IP網(wǎng)絡(luò)在配電自動(dòng)化中的應(yīng)用探究

摘要：近些年來(lái)，隨著民航事業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)空管系統(tǒng)的通信、導(dǎo)航、監(jiān)視、氣象等設(shè)備配電有了更高的要求，配電設(shè)備在通信系統(tǒng)自動(dòng)化基礎(chǔ)上建設(shè)分層IP通信網(wǎng)絡(luò)的方案也逐漸被提出來(lái)。文章針對(duì)IP通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量、性能及分支網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行分析，仿真研究采用OPNET軟件，結(jié)果顯示，配電自動(dòng)化技術(shù)中對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用效果較好。

關(guān)鍵詞：IP網(wǎng)絡(luò)；配電自動(dòng)化；變電站；通信系統(tǒng)；空管系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TN929 文章編號(hào)：1009-2374（2016）24-0041-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.020

在電力行業(yè)中，智能電網(wǎng)屬于研究的熱門問(wèn)題，是未來(lái)電力系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)主要方向。配電主站與終端之間通過(guò)相關(guān)通信技術(shù)進(jìn)行連接，通信技術(shù)發(fā)揮著樞紐的作用。對(duì)于空管系統(tǒng)中通信、導(dǎo)航、雷達(dá)等邊遠(yuǎn)臺(tái)站的配電終端而言，具有運(yùn)行環(huán)境差、面廣、點(diǎn)多等特點(diǎn)，很大程度上限制了通信技術(shù)的應(yīng)用。早期，國(guó)內(nèi)主要采用光纖Modem環(huán)網(wǎng)、電力載波等通信技術(shù)，是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信方式，管理維護(hù)工作量大、通信速率較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)就地控制等功能。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，IP通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，在主站與終端之間應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了智能設(shè)備之間的對(duì)等通信與透明傳輸，對(duì)分布式智能控制功能完全支持，因此是配電網(wǎng)智能化、自動(dòng)化發(fā)展的重要方向。

1 配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究

配電自動(dòng)化系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)形式是集中控制、分布式、分層式體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含配電主站層、終端設(shè)別層、變壓器終端單元級(jí)開(kāi)閉所配點(diǎn)終端單元等。系統(tǒng)只在通信方面設(shè)立配電子站層，用于數(shù)據(jù)集中與轉(zhuǎn)發(fā)。該配電自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，核心是主站，位于控制中心，主要功能是實(shí)現(xiàn)饋線自動(dòng)化、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控等功能。子站屬于網(wǎng)絡(luò)匯接設(shè)備，具有上下連接作用，位于變電站，能夠?qū)⑴潆娋€路上分散的饋線終端單元、配電變壓器終端單元及開(kāi)閉所配電終端單元等裝置信息進(jìn)行匯總，并傳輸給主站，然后將主站的信息又分配給對(duì)應(yīng)終端。系統(tǒng)中的通信主要分為終端之間的通信和主站與子站、子站與終端間的通信。通信架構(gòu)采用分層模式，主干網(wǎng)絡(luò)將控制中心與變電站連接起來(lái)；變電站與配電線路上各個(gè)終端單元之間通過(guò)分支網(wǎng)絡(luò)連接在一起。

1.2 通信報(bào)文傳遞

通信報(bào)文傳遞的時(shí)間與數(shù)據(jù)刷新的周期是報(bào)文實(shí)時(shí)性的兩個(gè)要求，報(bào)文傳遞時(shí)間包含收發(fā)兩端報(bào)文處理時(shí)間及網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臅r(shí)間。按照?qǐng)?bào)文類型與應(yīng)用的環(huán)境差異，可以將報(bào)文劃分為五種不同類型，不同類型對(duì)應(yīng)的報(bào)文傳遞時(shí)間也是不同的。快速報(bào)文是終端之間快速跳閘命令、狀態(tài)量變化報(bào)文；中速報(bào)文是終端之間參數(shù)傳遞、測(cè)量量、狀態(tài)量報(bào)文；低速報(bào)文3a專網(wǎng)：主站與終端之間參數(shù)傳遞、測(cè)量量、狀態(tài)量報(bào)文，3b公網(wǎng)：主站與終端之間參數(shù)傳遞、測(cè)量量、狀態(tài)量報(bào)文；命令報(bào)文，4a終端之間，4b主站與終端之間；時(shí)間同步是系統(tǒng)對(duì)時(shí)精度滿足的要求。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況、應(yīng)用環(huán)境的不同，狀態(tài)量、測(cè)量量數(shù)據(jù)對(duì)刷新周期的要求也有差異?？焖偎⑿?，1a終端間變化狀態(tài)量，1b終端間測(cè)量量與狀態(tài)量；中速刷新，2a主站與終端間變化狀態(tài)量，2b主站與終端間測(cè)量量與狀態(tài)量；低速刷新，主站與終端之間測(cè)量量與狀態(tài)量刷新，根據(jù)終端所處位置的重要性及通信方式進(jìn)行選擇。

2 配電自動(dòng)化IP通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

分層結(jié)構(gòu)是配電自動(dòng)化IP通信網(wǎng)絡(luò)的主要結(jié)構(gòu)，主干網(wǎng)絡(luò)與分支網(wǎng)絡(luò)通過(guò)變電站3層交換機(jī)進(jìn)行連接，如果所在地區(qū)無(wú)光纖網(wǎng)絡(luò)，可以采用通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)或碼分多址等方式與公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接通。配電自動(dòng)化建設(shè)中，重點(diǎn)是變電站與配電終端之間的分之網(wǎng)絡(luò)，其設(shè)備多、范圍廣，配電自動(dòng)化的運(yùn)行效果直接受到其建設(shè)質(zhì)量的影響。

2.1 主干網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)階段，基本上都已經(jīng)建成主干網(wǎng)絡(luò)，采用高速光纖網(wǎng)絡(luò)，帶寬可達(dá)100Mbit/s以上。

2.2 分支網(wǎng)絡(luò)

配電自動(dòng)化中，光纖以太網(wǎng)絡(luò)通信方式逐漸成為普遍的通信方式，多年來(lái)，構(gòu)建分支網(wǎng)絡(luò)的主要形式分為兩種：一種是以太網(wǎng)無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)（EPON）；另一種是工業(yè)以太網(wǎng)。一些無(wú)法實(shí)現(xiàn)光纖網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域，應(yīng)用GPRS/CDMA等無(wú)線公網(wǎng)也可實(shí)現(xiàn)。（1）EPON。是一種支持多種業(yè)務(wù)接口、拓?fù)潇`活的純光介質(zhì)接入技術(shù)。與工業(yè)以太網(wǎng)模式相比，EPON適用于配電自動(dòng)化通信，如果環(huán)網(wǎng)柜等一次設(shè)備失電，直接影響到工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，造成交換機(jī)無(wú)法工作，整個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)通信中斷。在應(yīng)用EPON后，如果環(huán)網(wǎng)柜等一次設(shè)備失電，其只會(huì)影響該單元無(wú)法通信，對(duì)整個(gè)光纖環(huán)路通信不會(huì)產(chǎn)生影響；（2）工業(yè)以太網(wǎng)。在數(shù)據(jù)傳輸中，主要采用光纜和雙絞線，與商用以太網(wǎng)可以兼容，在適用性、產(chǎn)品強(qiáng)度及材質(zhì)選擇上也能滿足工業(yè)需求。其交換機(jī)具有適應(yīng)性強(qiáng)、耐高溫、功耗小等特點(diǎn)，在多數(shù)地區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用；（3）GPRS/CDMA。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)無(wú)線公共網(wǎng)絡(luò)主要包含中國(guó)聯(lián)通CDMA與中國(guó)移動(dòng)GPRS兩種，信號(hào)覆蓋范圍非常廣，因此在配電自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中，可以將其作為電力專用網(wǎng)絡(luò)，對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充。

3 IP網(wǎng)絡(luò)性能分析

3.1 計(jì)算數(shù)據(jù)流量

由于配電終端的不同所采集到的信息量也是不同的，其協(xié)議也不同，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)刷新周期也不同，對(duì)兩種不同的協(xié)議通信數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示：

3.2 網(wǎng)絡(luò)仿真

3.2.1 仿真模型。對(duì)變電站自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)采用OPNET網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行仿真，仿真內(nèi)容如下：（1）采用Video Conference服務(wù)對(duì)全數(shù)據(jù)信息進(jìn)行模擬；（2）采用文件傳輸協(xié)議服務(wù)對(duì)變位遙信進(jìn)行模擬；（3）采用FTP服務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的突發(fā)事件進(jìn)行模擬，如信息文件傳遞。

3.2.2 主站和終端的通信。采用光纖對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)，主站與配電終端數(shù)據(jù)通信基于主干網(wǎng)絡(luò)、分支網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)時(shí)間要求對(duì)遙信信息進(jìn)行刷新，并對(duì)全數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新。為達(dá)到仿真結(jié)果具有代表性，配電終端設(shè)置為3000個(gè)，2000個(gè)環(huán)網(wǎng)柜饋線終端單元、1000個(gè)柱上開(kāi)關(guān)饋線終端單元，本模型不考慮配電變壓器終端單元接入。將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分，分為11個(gè)局域網(wǎng)，其中控制中心局域網(wǎng)1個(gè)，變電站局域網(wǎng)11個(gè)。通過(guò)100Mbit/s光纖網(wǎng)絡(luò)將11個(gè)局域網(wǎng)連接到IP-Cloud，構(gòu)成一個(gè)整體網(wǎng)絡(luò)。各變電站局域網(wǎng)內(nèi)包含30個(gè)10Mbit/s的交換局域網(wǎng)，模擬環(huán)網(wǎng)柜饋線終端單元20個(gè)，模擬柱上開(kāi)關(guān)饋線終端單元10個(gè)。對(duì)主站與終端進(jìn)行30分鐘的模擬通信，采用IEC 60870-5與IEC 61850 MMS通信協(xié)議，對(duì)兩種協(xié)議通信延時(shí)進(jìn)行觀察，如圖1。根據(jù)圖1可知，通信穩(wěn)定后，IEC 61850 MMS通信延遲0.25ms左右，IEC 60870-5通信延遲0.13ms左右，盡管都有延遲，但都能滿足配電自動(dòng)化通信的要求。

3.2.3 終端與終端通信。在同一環(huán)網(wǎng)柜饋線終端單元或柱上開(kāi)關(guān)饋線終端單元間，通過(guò)分支網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)快速通信的功能，數(shù)據(jù)刷新用快速刷新，根據(jù)時(shí)間要求對(duì)遙信變位等信息進(jìn)行刷新，對(duì)全數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新。以環(huán)網(wǎng)柜饋線終端單元為例，10個(gè)環(huán)網(wǎng)柜饋線終端單元構(gòu)成一個(gè)局域網(wǎng)，傳輸速率為10Mbir/s，建立模型。終端與終端進(jìn)行30分鐘的方針通信，結(jié)果如圖2。從圖2可知，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定以后，IEC 61850 MMS協(xié)議通信延時(shí)3ms左右，IEC 60870-5協(xié)議通信延遲0.7ms左右。進(jìn)行文件傳遞的過(guò)程中，因?yàn)閿?shù)據(jù)量比較大，則網(wǎng)絡(luò)延遲增大，IP網(wǎng)絡(luò)可滿足終端之間的快速通信要求。

4 結(jié)語(yǔ)

采用OPNET仿真模型試驗(yàn)，結(jié)果可知，響應(yīng)速度與光纖接入有關(guān)系，光纖接入的終端報(bào)文傳遞時(shí)間較短。隨著通信設(shè)備成本的下降和通信技術(shù)的發(fā)展，將IP網(wǎng)絡(luò)用于民航空管設(shè)備配電自動(dòng)化主站、子站、終端中，完全能夠適應(yīng)配電自動(dòng)化的需求，滿足邊遠(yuǎn)臺(tái)站供電的較高可靠性要求，促進(jìn)了配電自動(dòng)化與智能化的發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：袁維（1972-），女，廣東韶關(guān)人，中國(guó)民用航空西北地區(qū)空中交通管理局工程師，研究方向：供配電。

（責(zé)任編輯：蔣建華）