數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與實(shí)時(shí)特性改進(jìn)

劉帥帥，劉洪帥

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司超高壓公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引 言

數(shù)字化變電站注重提高電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平，通過(guò)應(yīng)用數(shù)字化的設(shè)備和傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)字化控制和遠(yuǎn)程通信。通過(guò)高精度的數(shù)字式電壓和電流互感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和電流信號(hào)的精確采集和傳輸。這些互感器具有較高的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和抗干擾能力，為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。數(shù)字化變電站還強(qiáng)調(diào)信息化管理，利用現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)變電站的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，能有效提高變電站的運(yùn)行效率和可靠性。數(shù)字化變電站是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的主要方向，推動(dòng)了電力系統(tǒng)的智能化和可持續(xù)化發(fā)展。

1 數(shù)字化變電站的特征

數(shù)字化變電站是指通過(guò)傳感器、監(jiān)測(cè)裝置和智能設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程操作。第一，能夠集成來(lái)自不同設(shè)備的數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)提供實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，為運(yùn)維決策提供依據(jù)。第二，可以自動(dòng)執(zhí)行操作和控制，利用人工智能和自學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的智能管理和優(yōu)化。第三，能根據(jù)需要進(jìn)行靈活配置和升級(jí)，以滿足不同電網(wǎng)運(yùn)行需求。第四，通過(guò)數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備協(xié)同工作和遠(yuǎn)程操作，以提高電網(wǎng)運(yùn)行效率和運(yùn)行的安全性[1]。

2 組網(wǎng)方式

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選擇是確保網(wǎng)絡(luò)工作效率和可靠性的關(guān)鍵，根據(jù)當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展情況，數(shù)字化變電站參考電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域全球通用（IEC 61850）標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)字式電流電壓互感器規(guī)范（IEC-60044-7/8）標(biāo)準(zhǔn)，通信網(wǎng)絡(luò)使用以太網(wǎng)，過(guò)程網(wǎng)絡(luò)使用抗電磁干擾強(qiáng)的光纖介質(zhì)，站級(jí)和對(duì)外網(wǎng)絡(luò)使用光纖或雙絞線介質(zhì)[2]。數(shù)字化變電站合理的組網(wǎng)模式，建立的網(wǎng)絡(luò)在滿足承載功能并滿足性能需求、保持網(wǎng)絡(luò)本體論的參數(shù)不變的情況下，最大限度地提升網(wǎng)絡(luò)的性能和變電站的信息化應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)效率與投資之間的均衡。處理網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 處理網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1（a）為“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)-多點(diǎn)”模式，數(shù)據(jù)處理僅可由本區(qū)間內(nèi)的一個(gè)裝置獨(dú)占或少數(shù)裝置共享；圖1（b）所示的工藝網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為“星”模式，工藝數(shù)據(jù)可由各工位裝置共用。這2種組網(wǎng)模式是將一個(gè)邏輯外部的網(wǎng)絡(luò)并入一個(gè)站點(diǎn)級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)，使站外的網(wǎng)絡(luò)可以直接接入站點(diǎn)內(nèi)部的隔離裝置。即利用區(qū)間式裝置在廣域范圍內(nèi)的信息交流，對(duì)輸、配電網(wǎng)進(jìn)行大范圍的監(jiān)控，是建立數(shù)字變電站的主要目的。

在此基礎(chǔ)上，提出了一種分布式控制方法，旨在實(shí)現(xiàn)更加高效和可靠的電力系統(tǒng)運(yùn)行。分布式控制方法是將控制功能分散到各個(gè)智能設(shè)備和傳感器中，使各設(shè)備互相協(xié)作完成對(duì)電力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制任務(wù)。該方法不僅可以降低系統(tǒng)發(fā)生單點(diǎn)故障的概率，還能提高系統(tǒng)整體的容錯(cuò)性和健壯性。通過(guò)智能設(shè)備和傳感器之間的實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)交換，各設(shè)備得以共享信息、協(xié)同工作，從而更準(zhǔn)確地感知電力系統(tǒng)的狀態(tài)變化，并采取相應(yīng)的控制策略。此外，分布式控制方法還具備自適應(yīng)和自修復(fù)能力，能根據(jù)系統(tǒng)變化的條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和優(yōu)化，既能保證系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性，又能保證系統(tǒng)的可擴(kuò)充性。該方法適合于整個(gè)數(shù)字化變電站通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但也有一些網(wǎng)絡(luò)只能采用點(diǎn)到點(diǎn)的通信模式。

3 數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性

在數(shù)字化變電站中，通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性是非常重要的，實(shí)時(shí)性取決于網(wǎng)絡(luò)的帶寬、訪問(wèn)仲裁、傳輸控制方法、優(yōu)先級(jí)以及組網(wǎng)方式等多個(gè)因素[3]。以太網(wǎng)是最常用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但最初開(kāi)發(fā)的目的并非實(shí)時(shí)控制，而是為滿足商業(yè)需求，存在實(shí)時(shí)性差和不確定性等問(wèn)題。而信息碰撞是一種用于實(shí)現(xiàn)均衡性和頻帶共享的機(jī)制，并非是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)本身的缺點(diǎn)。

為提高以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性、滿足工業(yè)過(guò)程控制的需求，可以采用多種方法。例如，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方法，可以防止數(shù)據(jù)的碰撞和延遲；優(yōu)化訪問(wèn)仲裁機(jī)制、改進(jìn)傳輸控制方法和設(shè)置優(yōu)先級(jí)等手段來(lái)提升以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性能。

4 數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)特性改進(jìn)

4.1 帶優(yōu)先級(jí)的交換式以太網(wǎng)

在帶優(yōu)先級(jí)的交換式以太網(wǎng)中，數(shù)據(jù)幀通過(guò)交換機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和路由。每個(gè)數(shù)據(jù)幀都包含一個(gè)優(yōu)先級(jí)字段，用于指示數(shù)據(jù)的重要程度或?qū)崟r(shí)性要求，交換機(jī)會(huì)根據(jù)優(yōu)先級(jí)字段來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)度，確保高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)幀優(yōu)先傳輸。其中，數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)字段可以根據(jù)需求進(jìn)行劃分，以滿足不同應(yīng)用對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)可以被優(yōu)先處理和傳輸，提高實(shí)時(shí)應(yīng)用的響應(yīng)速度和效率。交換機(jī)使用特定的調(diào)度算法來(lái)管理數(shù)據(jù)幀的傳輸順序，例如，基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度算法。調(diào)度算法會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)和網(wǎng)絡(luò)狀況，決定數(shù)據(jù)幀的傳輸順序，從而滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用需求。通過(guò)優(yōu)先級(jí)劃分和調(diào)度算法的實(shí)施，帶優(yōu)先級(jí)的交換式以太網(wǎng)能確保高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)獲得更多的帶寬，避免低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的傳輸占用過(guò)多的網(wǎng)絡(luò)資源。帶優(yōu)先級(jí)的交換式以太網(wǎng)在數(shù)字化變電站等實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著重要作用，能夠提供更可靠、響應(yīng)速度更快的通信性能。

4.2 實(shí)時(shí)調(diào)度協(xié)議

實(shí)時(shí)調(diào)度協(xié)議是一種用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制的通信協(xié)議。常見(jiàn)的實(shí)時(shí)調(diào)度協(xié)議是將一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)，通過(guò)該節(jié)點(diǎn)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，使其他節(jié)點(diǎn)按照一定的順序進(jìn)入該節(jié)點(diǎn)。該方法通過(guò)控制節(jié)點(diǎn)的接入過(guò)程，從而有效地為數(shù)據(jù)傳輸預(yù)留帶寬，避免數(shù)據(jù)碰撞，以滿足應(yīng)用的實(shí)時(shí)性要求。但目前對(duì)于實(shí)時(shí)調(diào)度協(xié)議的研究仍處于實(shí)驗(yàn)階段，尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。不同設(shè)備廠家之間的協(xié)調(diào)存在困難，在擁有多個(gè)不同類型設(shè)備的系統(tǒng)中實(shí)時(shí)調(diào)度協(xié)議的可用性較低。因此，在選擇實(shí)時(shí)調(diào)度協(xié)議時(shí)需要考慮其可行性和兼容性[4]。

實(shí)時(shí)調(diào)度協(xié)議主要是為了解決在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，如何確保任務(wù)按照實(shí)時(shí)性要求準(zhǔn)時(shí)執(zhí)行的問(wèn)題。除了將一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)的方式，實(shí)時(shí)調(diào)度協(xié)議還包括時(shí)間觸發(fā)調(diào)度、優(yōu)先級(jí)調(diào)度、輪詢調(diào)度等。其中，時(shí)間觸發(fā)調(diào)度是根據(jù)任務(wù)的到達(dá)時(shí)間和截止時(shí)間，按照一定的優(yōu)先級(jí)和算法進(jìn)行調(diào)度，以確保按時(shí)完成任務(wù)。例如，周期性任務(wù)可以根據(jù)周期來(lái)觸發(fā)，以保證在規(guī)定的任務(wù)周期內(nèi)執(zhí)行；優(yōu)先級(jí)調(diào)度則是根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)來(lái)確定任務(wù)的執(zhí)行順序，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行；輪詢調(diào)度是按照一定的順序?qū)θ蝿?wù)進(jìn)行循環(huán)調(diào)度，每次只選擇一個(gè)任務(wù)執(zhí)行一定數(shù)量的時(shí)間片，完成后切換到下一個(gè)任務(wù)。包括實(shí)時(shí)以太網(wǎng)（Real-Time Ethernet，RTE）技術(shù)、PROFINET、EtherCAT等在內(nèi)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議主要通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信機(jī)制和協(xié)議棧的改進(jìn)，適用于工業(yè)自動(dòng)化等實(shí)時(shí)控制場(chǎng)景。由于不同設(shè)備廠家的差異和標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一，實(shí)時(shí)調(diào)度協(xié)議的兼容性和可用性仍存在一些挑戰(zhàn)。為了提高實(shí)時(shí)調(diào)度協(xié)議在不同設(shè)備間的可用性，一些行業(yè)組織和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)致力于推動(dòng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定和統(tǒng)一。通過(guò)持續(xù)的研究和實(shí)踐進(jìn)一步完善和發(fā)展實(shí)時(shí)調(diào)度協(xié)議，以滿足數(shù)字化變電站等實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的需求。

4.3 傳輸控制措施

傳輸成型、通信平滑和實(shí)時(shí)控制層是數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵傳輸控制措施。其中，傳輸成型是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，確保在傳輸過(guò)程中保持穩(wěn)定的傳輸速率和延遲，從而有效防止數(shù)據(jù)擁塞和丟失。同時(shí)可以利用排隊(duì)、緩沖和調(diào)整傳輸速率等方法，平衡數(shù)據(jù)流量，確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸；通信平滑則是依靠流量控制和擁塞控制技術(shù)，確保數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中平滑傳輸，避免發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞和數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)送速率、設(shè)置擁塞窗口和使用隊(duì)列管理機(jī)制等手段，實(shí)現(xiàn)流暢的通信過(guò)程；實(shí)時(shí)控制層通過(guò)引入實(shí)時(shí)通信協(xié)議，如網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議（IEEE 1588）標(biāo)準(zhǔn)，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性和及時(shí)性。IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)可以提供準(zhǔn)確的時(shí)間同步，確保數(shù)據(jù)按時(shí)到達(dá)目的地，滿足實(shí)時(shí)控制的要求。通過(guò)采用傳輸控制措施，能有效提升數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)的性能和可靠性，保證變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的正常運(yùn)行和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。因此，傳輸成型、通信平滑和實(shí)時(shí)控制層是構(gòu)建高效數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)的重要步驟[5]。

5 結(jié) 論

針對(duì)目前電力系統(tǒng)中存在組網(wǎng)模式、網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性等問(wèn)題，提出了優(yōu)化數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)特性的方法，如帶優(yōu)先級(jí)的交換式以太網(wǎng)、實(shí)時(shí)調(diào)度協(xié)議、傳輸控制措施。但在構(gòu)建數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)方面，仍是一種全新的探索，不管是在技術(shù)層面，還是管理層面，都存在著許多待解決的問(wèn)題。因此，未來(lái)需要探究如何實(shí)現(xiàn)站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一、廣播區(qū)域的劃分、保障信息安全。