數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡選型問題探討

李鐵軍

摘要：科學技術廣泛應用在各樣各業(yè)，數(shù)字化變電站就是利用科學技術對傳統(tǒng)變電站進行更新升級的產(chǎn)物，極大地提高了變電站運轉效率。本文以網(wǎng)絡轉型為視角，在網(wǎng)絡選型要求、方案、對策等方面對網(wǎng)絡選型問題進行了論述，闡述了包括設備保護、以太網(wǎng)運用等的有效選型對策，希望為我國變電站工作順利開展提供借鑒。

關鍵詞：數(shù)字化;變電站;自動化系統(tǒng);網(wǎng)絡選型

引言：

計算機技術、網(wǎng)絡通信技術發(fā)展程度越來越高的基礎上形成了變電站自動化系統(tǒng)。新型變電站彌補了傳統(tǒng)變電站諸多不足，在我國應用廣泛，但也存在一些局限性。隨著技術日新月異，新型變電站也在不斷升級更新，數(shù)字化是其前進的重要方向，網(wǎng)絡選型情況對其有重要影響，有必要對此進行分析。

1 網(wǎng)絡選型要求的分析

變電站結構一般可分為變電站層、間隔層、過程層，如圖1所示，需要傳輸大量數(shù)據(jù)，不同數(shù)據(jù)流由于其運行方式不同，因此對傳播響應速度、優(yōu)先級等存在不同要求。數(shù)據(jù)流存在下述幾種，一是過程層、間隔層相互間數(shù)據(jù)交換;二是間隔層內部數(shù)據(jù)交換;三是間隔層相互間數(shù)據(jù)交換;四是變電站層、間隔層的有效通信;五是變電站層內部有效通信[1]。

從有效通信的角度來看，需要實現(xiàn)下述功能，即監(jiān)視信息、異常信息、交換信息以及非實時信息這四項的有效通信。其中，監(jiān)視信息包括電流測量值、頻率值等為了監(jiān)視變電站獲取的測量數(shù)據(jù);變電站運轉期間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)優(yōu)先級較低;為了滿足數(shù)據(jù)庫更新采集的數(shù)據(jù)的傳輸;監(jiān)視電氣設備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。異常信息主要指突發(fā)事件下形成的信息，包括應該及時反饋的數(shù)據(jù);正常運轉狀態(tài)下出現(xiàn)異常變化形成的數(shù)據(jù);與事故相關的數(shù)據(jù)。交換信息主要指智能傳感器、執(zhí)行器運行狀態(tài)下進行數(shù)據(jù)交換。非實時信息主要指防火、防盜等安全類數(shù)據(jù)。

2 網(wǎng)絡選型方案的分析

依據(jù)國家電網(wǎng)相關技術規(guī)范，結合數(shù)字化變電站相關規(guī)劃，目前，我國變電站網(wǎng)絡通信存在下述幾種主要形式：

2.1GOOSE融入光纖點對點的方案

該方案實現(xiàn)模式有“點采點跳”、“點采網(wǎng)跳”這兩類。第一類普遍應用于國家數(shù)字化變電站中，第二類普遍應用于地方數(shù)字化變電站中。這種方案網(wǎng)絡結構與傳統(tǒng)變電站網(wǎng)絡結構相似，主要是把IEC60870更改為了IEC61850，變電站過程層采取對點交流采樣單元合并模式，換言之，采取過程總線結合光纖點對點的模式，把實時數(shù)據(jù)通信通過光纖傳遞到保護、測控等層面，繼而使得采樣數(shù)據(jù)信息順利應用GOOSE網(wǎng)絡[2]。GOOSE依據(jù)雙網(wǎng)方案組網(wǎng)，保證動作可靠?，F(xiàn)階段，100MGOOSE組網(wǎng)技術較為成熟，雖然不乏缺點，但仍能夠保證數(shù)據(jù)實時、可靠。

2.2GOOSE結合光纖點對點與采樣值網(wǎng)絡的方案

這一組網(wǎng)方案的保護裝置為光纖點對點。此外，其余數(shù)字化設備，比如計量、測控等均需要通過采樣值網(wǎng)絡采集數(shù)據(jù)。該方案與上述方案一相似，但是在測控、錄波等二次設備采集數(shù)據(jù)上存在不同，該方案能夠有效降低光纜所需數(shù)目，最大程度上提高數(shù)據(jù)共享與應用率。

2.3GOOSE結合SMV的方案

這一方案也可以稱作過程總線方案，實現(xiàn)方法為“網(wǎng)采網(wǎng)跳”，可以細分為分網(wǎng)與共網(wǎng)。該方案主要特征是采樣值與GOOSE信號都可以進行數(shù)據(jù)通信，強化了信息共享。在采樣值與GOOSE進行組網(wǎng)后，可以引入VLAN技術把過程層劃分為若干功能性子網(wǎng)，再使用交換機提供分級服務，一方面保證數(shù)據(jù)通信的實時性，另一方面還能保證優(yōu)先數(shù)據(jù)優(yōu)先通信，避免因排隊延時重要數(shù)據(jù)得不到及時傳遞。

2.4GOOSE結合IEEE1588與交流采樣9-2的方案

這一方案的核心是應用了IEEE1588技術，使得SMV、GOOSE、以及IEEE1588進行了整合，形成了網(wǎng)絡共享平臺，如圖2所示，該方案對交換機具有極高要求，因此，相較于其他方案，更加不易推廣。

3 網(wǎng)絡選型對策的分析

3.1基于網(wǎng)絡組成

數(shù)字化變電站系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、分析、處理一般處在一個處理器控制下開展工作，這進一步提高了數(shù)據(jù)采集、轉換、計算、傳遞的速度?，F(xiàn)階段，數(shù)字化變電站存在大量應用微處理器控制處理數(shù)據(jù)的運行模式，在這種情況下，數(shù)據(jù)采集、處理、指令傳遞成為了系統(tǒng)運行關鍵，對此可以通過設計運行流程提高不同步驟的契合度?，F(xiàn)場總線通常難以滿足數(shù)字化變電站實操需求，對此可以引入以太網(wǎng)，更好地傳輸數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)快速進入信息管理區(qū)域，保證本地數(shù)據(jù)、遠程監(jiān)視數(shù)據(jù)都能夠實時傳輸[3]。還可以借助以太網(wǎng)高速度的優(yōu)勢，將其與數(shù)據(jù)采集模塊進行整合，依托于多串口設備或者數(shù)據(jù)采集卡模式，對數(shù)據(jù)進行采集、控制。

3.2基于設備保護

在這一部分，筆者以數(shù)字化變電站中的變壓器設備保護為例進行網(wǎng)絡選型有效對策分析。選擇的方案是應用IEC61850-9-2、IEEE1588、GOOSE三種網(wǎng)絡。其中，網(wǎng)絡一負責采樣，網(wǎng)絡二負責對時，網(wǎng)絡三負責共享。即是說，過程層應用GOOSE，間隔層與過程層采用IEC61850-9-2。依照間隔層、過程層具體網(wǎng)絡選型情況配置相應的交換機，借助主干網(wǎng)絡交換機構建出過程層網(wǎng)絡，進而實現(xiàn)不同層間的數(shù)據(jù)交換。本方案的應用優(yōu)勢是集成了GOOSE、SMV、IEEE1588三網(wǎng)，能夠實現(xiàn)信息高效傳輸，同時網(wǎng)絡層次分明，減少了光纜浪費，有助于加強設計、維護，且具有廣泛的應用前景，但該技術對科學技術水平要求較高，難度高，其可靠性容易受到干擾。

對于該方案下的網(wǎng)絡選型，可以分下述三個階段進行優(yōu)化。第一，GOOSE獨立組網(wǎng)。具體而言，IED設備具有獨立組網(wǎng)的條件，結合GOOSE傳輸數(shù)據(jù)的要求，可知其符合獨立組網(wǎng)條件，因為數(shù)字化變電站本身的物理性質，其內部相隔，因此，GOOSE獨立組網(wǎng)有助于保證數(shù)據(jù)可靠傳輸，有效避免優(yōu)先級不同的設備在相同網(wǎng)絡中傳輸。就能夠保證一旦其中某一個網(wǎng)絡出現(xiàn)故障不會干擾到其他網(wǎng)絡，進而提高變電站運行可靠性。第二，若通過IEEE802.1P交換機設計優(yōu)先級，進行了組播流量過濾，且有效避免流量一直處于第二層網(wǎng)絡交換范圍內，則能夠實現(xiàn)GOOSE和變電站層的組網(wǎng)。MMS下的站控層所占據(jù)的帶寬不管是在正常還是異常情況下，均高于GOOSE，因此可以支撐IEEE802.1P交換機，進而能夠保證GOOSE數(shù)據(jù)優(yōu)先傳遞。第三，系統(tǒng)共用網(wǎng)絡的發(fā)展對策，在信息技術、網(wǎng)絡技術等均在高速發(fā)展的狀態(tài)下，采樣依托于IEC61850-9-2，有助于實現(xiàn)過程層、變電站層協(xié)同發(fā)展的目標。該發(fā)展方式優(yōu)點在于節(jié)約了大量設備成本，間隔層采用一個通信口即可。需要注意的是，在實踐中該組網(wǎng)方式還應當綜合考量電壓、負載等因素。

3.3基于有效應用

數(shù)字化變電站系統(tǒng)適用性直接受到網(wǎng)絡通信系統(tǒng)可靠性與信息化程度的影響，在一定程度上可以說沒有網(wǎng)絡通信系統(tǒng)就沒有數(shù)字化變電站。在數(shù)字化變電站中，眾所周知，主要依靠多個CPU合作實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、算法的保護以及指令的控制。網(wǎng)絡適應性直接關系到數(shù)據(jù)采集實時性以及保護性指令的命令的傳遞，網(wǎng)絡通信技術與通信協(xié)議對保護命令的傳遞速度存在直接影響。

為了達到良好的控制效果、應用效果，系統(tǒng)兩級網(wǎng)絡可以都應用100MHz以太網(wǎng)，它以TCP/IP為基礎，其開放性極高，且屬于標準化網(wǎng)絡。因此，以太網(wǎng)能夠提高資源共享率，強化系統(tǒng)兼容性，增強數(shù)據(jù)交換效果，該技術也因此能夠實現(xiàn)對變電站數(shù)據(jù)、信息資源的有效共享。同時，以太網(wǎng)技術成本較低，組網(wǎng)容易，還能夠與計算機實現(xiàn)高效連接，有廣泛的技術支持基礎，可以進行推廣應用。應用以太網(wǎng)對控制變電站數(shù)據(jù)交流存在數(shù)據(jù)不確定的問題，這一點不利于以太網(wǎng)應用，且交換模式下禁止以太網(wǎng)用戶間信息通信，這能夠實現(xiàn)確定通信。在網(wǎng)絡負荷低于25%的狀態(tài)下，變電站不同層數(shù)據(jù)傳遞效率較高。虛擬局域網(wǎng)能夠在邏輯上實現(xiàn)對變電站內部控制/非控制網(wǎng)絡進行有效劃分，且不依靠物理組網(wǎng)與配置位置，進而能夠有效提高網(wǎng)絡安全。

根據(jù)上文分析不難發(fā)現(xiàn)數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡選型，必須依賴計算機信息技術，該技術發(fā)展程度直接影響系統(tǒng)網(wǎng)絡選型。通過對其研究發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡負荷問題是降低通信質量的關鍵。數(shù)字化變電站運轉期間一旦出現(xiàn)故障，網(wǎng)絡負荷對其此類數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生影響，容易出現(xiàn)網(wǎng)絡堵塞問題，對數(shù)據(jù)可靠性乃至網(wǎng)絡適用性產(chǎn)生不利影響。21世紀是科技時代，在這一時代背景下，隨著以太網(wǎng)在變電站中的實踐應用，相信未來網(wǎng)絡速度將會得到質的飛躍，變電站運行效率不斷提高。相關人士必須重視發(fā)展科學技術，探索更多的組網(wǎng)方式，不斷提升變電站網(wǎng)絡安全性、可靠性，促進變電站發(fā)展。

結論：

總而言之，網(wǎng)絡選型在數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)發(fā)展進程中具有舉足輕重的作用，且涉及眾多科學技術，對其研究不是一蹴而就的。需要相關人士從多個角度出發(fā)，對其適用性進行持續(xù)實踐、分析，選擇網(wǎng)絡通信形式期間還應當進行全局性考慮，明確各種條件下的應用情況，進而保證變電站運行安全可靠。

參考文獻

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[3]朱學科.基于數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡選型探討[J].電子技術與軟件工程，2017（24）：34-35.