)段的利用效率得到提升。進行網(wǎng)絡分段的過程中，一定要綜合考慮電壓等級和相關(guān)因素。不可避免的是，網(wǎng)段劃分數(shù)量的提升會增加相關(guān)網(wǎng)絡設備數(shù)量，并增加網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的負責程度。

（2）過程層網(wǎng)絡。

由于過程層傳送至間隔層的數(shù)據(jù)包括GOOSE報文分合閘命令以及SAV報文采樣測量值等，有著較多的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)對于實時性要求較高，為了杜絕通道擁塞情況的出現(xiàn)，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)為串行通信以太網(wǎng)交換式網(wǎng)絡。

GOOSE報文及SAV報文的傳輸映射基于PDU協(xié)議數(shù)據(jù)單元，并通過ASN.1完成編碼后，映射至物理層及數(shù)據(jù)鏈路層。采用該映射方式的目的是降低通信堆棧導致的傳輸時延，使傳輸報文的實時性得到提升。

在綜合考慮過程層數(shù)據(jù)交換的要求和特點后，將組網(wǎng)原則歸納如下：

電氣間隔原則。對實時要求、可靠性和重要性有著高要求的電氣間隔，比如母設和母聯(lián)、超高壓線路的間隔必須基于電氣間隔來完成組網(wǎng)。需要獨立的兩套設備及雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)來進行雙重保護間隔的配置。

面向功能原則。對主變差動及母線保護同時需要采取數(shù)個間隔交流量的設備。例如，需要配置一臺交換機來進行母線保護，采用級聯(lián)的形式來完成組網(wǎng)，對相關(guān)間隔的交流電氣量進行收集。該模式務必要確保相關(guān)通信接口和母線保護設備的同時性及高效性。

網(wǎng)絡簡化性原則。滿足變電站通信的可靠性和實時性的基礎(chǔ)上，應當使網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)得到簡化。不足35KV電壓等級的相關(guān)間隔應當按照母線位置進行網(wǎng)段的設置，可設置1-2個的網(wǎng)段，處于該網(wǎng)段的IED可基于交換機來完成信息交換。

2.3.2 簡化變電站的通信網(wǎng)絡

前文提到的變電站通信網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，基于了當前網(wǎng)絡技術(shù)、信息技術(shù)和變電站自動化技術(shù)，雖然該方案具備較高的可靠性，然而卻有著較大的投資，復雜的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

因為網(wǎng)絡負荷是導致以太網(wǎng)通信實時性指標降低的關(guān)鍵原因。難以預計的網(wǎng)絡負荷是在故障時產(chǎn)生的突發(fā)性數(shù)據(jù)，并且極有可能導致網(wǎng)絡擁塞，因此決定網(wǎng)絡性能指標的關(guān)鍵因素是傳輸可靠性。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)化和完善，將極大的提升實時處理數(shù)據(jù)效率和網(wǎng)絡速度。

所以，變電站通信網(wǎng)絡一定要能夠基于技術(shù)的發(fā)展來對網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)予以簡化。可以把站層網(wǎng)絡設置成1個網(wǎng)段，并把站級網(wǎng)絡與過程層網(wǎng)絡設置成同一網(wǎng)絡，如此便使IED以太網(wǎng)口和交換機數(shù)量極大的降低，并大幅度的提升變電站通信網(wǎng)絡的可靠性。

3 結(jié)語

高效、可靠的通信網(wǎng)絡是變電站的重要組成，優(yōu)化和完善通信網(wǎng)絡能夠極大的提升變電站的經(jīng)濟性、安全性和可靠性。因為智能斷路器、電子式互感器以及網(wǎng)絡技術(shù)限制著變電站網(wǎng)絡的發(fā)展，所以在設計變電站通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)時，不但要考慮網(wǎng)絡信息傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性要求，還要對網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)進行簡化，避免投資的浪費。

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