變電站系統(tǒng)監(jiān)控信息傳輸技術(shù)研究

端悅民 李人杰

國(guó)網(wǎng)山東利津縣供電公司 山東東營(yíng) 257400

摘要：變電站屬于電網(wǎng)信息的中間站，隨著自動(dòng)化信息系統(tǒng)的迅猛發(fā)展下，變電站經(jīng)歷了集中式、分散式、集中、分散集中式、數(shù)字化變電站等多階段。特別是數(shù)字化變電站經(jīng)過(guò)信息進(jìn)行相互操作的現(xiàn)代性質(zhì)變電站，其實(shí)現(xiàn)了用光纖通信代替普通的電纜通信同時(shí)做到了站內(nèi)設(shè)備間的信息共享。

關(guān)鍵詞：變電站；系統(tǒng)監(jiān)控；信息傳輸技術(shù)

前言：在近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的不斷發(fā)展，變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在新建及擴(kuò)建變電站中得到了快速的應(yīng)用。本文就對(duì)變電站系統(tǒng)監(jiān)控信息傳輸技術(shù)進(jìn)行分析，希望可供相關(guān)從業(yè)者參考。

一、變電站監(jiān)控系統(tǒng)分析

變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)對(duì)在線運(yùn)行的各種電力設(shè)備（包括控制、測(cè)量、保護(hù)、自動(dòng)裝置及遠(yuǎn)動(dòng)裝置等）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的自動(dòng)化系統(tǒng)。它集微機(jī)繼電保護(hù)、遠(yuǎn)方遙控、遠(yuǎn)方遙測(cè)等功能于一體，對(duì)變電站進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)視、測(cè)量、控制、協(xié)調(diào)和全方位的管理。

在早期，變電站沒(méi)有辦法及時(shí)地了解和監(jiān)視各個(gè)運(yùn)行點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)裝置的運(yùn)行情況，更談不上進(jìn)行直接控制和信息對(duì)話交流。對(duì)于變電站的設(shè)備運(yùn)行情況和各條線路的電壓、電流、功率等情況，調(diào)度中心都不能及時(shí)掌握，調(diào)度員和變電站各個(gè)運(yùn)行部門(mén)的聯(lián)系主要是電話。每天由變電站值班人員定時(shí)打電話向調(diào)度員報(bào)告本變電站的電流、電壓、功率等數(shù)據(jù)，調(diào)度員需根據(jù)情況匯總、分析，花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間才能掌握變電站運(yùn)行狀態(tài)的有限信息。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，這些信息已經(jīng)屬于“歷史"了。調(diào)度員只能根據(jù)事前通過(guò)大量人工手算得到的各種系統(tǒng)運(yùn)行方式，結(jié)合這些有限的歷史性信息，加上個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)，選擇某種運(yùn)行方式，再用電話通知各個(gè)值班人員進(jìn)行調(diào)整控制。一旦發(fā)生事故，也不能及時(shí)了解事故現(xiàn)場(chǎng)情況，及時(shí)進(jìn)行事故處理，需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能恢復(fù)正常運(yùn)行。這種落后的狀況直接影響變電站的安全運(yùn)行。

監(jiān)控系統(tǒng)的第二個(gè)階段，是遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)的采用。安裝于變電站的遠(yuǎn)動(dòng)裝置，采集各線路電流、電壓、功率等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以及各開(kāi)關(guān)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，然后通過(guò)控制電纜傳給調(diào)度中心并直接顯示在調(diào)度臺(tái)的儀表和模擬屏上。調(diào)度員可以隨時(shí)看到這些參數(shù)和全系統(tǒng)運(yùn)行方式，還可以立刻看到開(kāi)關(guān)等設(shè)備的事故跳閘（模擬屏上

相應(yīng)的圖形閃光）。調(diào)度中心可以有效地對(duì)變電站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。調(diào)度員還可以在調(diào)度中心直接對(duì)某些開(kāi)關(guān)進(jìn)行投切操作。這種布線邏輯式裝置的采用，使變電站的監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)的功能。變電站監(jiān)控系統(tǒng)的第三個(gè)發(fā)展階段，是電子計(jì)算機(jī)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的變電站，是在傳統(tǒng)的變電站一次設(shè)備基礎(chǔ)上，用一套完整的信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息的采集、處理、就地控制、信息的傳送與管理、系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與優(yōu)化等功能。這一系統(tǒng)通常是一個(gè)多處理機(jī)的分布式系統(tǒng)。

二、變電站通信的概述

現(xiàn)在變電站所采用的綜合自動(dòng)化技術(shù)是將站內(nèi)繼電保護(hù)、監(jiān)控系統(tǒng)、信號(hào)采集、遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)等結(jié)合為一個(gè)整體，使硬件資源共享，用不同的模式軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)常規(guī)設(shè)備的各種功能。用局域網(wǎng)來(lái)代替電纜，用主動(dòng)模式來(lái)代替常規(guī)設(shè)備的被動(dòng)模式。具有可靠、安全、便于維護(hù)等特點(diǎn)。

分散分層分布式是變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展方向，這就對(duì)通信的可靠性提出了更高的要求，選擇一個(gè)可靠、高效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是解決問(wèn)題關(guān)鍵。現(xiàn)場(chǎng)總線由于技術(shù)上的原因以及采用設(shè)備總線時(shí)信息量大且傳輸較慢的特點(diǎn)，造成了其存在多種標(biāo)準(zhǔn)，阻礙了其發(fā)展。以太網(wǎng)經(jīng)過(guò)若干年的發(fā)展，技術(shù)上日趨成熟，已十分便利的應(yīng)用于變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。以太網(wǎng)具有高速、可靠、安全、靈活的特點(diǎn)，使其在變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。

三、數(shù)字化變電站中信息傳輸對(duì)可靠性要求

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)定義中的GOOSE快速報(bào)文通常對(duì)命令和數(shù)據(jù)等采用簡(jiǎn)易二進(jìn)制編碼，故障發(fā)生時(shí)保護(hù)設(shè)備向斷路器發(fā)送跳閘命令就是該報(bào)文的典型應(yīng)用；原始數(shù)據(jù)報(bào)文由連續(xù)的智能設(shè)備數(shù)據(jù)流組成，內(nèi)容為數(shù)字化傳感器和互感器的輸出數(shù)據(jù)。這兩類(lèi)報(bào)文是實(shí)現(xiàn)變電站系統(tǒng)監(jiān)控信息傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，對(duì)傳輸可靠性要求最高。

在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定要求功能的能力稱(chēng)為可靠性。信息傳輸在關(guān)鍵過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)規(guī)定時(shí)間內(nèi)，將規(guī)定的信息準(zhǔn)確無(wú)誤地傳輸?shù)浇邮斩吮环Q(chēng)為傳輸?shù)目煽啃?。?shí)現(xiàn)監(jiān)控信息的可靠性傳輸，需要做到如下幾點(diǎn)：

信息的編碼效率高。在數(shù)字化變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)通信中，簡(jiǎn)單高效的編碼可以在盡量窄的帶寬中傳輸盡可能多的信息。一方面可以增大信道的可用率，減小數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率；另一方面，可以簡(jiǎn)化信息的處理流程，增加傳輸效率，縮短耗時(shí)。

信息的傳輸延時(shí)較小。IEC61850-8-1中，將數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)劃分為五種結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)的傳輸時(shí)間不同。但是關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸GOOSE規(guī)定在3ms內(nèi)要求相關(guān)接收方對(duì)發(fā)送方做出響應(yīng)。而用于保護(hù)和控制的原始數(shù)據(jù)SV要求傳輸時(shí)間低于10 ms。

信息具有差錯(cuò)控制能力。物理鏈路性能和網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境等因素可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信過(guò)程可出現(xiàn)一些錯(cuò)誤，為了確保數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確，需要在鏈路層配備一種有效的出錯(cuò)信息處理方案，以此來(lái)降低報(bào)文傳輸錯(cuò)誤時(shí)產(chǎn)生的不良影響。

四、提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性的技術(shù)研究

1、優(yōu)化MAC尋址方式，提高數(shù)據(jù)傳輸效率

為了減少無(wú)效數(shù)據(jù)在信道中的傳輸，實(shí)際中需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，保證傳輸數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單高效。常采用的方法是對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行地址過(guò)濾，主要分為硬件和軟件兩種方式。目前應(yīng)用中最為現(xiàn)實(shí)并且可靠的方式為硬件執(zhí)行數(shù)據(jù)過(guò)濾。通常設(shè)備廠家會(huì)提供基于MAC集成電路哈希算法的目的地址，該地址的前3個(gè)字節(jié)按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為01-0C-CD，第4個(gè)字節(jié)由不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型決定：GOOSE定義為01，廣播定義為04。最后兩個(gè)字節(jié)用來(lái)區(qū)分不同的使用設(shè)備。

2、設(shè)置優(yōu)先級(jí)，保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸

由于交換機(jī)處理幀排隊(duì)緩沖時(shí)的延時(shí)具有不確定性，故需要啟用分級(jí)服務(wù)質(zhì)量提供優(yōu)先傳輸機(jī)制，保證重要數(shù)據(jù)信息的優(yōu)先傳輸。按照優(yōu)先級(jí)等不同等級(jí)代表優(yōu)先度，可以將高優(yōu)先級(jí)幀設(shè)置為4～7，低優(yōu)先級(jí)幀設(shè)置為1～3，重要數(shù)據(jù)應(yīng)避免使用優(yōu)先級(jí)0，這可能會(huì)引起不可預(yù)見(jiàn)性的傳輸時(shí)延。關(guān)鍵報(bào)文傳輸優(yōu)先級(jí)的缺省值為4。

3、配置以太網(wǎng)類(lèi)型，保證數(shù)據(jù)幀的高速傳輸

關(guān)鍵數(shù)據(jù)按照特定的映射被封裝成數(shù)據(jù)幀。接收端接收數(shù)據(jù)幀時(shí)，可通過(guò)幀地址識(shí)別結(jié)果快速調(diào)用上層協(xié)議，進(jìn)而高效地解析和處理數(shù)據(jù)幀，減少信息傳輸總耗時(shí)?；贗SO/IEC8802-3MAC子層的以太網(wǎng)類(lèi)型由IEEE權(quán)威機(jī)構(gòu)注冊(cè)，并且GOOSE及采樣值直接映射到保留的以太網(wǎng)類(lèi)型和以太網(wǎng)類(lèi)型協(xié)議數(shù)據(jù)單元，

4、使用差錯(cuò)控制技術(shù)，保證信息傳輸質(zhì)量

系統(tǒng)的信息在不同設(shè)備間都有分布，其通過(guò)兩個(gè)或多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)利用數(shù)字網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸完成信息交換與共享。但是，實(shí)際應(yīng)用中，某設(shè)備往往既是數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，又是數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)，因此如何保證報(bào)文被無(wú)差錯(cuò)地接收或轉(zhuǎn)發(fā)，是實(shí)現(xiàn)信息準(zhǔn)確可靠傳輸?shù)年P(guān)鍵。

通常應(yīng)對(duì)該問(wèn)題，可以采用差錯(cuò)控制編碼的方式。該編碼方式在信息發(fā)送之前將一定的冗余數(shù)據(jù)位添加到數(shù)據(jù)信息中，構(gòu)成新的一個(gè)數(shù)據(jù)幀后再發(fā)送。接收端收到該數(shù)據(jù)幀后，利用冗余位對(duì)數(shù)據(jù)幀的信息位進(jìn)行檢查和確認(rèn)，以確認(rèn)傳輸過(guò)程中是否發(fā)生誤碼。當(dāng)發(fā)生誤碼時(shí)，可進(jìn)而采取丟棄或者重發(fā)等處理方式。數(shù)字化變電站目前主要應(yīng)用在局域網(wǎng)，信息傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性都很強(qiáng)，因此在實(shí)際選擇鏈路層服務(wù)的時(shí)候可以根據(jù)需要再發(fā)送端設(shè)定一個(gè)重發(fā)延時(shí)保證數(shù)據(jù)可靠即可。

結(jié)束語(yǔ)：

變電站監(jiān)控系統(tǒng)是變電站安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵所在。本文對(duì)變電站監(jiān)控系統(tǒng)信息傳輸技術(shù)的可靠性進(jìn)行分析，有利于大量實(shí)時(shí)信息的傳輸，對(duì)無(wú)人值守變電站實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展有一定的指導(dǎo)意義。

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