智能變電站數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

董旭洲

【摘要】 隨著社會和經(jīng)濟的不斷發(fā)展，全球?qū)﹄娏Φ囊笤絹碓礁?，并且隨著資源的不斷消耗，傳統(tǒng)電力模式下的資源也在逐漸減少。在這種背景下，有研究人員提出了智能電網(wǎng)的理念，主要的作用是作為電網(wǎng)中的能量傳遞途徑。本文對智能變電站的數(shù)據(jù)通信進行分析，根據(jù)以太網(wǎng)、總線技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)時鐘同步技術(shù)對智能變電站的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，提高了通信的穩(wěn)定性和可靠性，并對智能變電站的通信安全進行了研究。

【關(guān)鍵詞】 智能變電站 數(shù)據(jù)通信 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 設(shè)計

引言

隨著我國社會和經(jīng)濟水平的不斷提高，在供電質(zhì)量方面的要求也越來越高。在資源大量消耗的現(xiàn)狀下，如何通過可再生資源，更好的為社會提供穩(wěn)定、安全、可靠的電力，是目前我國電力行業(yè)的核心目標(biāo)。隨著我國的電力行業(yè)的不斷發(fā)展，同時也面臨著大量的機遇和挑戰(zhàn)。大容量的發(fā)電廠往往和負荷中心的距離較遠，需要進行遠距離的高壓輸送，提高了出現(xiàn)故障的幾率，從而導(dǎo)致大規(guī)模停電的產(chǎn)生。全球發(fā)生的多例大規(guī)模停電事件也讓人們開始關(guān)注電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展下，通信技術(shù)、計算機技術(shù)等逐漸也開始應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，提出了智能電網(wǎng)理念，可以有效保證電力輸送的穩(wěn)定性和安全性，更好的為社會服務(wù)。

一、智能變電站結(jié)構(gòu)

1.1智能變電站和智能電網(wǎng)

智能變電站和智能電網(wǎng)之間有著密不可分的聯(lián)系，可以說智能電網(wǎng)中包括了智能變電站。智能變電站的設(shè)計是建立在智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)之上的，智能變電站的存在保證了智能電網(wǎng)的數(shù)字化、智能化、互動化等多項特點，是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的重要保證，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

第一，支撐智能電網(wǎng)。智能變電站有著統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和信息模型，可以保證智能電子設(shè)備的互動性，為智能電網(wǎng)的信息化奠定基礎(chǔ)。智能變電站要建立在數(shù)字化的前提下，有著性能優(yōu)良、抗干擾能力強的特點，并具備自我檢測和診斷的能力。通過以太網(wǎng)交換技術(shù)，能夠確保智能電網(wǎng)的精確度，使數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確、快速的傳輸，為智能電網(wǎng)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過穩(wěn)定智能變電站中的電子設(shè)備完成動態(tài)數(shù)據(jù)、穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和暫態(tài)數(shù)據(jù)的采集與處理工作，提高智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理能力。第二，加強全網(wǎng)聯(lián)接。變電站是智能電網(wǎng)能量傳遞的重要樞紐，因此智能變電站的存在能保證電網(wǎng)中各個節(jié)點的有效連接。當(dāng)智能電網(wǎng)中發(fā)生事故時，可以進行有效的控制，并提高電網(wǎng)的事故預(yù)防能力，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性[1]。第三，高電壓等級的智能變電站能夠滿足智能電網(wǎng)中對高壓輸電網(wǎng)架的要求。根據(jù)我國的實際情況，智能電網(wǎng)中的主要輸電網(wǎng)架都是高壓線路，必須要通過高電壓等級的智能變電站進行調(diào)節(jié)，能夠解決高電壓線路中大容量點電能傳輸所存在的問題，保證我國高壓輸電網(wǎng)架的穩(wěn)定，促進我國電力建設(shè)的完善。第四，通過中低壓智能變電站，可以同時支持風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電等清潔分布式電源的接入，為智能電網(wǎng)提供了中間歇性電源“即插即用”的功能。第五，為智能電網(wǎng)的實時監(jiān)督提供了保障。在智能變電站中，通過大量先進電子設(shè)備的應(yīng)用，可以獲取到電網(wǎng)中的運行數(shù)據(jù)，對設(shè)備的維護檢修提供基礎(chǔ)，提高了系統(tǒng)的實用性。

1.2智能變電站與數(shù)字變電站

數(shù)字變電站是確保智能變電站實現(xiàn)的基礎(chǔ)，相比之下，數(shù)字變電站更注重過程，而智能變電站更注重結(jié)果。和數(shù)字變電站有所區(qū)別，智能變電站強調(diào)的是物理集成和邏輯集成。強調(diào)了智能設(shè)備在智能變電站中的應(yīng)用，不僅可以負責(zé)傳統(tǒng)設(shè)備的測量、控制以及監(jiān)測等各項功能，還可以進行相應(yīng)的計量和保護等。智能設(shè)備是由一次設(shè)備和智能組件之間的組合，有著測量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化等特征。而邏輯集成指的是智能變電站注重邏輯集成，通過對系統(tǒng)的虛擬裝置，可以根據(jù)實際情況，選擇對智能變電站的區(qū)域性或總體性的協(xié)調(diào)，支持在線決策、協(xié)同互動等多種應(yīng)用。智能變電站和數(shù)字變電站的區(qū)別可以分為兩個方面：

第一，出發(fā)點不同。數(shù)字化變電站的目的是滿足變電站的自身需求，通過建立統(tǒng)一的信息通信平臺，在變電站內(nèi)部實現(xiàn)一次、二次設(shè)備的通信，注重的是變電站內(nèi)部的設(shè)備和相互之間的聯(lián)系。而智能變電站是建立在整體電網(wǎng)的要求上，建立全網(wǎng)統(tǒng)一的信息通信平臺，更加注重電網(wǎng)中各個智能變電站之間的聯(lián)系，以及變電站和控制中心之間的通信，提高電網(wǎng)中的通信水平。另一方面，智能電網(wǎng)中還可以支持風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電等多種清潔分布式電源，滿足“即插即用”的要求。

第二，設(shè)備集成化程度不同。數(shù)字變電站具備一定的設(shè)備集成和功能優(yōu)化，在以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，將一次、二次設(shè)備之間相融合，符合了智能電子裝置的標(biāo)準(zhǔn)。和數(shù)字變電站相比，智能變電站的設(shè)備集成化程度更高，智能設(shè)備體現(xiàn)的更加全面，促進了一次、二次設(shè)備的一體化進程[2]。

二、智能變電站數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)性能要求

通信網(wǎng)絡(luò)是變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)部和其他系統(tǒng)之間進行交流的重要途徑，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)是否穩(wěn)定、高效、實時是判斷系統(tǒng)信息化、自動化的重要標(biāo)準(zhǔn)。在智能變電站中，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)是各種設(shè)備與系統(tǒng)之間的信息傳輸紐帶，要滿足相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，建立統(tǒng)一的通信接口。隨著變電站自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，需要進行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)越來越多，對數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的要求也在不斷提高。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)必須能夠應(yīng)對目前大量的電量數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)以及故障數(shù)據(jù)等。另一方面，目前對數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的實時性和穩(wěn)定性要求非常高，因此在對數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計時，要考慮到網(wǎng)絡(luò)的冗余性能和無擾恢復(fù)能力。從總體來說，對智能變電站通信要求的性能要求可以分為以下四方面：

第一，分層結(jié)構(gòu)。智能變電站的分層結(jié)構(gòu)是由分層架構(gòu)決定的，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的分層是確保智能變電站分層架構(gòu)的前提，根據(jù)對智能變電站的不同需求，要選擇相對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和結(jié)構(gòu)。

第二。實時性。在智能變電站中，需要對大量的實時運行信息和操作控制信息進行處理，這些信息往往都具備一定的實時性，所以在建立數(shù)據(jù)通信平臺時要注重數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

第三，可靠性。電力系統(tǒng)有著連續(xù)運行的特點，這就意味著智能變電站的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)也要一直處在運行狀態(tài)，一旦數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)出現(xiàn)運行故障，會對智能變電站的整體運行產(chǎn)生影響，造成巨大的經(jīng)濟損失，甚至傷及人們的人身安全。因此，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的可靠性是在設(shè)計時要考慮的重要因素。

第四，電磁兼容性。變電站在日常的運營中會受到多方面因素的影響，例如電源、雷擊、跳閘等，使得通信系統(tǒng)常常要在強磁干擾的環(huán)境下工作，因此對網(wǎng)絡(luò)的電磁兼容性有著一定的要求，要避免強磁干擾而產(chǎn)生的通信障礙。

三、智能變電站數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)體系

3.1智能變電站結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)我國電網(wǎng)公司對智能電網(wǎng)出臺的相關(guān)規(guī)定，在建立智能變電站時，要包括過程層、間隔層和站控層。在過程中包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)等一次設(shè)備；在間隔層中包括繼電保護裝置、系統(tǒng)測控裝置等二次設(shè)備以及一些控制器和傳感器通信系統(tǒng)；站控層中包括各種自動化監(jiān)視控制系統(tǒng)，對通信系統(tǒng)中的實時情況進行監(jiān)督，對智能變電站中的設(shè)備進行全方位的監(jiān)視、控制以及信息交互，保證變電站數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制、電能量采集等多項工作的正常進行。

和數(shù)字化變電站相比，智能化變電站的設(shè)備集成化程度更高，更好的實現(xiàn)了智能設(shè)備的作用，將一次、二次設(shè)備一體化，提高了變電站的工作效率。除了過程層中的測量和控制功能不變之外，智能化變電站通過集成將間隔層中的保護、控制與監(jiān)視融合到過程層中。這樣一來，這些智能設(shè)備除了能夠進行測量和控制之外，還具備保護、監(jiān)視的功能；另一方面，智能設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)化接口接入電網(wǎng)的高速網(wǎng)絡(luò)后，能夠更好的實現(xiàn)智能設(shè)備和變電站之間的信息交流。在此基礎(chǔ)上，可以對智能變電站中的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計[3]。

3.2智能變電站總線設(shè)計

在傳統(tǒng)的數(shù)字變電站中，總線設(shè)計分為站級總線和過程總線兩種方式。站級總線指的是變電站層和變電站層之間的通信方式，通過站級總線，各個變電站之間能夠進行數(shù)據(jù)通信，并可以和上級運行中心以及調(diào)度控制中心相聯(lián)，傳輸相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。

過程總線指的是在過程層和間隔層之間的通信。通過過程總線，這兩者之間可以進行數(shù)據(jù)通信，具有一定的穩(wěn)定性和實時性。如非常規(guī)互感器采樣值的傳輸、保護裝置控制命令的傳輸?shù)取８鶕?jù)站級總線和過程總線的特點，數(shù)字變電站中有兩種組網(wǎng)模式：獨立過程總線模式、站級總線與過程總線結(jié)合模式。獨立過程總線模式中，間隔層的智能電子設(shè)備要通過兩套以太網(wǎng)接口，分別接入站級總線和過程總線。在這種模式下間隔層和過程層的數(shù)據(jù)難以進行共享；站級總線與過程總線組合模式下，變電站中的一切智能設(shè)備同時接入同一個物理網(wǎng)絡(luò)。無論是變電站層之間的裝置還是智能電子裝置之間，都能實現(xiàn)共性和交互，但是由于網(wǎng)站中存在大量的數(shù)據(jù)信息，因此很容易引發(fā)網(wǎng)絡(luò)資源競爭問題。

和數(shù)字變電站相比，智能變電站中只有站級總線一種總線模式。在智能變電站中，逐漸開始淡化過程總線的概念，間隔層和過程層之間的數(shù)據(jù)信息傳輸通過變電站中的智能設(shè)備進行。設(shè)備以及系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信通過以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)，保證了數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

3.3安全結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能變電站中的數(shù)據(jù)通信是建立在以太網(wǎng)技術(shù)上的，有效降低了變電站的成本。但是在智能變電站中，面臨著各種網(wǎng)絡(luò)安全威脅。其中既有變電站內(nèi)部的威脅，也有來自變電站外部的威脅，其中主要包括非法使用、截獲信息、篡改數(shù)據(jù)信息、惡意程序、權(quán)限管理不當(dāng)?shù)取Ｖ悄茏冸娬臼且訲CP/ IP協(xié)議為基礎(chǔ)的以太網(wǎng)技術(shù)建設(shè)的，通過加密技術(shù)、數(shù)字簽名技術(shù)、容錯技術(shù)等多種方式對安全結(jié)構(gòu)進行完善[4]。

四、結(jié)語

隨和我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對電力系統(tǒng)的要求越來越高，智能變電站開始興起，智能變電站中數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有著重要的作用，負責(zé)變電站中各類數(shù)據(jù)的傳輸。在智能變電站中逐漸將智能設(shè)備一體化，提高了智能變電站的工作效率，促進了我國電力行業(yè)的發(fā)展。

參 考 文 獻

[1]畢艷冰. 面向智能電網(wǎng)的通信中間件的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].山東大學(xué)，2013.

[2]姜文婷. 數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)研究[D].華南理工大學(xué)，2014.

[3]俞辰穎. 智能變電站網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究[D].華北電力大學(xué)，2014.

[4]劉洋. 智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計[D].華北電力大學(xué)，2011.