智能變電站通訊技術(shù)及其發(fā)展方向研究

謝宇宸 李俊 鄭闊

（國網(wǎng)福建電力有限公司泉州供電公司）

智能變電站通訊技術(shù)及其發(fā)展方向研究

謝宇宸 李俊 鄭闊

（國網(wǎng)福建電力有限公司泉州供電公司）

變電站作為電力系統(tǒng)中重要的變配電樞紐，在其運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)智能化對(duì)于提高變電站運(yùn)行質(zhì)量有著重要的意義。在智能化建設(shè)過程中，通訊技術(shù)是影響變電站智能化水平的一個(gè)重要因素，為此有必要對(duì)其進(jìn)行深入的分析，了解存在不足，以及未來的發(fā)展趨勢(shì)。

智能變電站；通訊技術(shù)；IEC61850；OTN；PTN

前言

社會(huì)在發(fā)展，人民生活水平在提高，各方能對(duì)于電能質(zhì)量的要求也越來越高，為了滿足電力體制改革的要求，國家電網(wǎng)公司結(jié)合現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)，提出了“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的發(fā)展規(guī)劃，目的是逐步實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化及互動(dòng)化。在電力系統(tǒng)中，變電站是重要的變配電樞紐，在其運(yùn)行過程中全面的實(shí)現(xiàn)智能化對(duì)于提高整個(gè)電力系統(tǒng)的智能水平有著深遠(yuǎn)的意義。在影響智能化實(shí)現(xiàn)水平的相關(guān)因素中，通訊技術(shù)是最為關(guān)鍵的一個(gè)因素。通訊信息是否準(zhǔn)確完整直接影響著變電站的智能化水平，同時(shí)變電站運(yùn)行的控制和分析又必須依賴于對(duì)所獲取信息的綜合處理，所以在變電站的智能運(yùn)行過程中，采集到的運(yùn)行數(shù)據(jù)必須及時(shí)準(zhǔn)確完整，在通過后臺(tái)程序的分析處理后，才能有效的對(duì)變電站運(yùn)行狀況進(jìn)行把握和預(yù)測(cè)。由此我們可以清晰的認(rèn)識(shí)到，建立一套完善、可靠的通訊網(wǎng)絡(luò)，是確保變電站智能化實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)。

1 智能變電站與傳統(tǒng)變電站通訊系統(tǒng)的區(qū)別

智能變電站應(yīng)用了大量的新技術(shù)、新設(shè)備，在通訊系統(tǒng)與傳統(tǒng)變電站存在著很大的差異，具體的區(qū)別有如下幾點(diǎn)：

1.1 網(wǎng)絡(luò)通信傳輸介質(zhì)的差異

傳統(tǒng)變電站在網(wǎng)絡(luò)通信中使用到的介質(zhì)是同軸電纜、雙絞線，而智能變電站更多的是使用光纖作為網(wǎng)絡(luò)通信傳輸介質(zhì)，取消了原有的硬節(jié)點(diǎn)信號(hào)，傳統(tǒng)的信息記錄、分析技術(shù)已無法滿足智能變電站的運(yùn)行需求。

1.2 網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)的差異

在傳統(tǒng)的數(shù)字化變電站中，網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)是采用全站組網(wǎng)技術(shù)，而智能變電站是采用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，尤其在繼電保護(hù)方面強(qiáng)調(diào)直接采樣和直接跳閘。

2 通訊技術(shù)應(yīng)用中存在問題

目前在國內(nèi)的電力系統(tǒng)中，智能變電站已經(jīng)在各個(gè)電壓等級(jí)進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，在體現(xiàn)出突出優(yōu)異性的同時(shí)，在通訊技術(shù)應(yīng)用方面也呈現(xiàn)出多個(gè)問題，如：

2.1 設(shè)備性能有待提高

現(xiàn)階段的通訊技術(shù)還處在探索階段，配套設(shè)施的應(yīng)用也處于實(shí)踐階段，實(shí)際的使用效果與預(yù)期仍存在較大差距，整個(gè)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)配合也存在缺陷。

2.2 通訊網(wǎng)絡(luò)可靠性低

智能變電站采用了開放式的通訊協(xié)議，在運(yùn)行過程中整體安全性較低，網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)、設(shè)備都可以成為惡意攻擊點(diǎn)。

2.3 分析功能單一

目前智能化變電站運(yùn)行系統(tǒng)的功能還不健全，在數(shù)據(jù)分析方面較為滯后，無法將電網(wǎng)信息與網(wǎng)絡(luò)通信信息有效的綜合，同時(shí)在對(duì)故障進(jìn)行分析時(shí)，仍然是依賴人工的工作經(jīng)驗(yàn)及分析，系統(tǒng)只是單純對(duì)原始信息進(jìn)行展示。

2.4 信息記錄手段落后

現(xiàn)有通訊系統(tǒng)還是利用路由器來實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，當(dāng)針對(duì)智能變電站直采直跳的通訊結(jié)構(gòu)時(shí)，系統(tǒng)就無法很好的滿足應(yīng)用需求，記錄的信息會(huì)與原始信息存在差異。

2.5 缺乏在線顯示技術(shù)及友好顯示界面

受到技術(shù)限制，目前在變電站智能系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)記錄和分析裝置的相關(guān)數(shù)據(jù)還是依靠離線顯示技術(shù)，無法實(shí)時(shí)的顯示站內(nèi)相關(guān)運(yùn)行信息，且顯示界面不夠人性化。[1]

3 智能變電站通訊技術(shù)

3.1 通訊技術(shù)的要求

通過上面文章的分析，我們可以認(rèn)識(shí)到數(shù)據(jù)通信在智能變電站建設(shè)過程中的重要性，由于變電站的特殊性，再結(jié)合其對(duì)數(shù)據(jù)通信的要求，在智能變電站建設(shè)運(yùn)行中，對(duì)于通訊技術(shù)有以下幾個(gè)要求：

（1）實(shí)時(shí)響應(yīng)性。隨著變電站運(yùn)行技術(shù)的發(fā)展，在數(shù)據(jù)采集及分析過程中，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求越來越高。

（2）高可靠性。鑒于變電站的重要地位，要求其全天候不間斷運(yùn)行，相應(yīng)的數(shù)據(jù)通訊也是24h不間斷進(jìn)行，同時(shí)鑒于變電站故障會(huì)造成的巨大影響，所以要求站內(nèi)設(shè)備間的通訊必須可靠、準(zhǔn)確。

（3）電磁兼容性優(yōu)良。由于變電站在運(yùn)行過程中，會(huì)形成一個(gè)具有高、強(qiáng)電磁干擾的特殊環(huán)境，再加上信息傳輸通道存在缺陷，這就要求在設(shè)計(jì)制造時(shí)，想辦法提高數(shù)據(jù)通訊的抗干擾能力，避免因運(yùn)行環(huán)境造成通訊失常。

（4）分層式結(jié)構(gòu)。通訊結(jié)構(gòu)的分層，主要是為了配合整個(gè)變電站系統(tǒng)的分層、分布式結(jié)構(gòu)。[2]

3.2 通訊接口

在智能變電站建設(shè)過程中，會(huì)應(yīng)用到大量的智能化設(shè)備，這些設(shè)備在接入通訊系統(tǒng)時(shí)是通過相關(guān)的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。目前較為常用的接口主要是RS-485和以太網(wǎng)接口。下面我們簡單的對(duì)其進(jìn)行了解：

3.2.1 RS-485接口

RS-485接口作為目前最為常用的IED通信接口，是采用差分方式的一種總線串行通信接口。其優(yōu)點(diǎn)是接口方便和接口標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范化，缺點(diǎn)是有效通訊距離較短，同時(shí)由于其總線工作方式為主從結(jié)構(gòu)，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)繁忙、擁堵是，會(huì)影響整個(gè)通訊系統(tǒng)的運(yùn)行性能和可靠性。圖1為RS-485總線的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 RS-485總線的結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 以太網(wǎng)接口

通過應(yīng)用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，有效的解決了多現(xiàn)場(chǎng)總線共存這一難題，同時(shí)還具有傳輸速率快、成本低、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)。以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)主要是雙絞線、光纖和同軸電纜這三類。目前在智能變電站通訊網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)主要體現(xiàn)出不確定性、實(shí)時(shí)性、安全性、可靠性、應(yīng)用層和用戶層協(xié)議統(tǒng)一等特點(diǎn)。[3]

3.3 通訊規(guī)約

目前在通訊方面應(yīng)用最多的有五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，分別是循環(huán)式遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約CDT、變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)IEC60870-6、變電站通信網(wǎng)絡(luò)IEC、遠(yuǎn)動(dòng)通信協(xié)議體系IEC60870-5、系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)IEC61850。其中IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是目前在數(shù)字變電站中應(yīng)用最為完整的變電站通訊標(biāo)準(zhǔn)，它對(duì)通信信息進(jìn)行了準(zhǔn)確詳細(xì)的定義，通過建立結(jié)構(gòu)化信息模型的方式為通信信息提供了完整和唯一的語義。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，這一標(biāo)準(zhǔn)具有四個(gè)明顯的技術(shù)特征，分別是：

（1）變電站功能分層；

（2）使用特殊通信服務(wù)映射SCSM技術(shù)和抽象通信接口ACSI；

（3）面向?qū)ο蟮男畔⒛Ｐ停?/p>

（4）采用了SCL變電站配置語言。

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)控制、監(jiān)視和保護(hù)這三個(gè)功能，而IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的定義與這三大基本功能相對(duì)應(yīng)，可將功能劃分為三層，即變電站層、間隔層、過程層，通過對(duì)圖2的分析，我們可以清晰的了解三者見得相互關(guān)系。為了滿足未來的變電運(yùn)行需求，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將過程層分離出來，承擔(dān)間隔層的部分功能。

圖2 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)接口模型圖

IEC61850這一標(biāo)準(zhǔn)的核心是對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行了統(tǒng)一的建模，對(duì)信息及信息交換進(jìn)行了明確的定義，當(dāng)針對(duì)智能電子設(shè)備時(shí)，通過對(duì)大量邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行有效定義即可實(shí)現(xiàn)。前面所說的邏輯節(jié)點(diǎn)指的是將變電站自動(dòng)化功能進(jìn)行分解后得到的最小功能實(shí)體，可以認(rèn)為其是最基本的通信單元，各個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)間通過邏輯連接相互聯(lián)系。

ACSI是一種虛擬接口，變電站內(nèi)設(shè)備間的互操作性就是通過ACSI抽象的建模技術(shù)、分層的類模型及所提供相應(yīng)的服務(wù)才能夠得以實(shí)現(xiàn)。SCSM這一概念是在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中得以引入，變電站就是在SCSM下通過以太網(wǎng)、局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的交換，當(dāng)最新的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)生變化時(shí)，只要改變SCSM的映射方法即可，而無需改變ACSI模型。

4 變電站通訊新技術(shù)及發(fā)展方向

隨著相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，新的通訊技術(shù)正逐步應(yīng)用在變電站運(yùn)行中，在提高通訊質(zhì)量的同時(shí)，也大大的提高了變電站運(yùn)行智能化水平。目前應(yīng)用較多的新技術(shù)主要包括：

4.1 PTP技術(shù)

PTP作為一種主從同步系統(tǒng)，通過采用主從時(shí)鐘的方式對(duì)時(shí)間信息進(jìn)行編碼，再利用網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱性和延時(shí)測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)主從時(shí)間的同步。適合用于支持多播消息的分布式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，且數(shù)據(jù)幀少，算法簡單，對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源使用少，對(duì)計(jì)算性能要求低，適應(yīng)于低端設(shè)備。

4.2 PTN技術(shù)

PTN在通訊系統(tǒng)中指的是分組傳送網(wǎng)，能夠很好的支持多種基于分組交換業(yè)務(wù)的雙向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接通道。它繼承了SDH技術(shù)的操作、管理和維護(hù)機(jī)制，具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的完整OAM，可以很好的保證網(wǎng)絡(luò)具備保護(hù)切換、錯(cuò)誤檢測(cè)和通道監(jiān)控等能力。

4.3 OTN全光傳送網(wǎng)路

OTN是以波分復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ)，在光層組織網(wǎng)絡(luò)的傳送網(wǎng)。它是以WDM技術(shù)作為基礎(chǔ)，同時(shí)引入SDH強(qiáng)大的操作、維護(hù)、管理及指配（OAM）能力，有效地彌補(bǔ)了SDH在面向傳送層時(shí)的功能缺乏和維護(hù)管理開銷不足等諸多不足，可作為下一代的骨干傳送網(wǎng)。圖3反映了OTN、WDM及SDH三者間的關(guān)系。

圖3 OTN、WDM、SDH關(guān)系圖

5 結(jié)束語

變電站全面實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化是未來電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，通訊技術(shù)作為智能化實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)，在日常的建設(shè)研究過程中應(yīng)不斷的加以強(qiáng)化、完善，只有這樣才能在根本上提高變電站的智能化水平，在上面文章里，我們只是簡單的對(duì)智能變電站相關(guān)的通訊技術(shù)進(jìn)行了簡單的分析了解。我們應(yīng)充分肯定和認(rèn)識(shí)到通訊技術(shù)對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)的重要意義，加大投資和研究力度，為電氣智能化運(yùn)行提供有力技術(shù)支持。

[1]王宏.智能變電站通訊技術(shù)及其發(fā)展方向研究[J].通訊世界，2014（24）：109

[2]陳磊.變電站自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的研究和應(yīng)用[J].中國新通信，2015（22）：87

[3]王 剛.智能變電站的網(wǎng)絡(luò)通信與信息處理技術(shù)的研究[D].天津大學(xué)，2012，8.

[4]崔毅，韓磊，郭明潔.SDH光纖通訊技術(shù)在智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].通訊世界，2015（25）：118.

TM76

A

1004-7344（2016）07-0046-02

2016-2-8

謝宇宸（1991-），男，助工，本科，主要從事電力通訊方面的工作。