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摘要：介紹了數(shù)字化變電站監(jiān)控系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，分析了站控層、過程層通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)類型和組網(wǎng)方式，為后續(xù)數(shù)字化變電站監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)方案的設(shè)計與選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化變電站；監(jiān)控系統(tǒng)；通信技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

0引言

通信、計算機(jī)和自動控制等技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了智能電網(wǎng)的建設(shè)和全球能源互聯(lián)的發(fā)展。數(shù)字化變電站作為智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)單元，擔(dān)負(fù)著電壓轉(zhuǎn)換、功率輸送和新能源接入的重任。經(jīng)過近10年的發(fā)展，我國數(shù)字化變電站取得了重大突破，但在通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)配置方面仍存在諸多不足，尤其是不定期的網(wǎng)絡(luò)“死數(shù)”、“通信中斷”、“丟包”等通信故障的發(fā)生，使得數(shù)字化變電站監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行可靠性急速降低，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的安全運(yùn)行。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的深入，對數(shù)字化變電站監(jiān)控系統(tǒng)的要求越來越高。監(jiān)控系統(tǒng)不僅要保障變電站的正常運(yùn)行，還要滿足變電站系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的數(shù)字化信息交互需求。基于此，本文對數(shù)字化變電站監(jiān)控系統(tǒng)通信方式和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的優(yōu)缺點進(jìn)行分析和探討，并提出適用于不同電壓等級數(shù)字化變電站的監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)推薦方案，為數(shù)字化變電站監(jiān)控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和系統(tǒng)配置提供技術(shù)支持。

1數(shù)字化變電站監(jiān)控系統(tǒng)介紹

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，需要變電站提供的實時數(shù)據(jù)和信息越來越多，對變電站無人值班、信息交互、數(shù)據(jù)共享等數(shù)字化和智能化的要求越來越高。數(shù)字化變電站監(jiān)控系統(tǒng)是變電站實現(xiàn)數(shù)字化、信息化和智能化的重要技術(shù)手段，是變電站發(fā)展的趨勢。與傳統(tǒng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)相比，其功能、作用和地位發(fā)生了明顯變化，最顯著的特點是數(shù)據(jù)采集與傳輸過程的數(shù)字化、通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化及監(jiān)控信息與數(shù)據(jù)的共享化。數(shù)字化變電站監(jiān)控系統(tǒng)按照系統(tǒng)構(gòu)架和功能組成可分為站控層、間隔層、過程層和網(wǎng)絡(luò)層。站控層由操作員站、五防系統(tǒng)、遠(yuǎn)動通信系統(tǒng)等組成，主要實現(xiàn)站內(nèi)設(shè)備監(jiān)控與接受調(diào)度管控；間隔層由測控、保護(hù)、測量、故障錄波等設(shè)備組成，主要完成站內(nèi)一、二次設(shè)備的自動化控制和電氣量安全保護(hù)；過程層由電子式互感器、合并單元、智能終端和一次智能設(shè)備組成，主要實現(xiàn)數(shù)字化信息的采集與交互。通信網(wǎng)絡(luò)分為站－間層網(wǎng)絡(luò)與間－過層網(wǎng)絡(luò)：站－間層網(wǎng)絡(luò)由站控交換機(jī)與間隔層測控、保護(hù)裝置等網(wǎng)絡(luò)接口組成，主要實現(xiàn)整個變電站監(jiān)控系統(tǒng)的生產(chǎn)信息和運(yùn)行數(shù)據(jù)的實時傳送；間－過層網(wǎng)絡(luò)由過程層交換機(jī)與就地合并單元、智能終端設(shè)備組成，主要完成GOOSE和SV信號的傳輸。

2站控層通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

通信技術(shù)是數(shù)字化變電站監(jiān)控系統(tǒng)的重要技術(shù)支撐，其通信構(gòu)架和網(wǎng)絡(luò)方式的合理性決定了監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)膶崟r性和可靠性，因而需要對數(shù)字化變電站通信技術(shù)進(jìn)行分析，根據(jù)變電站的不同運(yùn)行要求選擇合適的通信方案。目前，數(shù)字化變電站通信系統(tǒng)的典型網(wǎng)絡(luò)主要有星型、環(huán)型和總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2．1星型網(wǎng)絡(luò)

星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要以交換機(jī)N為數(shù)據(jù)交換中心，交換機(jī)N與其它交換機(jī)進(jìn)行直連，交換機(jī)1與交換機(jī)（N－1）之間相互獨(dú)立運(yùn)行并與間隔層對應(yīng)的測控、保護(hù)裝置進(jìn)行通信。本文以過程層某合并單元發(fā)送的信息量64B，交換機(jī)端口傳輸速率100Mbit／s，交換機(jī)自身延時時間6μs為例，計算數(shù)字化變電站星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最大延時。通信系統(tǒng)內(nèi)部的信息傳輸時間TCS＝64B×8bit×（1／100Mbit／s）＝5．12μs。由于星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的數(shù)字化變電站一次設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)從過程層傳輸至站控層，至少經(jīng)過3個交換機(jī)，因此傳輸最大延時TYS＝（TCS＋TIn）×3＝（5．12＋6）×3＝33．36μs。星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的信息傳輸時間和傳輸延時相對固定，傳輸速率較快。星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是系統(tǒng)構(gòu)架簡單、易擴(kuò)展、接線較少和數(shù)據(jù)傳輸速率快等，除交換機(jī)N以外的任何交換機(jī)故障或異常均不會影響其它交換機(jī)和整個通信系統(tǒng)的運(yùn)行，從系統(tǒng)構(gòu)架上杜絕了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的傳輸風(fēng)險；但缺點是安全可靠性不高，一旦交換機(jī)N故障就將導(dǎo)致整個通信系統(tǒng)癱瘓，影響整個變電站的正常運(yùn)行。同時，星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需配置大量的交換機(jī)，會增加整個通信系統(tǒng)的成本。

2．2環(huán)型網(wǎng)絡(luò)

環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是將交換機(jī)1～N組成封閉的環(huán)網(wǎng)，間隔層測控、保護(hù)裝置可任意接入環(huán)網(wǎng)中的任一交換機(jī)，環(huán)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)可沿著環(huán)網(wǎng)順時針方向進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。若其中某臺交換機(jī)節(jié)點故障或異常，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)便通過另一端口進(jìn)行結(jié)構(gòu)重組，形成兩路傳輸通道，從而保證非故障交換機(jī)節(jié)點的可靠運(yùn)行，因而具有較強(qiáng)的可靠性。通常環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化變電站一次設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)從過程層傳輸至站控層，至少經(jīng)過5臺以上交換機(jī)，因此數(shù)據(jù)傳輸最小延時TYS＝（TCS＋TIn）×5＝（5．12＋6）×5＝55．6μs。環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可靠性高、交換機(jī)數(shù)量少和布線簡單等；但缺點是傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)過的交換機(jī)較多，導(dǎo)致延時較長、傳輸速率較慢，且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，后續(xù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入較困難，不易擴(kuò)展。同時，環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對交換機(jī)的功能配置要求較高，環(huán)網(wǎng)內(nèi)的所有交換機(jī)必須是管理性交換機(jī)，因而增加了通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的投資成本。

2．3總線型網(wǎng)絡(luò)

總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是數(shù)字化變電站中應(yīng)用最多的通信方式，其原理較簡單，所有運(yùn)行交換機(jī)之間通過端口進(jìn)行并連。圖3中，交換機(jī)1～N通過端口互連，形成一條總線，并連后所有交換機(jī)可視為一臺交換機(jī)。總線上的交換機(jī)按廣播方式通信，任何一臺交換機(jī)發(fā)出的信息，總線上的其它交換機(jī)均能接收。通常，總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的數(shù)字化變電站一次設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)從過程層傳輸至站控層，至少經(jīng)過2臺以上交換機(jī)，因此數(shù)據(jù)傳輸最小延時。總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、布線方便、成本低、易維護(hù)；但缺點是冗余性差、信息安全能力薄弱，一旦總線上某個交換機(jī)節(jié)點故障，就將影響與之關(guān)聯(lián)的通信區(qū)域。通常，總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要增加第2條總線，形成通信冗余網(wǎng)絡(luò)，保證通信可靠性。

3間隔層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)分析

3．1間隔層

SV、GOOSE通信現(xiàn)狀當(dāng)前，我國35kV以上電壓等級數(shù)字化變電站過程層通信組網(wǎng)方式分為兩種：一種是GOOSE網(wǎng)與SV網(wǎng)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)配置；另一種是GOOSE網(wǎng)與SV混合組網(wǎng)。SV報文主要負(fù)責(zé)傳輸合并單元所采集的遙測信息，傳輸信息量較大，對通信傳輸?shù)目煽啃砸筝^高。GOOSE報文則負(fù)責(zé)完成測控、保護(hù)裝置與智能終端之間的遙信、遙控信息的發(fā)送和接收，對通信傳輸速率和實時性的要求較高。數(shù)字化變電站中所有遙信、遙控及遙測信息均以SV、GOOSE報文形式進(jìn)行傳輸。若間隔層網(wǎng)絡(luò)配置或通信方式選擇不當(dāng)，則極易造成網(wǎng)絡(luò)丟包或網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴現(xiàn)象發(fā)生，會對數(shù)字化變電站監(jiān)控系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成極大影響。

3．2間隔層

SV、GOOSE混合組網(wǎng)方式間隔層SV、GOOSE混合組網(wǎng)的優(yōu)點是組網(wǎng)方便、投資成本較低，但易受網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)吞吐率和傳輸延時的影響。通常220kV及以上電壓等級數(shù)字化變電站過程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的速率限值為100Mb／s，正常情況下GOOSE報文的傳輸速率小于4Mb／s，SV報文的傳輸速率小于8Mb／s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于網(wǎng)絡(luò)層交換機(jī)100Mb／s傳輸速率限制。然而，一旦間隔層交換機(jī)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴就會占用交換機(jī)99Mb／s以上的傳輸速率。若GOOSE與SV混合組網(wǎng)，SV發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴則會造成GOOSE網(wǎng)丟包現(xiàn)象；同理，GOOSE網(wǎng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴不僅影響SV報文的傳輸速率，還會對間隔層測控、保護(hù)裝置的控制與保護(hù)功能造成影響。另外，GOOSE、SV混合組網(wǎng)時交換機(jī)需傳輸?shù)男畔⒘看螅覀鬏斔俾士欤瑫?dǎo)致間隔層主交換機(jī)發(fā)生過熱現(xiàn)象，影響交換機(jī)的使用壽命和監(jiān)控系統(tǒng)的安全性。

3．3間隔層

SV、GOOSE獨(dú)立組網(wǎng)方式間隔層SV、GOOSE獨(dú)立組網(wǎng)的目的是減少SV與GOOSE報文傳輸過程中的相互影響，保證間隔層數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性，但缺點是SV、GOOSE網(wǎng)需單獨(dú)配置交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)，使得投資成本較高、維護(hù)工作量大。由于SV網(wǎng)與GOOSE網(wǎng)相互獨(dú)立，因此抗網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的能力比混合組網(wǎng)方式強(qiáng)。當(dāng)SV網(wǎng)或GOOSE網(wǎng)交換機(jī)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴時，SV報文、GOOSE報文信息仍能正常傳輸，保障了間隔層網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)膶崟r性與可靠性。

4結(jié)語

通過對數(shù)字化變電站站控層采用的星型、環(huán)型和總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點分析，可看出總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可靠性差、信息安全能力不足及傳輸速率較慢，只適用于110kV及以下電壓等級數(shù)字化變電站監(jiān)控系統(tǒng)，而220kV及以上電壓等級數(shù)字化變電站監(jiān)控系統(tǒng)對站控層網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崟r性和傳輸速率要求較高，適宜采用雙環(huán)網(wǎng)或雙星型網(wǎng)絡(luò)，同時網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴對間隔層通信網(wǎng)絡(luò)的危害較大，在間隔層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計之初就應(yīng)綜合考慮數(shù)字化變電站的投資成本、傳輸速率及安全可靠性。基于35kV數(shù)字化變電站間隔層數(shù)據(jù)量較小、傳輸速率的要求不高，可采用SV、GOOSE混合組網(wǎng)方式，但對于110kV及以上電壓等級數(shù)字化變電站間隔層網(wǎng)絡(luò)則需單獨(dú)設(shè)置SV網(wǎng)與GOOSE網(wǎng)，以降低網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴帶來的危害，保證過程層SV、GOOSE報文信息傳輸速率和實時性。

參考文獻(xiàn)

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作者:馬恩寧 單位:云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司大理供電局