電力系統(tǒng)實時決策系統(tǒng)中的實時通信

金修江 汪 熙/鈦能科技股份有限公司

電力系統(tǒng)實時決策系統(tǒng)中的實時通信

金修江 汪 熙/鈦能科技股份有限公司

現(xiàn)代電力系統(tǒng)日益復(fù)雜、運行方式復(fù)雜多變，電力系統(tǒng)通信的實時性越來越重要。本文分析了電力系統(tǒng)通信的實時性要求，探討了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于系統(tǒng)通信的可行性，詳細分析了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電力系統(tǒng)通信時實時性的解決方法。

電力系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)；通信實時性

前言

變電站二次系統(tǒng)對于保障一次系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前變電站二次系統(tǒng)中的設(shè)備，但大多數(shù)都是功能單一的獨立設(shè)備，各個設(shè)備缺乏整體協(xié)調(diào)和功能的優(yōu)化功能，而且功能交叉嚴(yán)重。其次，為了保障電力信息的安全和可靠性能，一般采用專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)成各自獨立的子系統(tǒng)，如切負荷控制子系統(tǒng)、變電站監(jiān)控子系統(tǒng)、動態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)、故障處理子系統(tǒng)等，由于受當(dāng)時通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等具體條件的限制，過程層和間隔層之間的通信大多采用點對點的并行電纜通信，二次接線相當(dāng)復(fù)雜。

現(xiàn)代電力系統(tǒng)日益復(fù)雜、運行方式復(fù)雜多變，使變電站自動化系統(tǒng)面臨的任務(wù)更加繁重，需要解決的問題變得更多更為復(fù)雜；其次，電力市場的競爭，要求變電站自動化的各系統(tǒng)逐步走向集成化，使資源共享和系統(tǒng)性價比提高。由于網(wǎng)絡(luò)具有標(biāo)準(zhǔn)化、靈活性、價格低廉、穩(wěn)定可靠、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應(yīng)用廣泛以及支持技術(shù)成熟等優(yōu)點，網(wǎng)絡(luò)為代表的通信技術(shù)正成為變電站網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)發(fā)展中的新亮點。

1.變電站自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的實時性要求

變電站自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)要能及時地傳輸現(xiàn)場的實時運行信息和操作控制信息，在電力工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送都有嚴(yán)格的實時性指標(biāo)，因此網(wǎng)絡(luò)必須很好地保證數(shù)據(jù)通信的實時性。要求變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信息時間：設(shè)備層和間隔層之間、間隔內(nèi)各個設(shè)備之間、間隔層各間隔單元之間為1～100ms；間隔層和變電站層之間為10～1000ms；變電站層各個設(shè)備之間、變電站和控制中心之間>1000ms。各層之間的數(shù)據(jù)流峰值為：設(shè)備層和間隔層之間數(shù)據(jù)流大概250KBit/s，取決模擬量的采樣速度；間隔層各單元之間數(shù)據(jù)流大概60KBit/s或130KBit/s，取決是否采用分布母線保護；間隔層和變電站層之間及其它鏈路之間數(shù)據(jù)流大概在1OOKBit/s及以下。

2.網(wǎng)絡(luò)的實時能力分析

對比研究了普通網(wǎng)絡(luò)和令牌總線網(wǎng)的性能，并得出結(jié)論：在網(wǎng)絡(luò)負荷小于25%情況下，網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間要比令牌總線網(wǎng)絡(luò)快得多。同時，網(wǎng)絡(luò)的CSMA/CD方法也優(yōu)越于令牌傳遞的傳輸管理方法，使用這種方法隨時可以發(fā)送某個節(jié)點想發(fā)送的數(shù)據(jù)，而不必獲得令牌控制權(quán)。因此，在故障情況下只要突發(fā)性數(shù)據(jù)使網(wǎng)絡(luò)的負荷量小于25%，使用網(wǎng)絡(luò)便可得到最好的系統(tǒng)響應(yīng)。

對變電站自動化系統(tǒng)而言，通過LAN執(zhí)行控制功能的“實時”性要求通常定義為4ms。為了定性地衡量網(wǎng)絡(luò)是否能滿足電力系統(tǒng)中“實時性”要求。研究表明，無論是通過共享HUB（Sharing HUB）連接的100Mb/s網(wǎng)絡(luò)還是通過交換式HUB（Switch HUB）連接的10Mb/s網(wǎng)絡(luò)，都能滿足4ms這一網(wǎng)絡(luò)通信時間要求。

3.解決網(wǎng)絡(luò)實時性的方法

3.1 采用全雙工交換式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)交換機在端口之間數(shù)據(jù)幀的輸入和輸出不受CSMA/CD機制的約束，避免了沖突；而全雙工通信又使得端口間兩對雙絞線（或兩根光纖）上可以同時接收和發(fā)送報文幀，也不再受到CSMA/CD的約束，任一節(jié)點發(fā)送報文幀時不會再發(fā)生碰撞，沖突域己經(jīng)不復(fù)存在。因此，網(wǎng)絡(luò)的通信實時性有了重要保障。此外，使用交換式集線器還可以擴大網(wǎng)絡(luò)帶寬。對于普通共享式網(wǎng)絡(luò)。

3.2 降低網(wǎng)絡(luò)負載

實際應(yīng)用經(jīng)驗結(jié)果表明，對于共享式網(wǎng)絡(luò)來說，當(dāng)通信負荷在25%以下的，可保證通信暢通，當(dāng)通信負荷在5%左右，網(wǎng)絡(luò)上碰撞的概率幾乎為零。由于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與商業(yè)網(wǎng)不同，每個節(jié)點傳送的實時數(shù)據(jù)量很少，可以通過限制每個網(wǎng)段站點的數(shù)目，降低網(wǎng)絡(luò)流量。

3.3 提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率

傳輸速率較高時，網(wǎng)絡(luò)傳輸所需時間將會很大程度的減小，網(wǎng)絡(luò)負荷會大大降低，其通信響應(yīng)的實時性得到了很大程度的提高。

3.4 應(yīng)用報文優(yōu)先級技術(shù)

根據(jù)IEEE802.3p&q，在智能式交換機或集線器中，設(shè)計優(yōu)先級處理功能。通過這個優(yōu)先級進行排序，使工業(yè)現(xiàn)場中的緊急事務(wù)的信息能夠及時成功地傳送到中央控制系統(tǒng)去，以便得到及時匯總和處理。

3.5 采用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)

虛擬局域網(wǎng)的問世打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的很多固有觀念，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加靈活、方便。事實上，VLAN是一個廣播域，不受地理位置限制，可以根據(jù)部門職能、對象組和應(yīng)用等將不同地理位置的網(wǎng)絡(luò)用戶劃分為一個邏輯網(wǎng)段。這樣可以將一臺控制層計算機配置成多個部門并可同時訪問、也可以同時訪問多個虛擬網(wǎng)的資源。

3.6 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件

基于監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的實時性要求，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要分為以下3個部分：其一，現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)部分。位于這部分中的硬件具體負責(zé)將各類協(xié)議連接起來，然后通過TCP/IP對所有數(shù)據(jù)信息進行傳送；其二，信息匯集、處理。這部分硬件主要負責(zé)采集現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)部分中的數(shù)據(jù)信息，然后存儲到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，并對其進行處理；其三，管理部分。這部分硬件是ERP的一個分支子系統(tǒng)，主要負責(zé)信息網(wǎng)絡(luò)的管理。在進行以上三部分硬件設(shè)計時已經(jīng)充分地考慮了每一部分中網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)流以及冗余控制等關(guān)鍵性問題，并且子網(wǎng)之間也都采用了相應(yīng)的設(shè)備進行連接，如交換機、網(wǎng)關(guān)以及路由器等等。在現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)部分中，各類數(shù)據(jù)信息不但可以通過自身的總線方式及相關(guān)結(jié)構(gòu)方式進行數(shù)據(jù)傳輸，而且位于上層的GW和AW也可利用內(nèi)部局域網(wǎng)或TCP/IP獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，進而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的快速傳輸，有效地確保數(shù)據(jù)的實時性。同時文件格式及實時響應(yīng)兩者的有機統(tǒng)一，也在一定程度上保障了整個系統(tǒng)的安全性。一旦有非法用戶對其進行訪問或是相對現(xiàn)場設(shè)備進行控制時，必須經(jīng)過服務(wù)器及交換機，還需通過用戶名及、密碼及CP端驗證，進而形成了一個三級安全保護網(wǎng)。此外，在安全性方面除了硬件上的一些安全設(shè)備之外，還對系統(tǒng)進行了相應(yīng)的安全設(shè)計。通過路由器能夠使數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器與管理部分進行有效連接，從而可以使各類相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳輸至MIS系統(tǒng)當(dāng)中，以此來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的整體性。通過上訴三個硬件部分的設(shè)計，并配以各種安全保護，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可在負載正常的條件下安全可靠運行。

4.結(jié)束語

近年來,電力系統(tǒng)實時控制的應(yīng)用程序發(fā)展較快,大致可分為兩大類:面向安全的應(yīng)用程序和面向經(jīng)濟的應(yīng)用程序。前者主要有安全監(jiān)視、安全分析和安全對策;后者主要有自動調(diào)頻和經(jīng)濟調(diào)度。

[1]黃文君.實時控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[J].機電工程，2000，17（3）.

[2]曾慶禹，李國龍.變電站集成技術(shù)的發(fā)展——現(xiàn)代緊湊型變電站[J].電網(wǎng)技術(shù)，2002，26（8）：60-67.

[3]馮冬芹，金建祥，王為民.基于EPA的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[J].自動化儀表，2003，24（9）：68-70.