時延敏感網(wǎng)絡(luò)在智能變電站中的應(yīng)用研究

國網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司

一、TSN時延敏感網(wǎng)絡(luò)

進入21世紀(jì)后，隨著智能化技術(shù)、工業(yè)的引入，時間敏感型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生，它是一種全新的標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)通信技術(shù)，允許周期性與非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸，為以太網(wǎng)提供低時延、低抖動和低丟失率的能力，使得以太網(wǎng)能適用于可靠性和時間敏感型應(yīng)用場景。TSN的主要特點如下：

1.確定性傳輸：TSN通過對數(shù)據(jù)流量的整形、無縫冗余傳輸、過濾和基于優(yōu)先級調(diào)度等，實現(xiàn)對關(guān)鍵數(shù)據(jù)的高可靠、低延時、零分組丟失的確定性傳輸。

2.時間同步：TSN保證數(shù)據(jù)幀在各個設(shè)備中傳輸時隙的正確匹配，滿足通信流的端對端確定性時延和無排隊傳輸。

3.向后兼容：TSN以開放的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，非專用協(xié)議，來自不同供應(yīng)商的TSN的設(shè)備都可以相互兼容。

4.動態(tài)配置：TSN引入集中網(wǎng)絡(luò)控制器和集中用戶控制器，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)動態(tài)配置，在網(wǎng)絡(luò)運行時靈活的配置新的設(shè)備和數(shù)據(jù)流。

5.安全傳輸：TSN對輸入交換機的數(shù)據(jù)進行篩選和管控，對不符合規(guī)范的數(shù)據(jù)幀進行阻攔，能及時隔斷外來入侵數(shù)據(jù)，實時保護網(wǎng)絡(luò)的安全。

二、TSN在智能變電站中的應(yīng)用

（一）智能數(shù)字變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

智能變電站按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建站內(nèi)通信體系，依靠IEC61850網(wǎng)絡(luò)接收來自傳感器和電力設(shè)備的數(shù)據(jù)，并在整個變電站中發(fā)送保護和控制命令。基于IEC61850的站內(nèi)通信體現(xiàn)分為三層：

1.站控層：該層安裝有SCADA服務(wù)器和HMI工作站，也安裝有與相鄰變電站和調(diào)度中心信息傳輸?shù)耐ㄐ旁O(shè)備。

2.間隔層：該層由智能電子設(shè)備組成。IED接收來自傳感器和一次設(shè)備的數(shù)據(jù)，以及在站控層發(fā)出控制命令。IED從站控層獲取命令，對過程層設(shè)備進行測量，并做控制決策，將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌鸌ED或發(fā)送到SCADA系統(tǒng)進一步處理。

3.過程層：主要斷路器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備等設(shè)備組成，這些設(shè)備測量變電站一次設(shè)備的電流、電壓和其他參數(shù)。由于電力生產(chǎn)的連續(xù)性和重要性，必須保證站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，因此智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)通常采用符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)。過程層網(wǎng)絡(luò)采用光纖接入，環(huán)形組網(wǎng)，雙網(wǎng)雙冗余，具有較高的帶寬和冗余機制，提供納秒級同步精度；站控層與間隔層網(wǎng)絡(luò)提供毫秒級同步精度，同樣雙網(wǎng)雙冗余接入方式。遵循IEC61850，保證變電站的產(chǎn)品的兼容性，使將來擴展變電站操作更加容易。工業(yè)以太網(wǎng)確保IED到IED高速通信有保證的傳輸時間。

（二）基于工業(yè)以太網(wǎng)的缺點和不足

目前的智能變電站通信底層網(wǎng)絡(luò)大都基于IEEE802.3以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建，上層傳輸IEC61850報文，這種組網(wǎng)方式在一定程度上保證了61850報文的時延，但在新的能源需求和電力供應(yīng)下其缺點也逐漸顯現(xiàn)?；诠I(yè)以太網(wǎng)構(gòu)建的智能變電站通信體系的不足有：

1.數(shù)據(jù)丟失、廣播風(fēng)暴等諸多異常情況，將嚴(yán)重影響信息流的實時性和可靠性，給繼電保護等業(yè)務(wù)的可靠運行帶來挑戰(zhàn)。

2.工業(yè)實時以太網(wǎng)無法在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸普通以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和實時以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。導(dǎo)致變電站內(nèi)需要另外建一張非實時以太網(wǎng)來傳輸文件、管理信息等非實時數(shù)據(jù)，導(dǎo)致建設(shè)和運維成本的增加。

3.工業(yè)以太網(wǎng)中采用交換技術(shù)降低了幀沖突，提高了實時性，仍存在端口競爭，并沒有徹底消除碰撞和排隊現(xiàn)象，極端情況會造成數(shù)據(jù)幀時延不確定性，進而威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

（三）智能變電站實時通信需求

智能變電站需要在各層內(nèi)橫向傳輸數(shù)據(jù)，也需要在層間垂直傳輸數(shù)據(jù)。垂直數(shù)據(jù)為從過程層發(fā)送到間隔層的合并單元的時延敏感量測數(shù)據(jù)，用以保護和控制變電站總線上的IED。IEC61850的傳輸報文，按照實時性要求分為7類。為了防止數(shù)據(jù)丟失，IEC61850提供了多種標(biāo)準(zhǔn)化冗余解決方案，包括并行冗余協(xié)議和高可用性無縫冗余。在IEC61850網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)變電站內(nèi)同時大量通信時，有發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能，組網(wǎng)時還需要考慮如何保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)流的網(wǎng)絡(luò)可用性。

（四）基于TSN變電站實時通信

1.全新標(biāo)準(zhǔn)：TSN已經(jīng)成為IIoT和工業(yè)4.0的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。融合TSN和IEC61850的新的標(biāo)準(zhǔn)將實現(xiàn)一種開放式架構(gòu)，可用于最復(fù)雜的變電站架構(gòu)聯(lián)網(wǎng)。

2.面向未來：TSN協(xié)議系列的核心技術(shù)已經(jīng)完成，并在不斷推出新的標(biāo)準(zhǔn)，以擴展其功能和應(yīng)用領(lǐng)域。業(yè)界著名廠商都推出了基于TSN標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)產(chǎn)品，在化工生產(chǎn)、機器人工業(yè)、深海石油鉆井等行業(yè)已有成熟部署案例。IEEE802.1標(biāo)準(zhǔn)化流程也確保了向后兼容性，意味著已部署TSN網(wǎng)絡(luò)在未來仍可以使用。

3.互操作性：TSN允許在同一網(wǎng)絡(luò)上共存實時和非實時通信，并支持低丟包率和帶寬預(yù)留。這些功能從根本上增強了傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)。隨著TSN標(biāo)準(zhǔn)的不斷推出，結(jié)果將是供應(yīng)商之間的廣泛互操作性。

4.支持新業(yè)務(wù)：機器人巡檢、無人機巡檢、廣域測量系統(tǒng)WAMS等新的應(yīng)用系統(tǒng)和新業(yè)務(wù)對時延和可靠性的要求更低，TSN能滿足新興業(yè)務(wù)的要求。

5.避免廠商鎖定：實時工業(yè)以太網(wǎng)主要為企業(yè)私有標(biāo)準(zhǔn)，容易造成廠商鎖定，為避免“卡脖子”，很多企業(yè)開始重視標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備的廠商獨立性。而TSN是全球國際標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商的產(chǎn)品只要符號標(biāo)準(zhǔn)就能連接，從而消除廠商鎖定。

三、結(jié)束語

綜上所述，智能變電站是電網(wǎng)中的重要節(jié)點，具有繼電保護、故障錄波、測量、控制等基本功能，并支持電網(wǎng)實時控制和智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能。智能變電站內(nèi)部的通信網(wǎng)絡(luò)直接決定了站內(nèi)智能終端IED、合并單元、保護裝置、測控裝置、自動化系統(tǒng)等各設(shè)備之間信息流的傳輸質(zhì)量。因此，通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性、抗干擾能力和實時性對變電站安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響越來越重要。