IP網絡在配電自動化中的應用探究

摘要：近些年來，隨著民航事業的飛速發展，對空管系統的通信、導航、監視、氣象等設備配電有了更高的要求，配電設備在通信系統自動化基礎上建設分層IP通信網絡的方案也逐漸被提出來。文章針對IP通信網絡的數據流量、性能及分支網絡組網技術進行分析，仿真研究采用OPNET軟件，結果顯示，配電自動化技術中對IP網絡的應用效果較好。

關鍵詞：IP網絡；配電自動化；變電站；通信系統；空管系統 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN929 文章編號：1009-2374（2016）24-0041-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.020

在電力行業中，智能電網屬于研究的熱門問題，是未來電力系統發展的一個主要方向。配電主站與終端之間通過相關通信技術進行連接，通信技術發揮著樞紐的作用。對于空管系統中通信、導航、雷達等邊遠臺站的配電終端而言，具有運行環境差、面廣、點多等特點，很大程度上限制了通信技術的應用。早期，國內主要采用光纖Modem環網、電力載波等通信技術，是點對點串行通信方式，管理維護工作量大、通信速率較低，無法實現就地控制等功能。隨著通信技術的不斷發展，IP通信網絡的優勢逐漸顯現出來，在主站與終端之間應用實現了智能設備之間的對等通信與透明傳輸，對分布式智能控制功能完全支持，因此是配電網智能化、自動化發展的重要方向。

1 配電自動化通信系統

1.1 系統結構研究

配電自動化系統的主要結構形式是集中控制、分布式、分層式體系結構，系統結構包含配電主站層、終端設別層、變壓器終端單元級開閉所配點終端單元等。系統只在通信方面設立配電子站層，用于數據集中與轉發。該配電自動化系統結構中，核心是主站，位于控制中心，主要功能是實現饋線自動化、數據采集與監控等功能。子站屬于網絡匯接設備，具有上下連接作用，位于變電站，能夠將配電線路上分散的饋線終端單元、配電變壓器終端單元及開閉所配電終端單元等裝置信息進行匯總，并傳輸給主站，然后將主站的信息又分配給對應終端。系統中的通信主要分為終端之間的通信和主站與子站、子站與終端間的通信。通信架構采用分層模式，主干網絡將控制中心與變電站連接起來；變電站與配電線路上各個終端單元之間通過分支網絡連接在一起。

1.2 通信報文傳遞

通信報文傳遞的時間與數據刷新的周期是報文實時性的兩個要求，報文傳遞時間包含收發兩端報文處理時間及網絡中傳輸的時間。按照報文類型與應用的環境差異，可以將報文劃分為五種不同類型，不同類型對應的報文傳遞時間也是不同的。快速報文是終端之間快速跳閘命令、狀態量變化報文；中速報文是終端之間參數傳遞、測量量、狀態量報文；低速報文3a專網：主站與終端之間參數傳遞、測量量、狀態量報文，3b公網：主站與終端之間參數傳遞、測量量、狀態量報文；命令報文，4a終端之間，4b主站與終端之間；時間同步是系統對時精度滿足的要求。

根據網絡狀況、應用環境的不同，狀態量、測量量數據對刷新周期的要求也有差異。快速刷新，1a終端間變化狀態量，1b終端間測量量與狀態量；中速刷新，2a主站與終端間變化狀態量，2b主站與終端間測量量與狀態量；低速刷新，主站與終端之間測量量與狀態量刷新，根據終端所處位置的重要性及通信方式進行選擇。

2 配電自動化IP通信網絡結構

分層結構是配電自動化IP通信網絡的主要結構，主干網絡與分支網絡通過變電站3層交換機進行連接，如果所在地區無光纖網絡，可以采用通用分組無線業務或碼分多址等方式與公共數據網絡接通。配電自動化建設中，重點是變電站與配電終端之間的分之網絡，其設備多、范圍廣，配電自動化的運行效果直接受到其建設質量的影響。

2.1 主干網絡

現階段，基本上都已經建成主干網絡，采用高速光纖網絡，帶寬可達100Mbit/s以上。

2.2 分支網絡

配電自動化中，光纖以太網絡通信方式逐漸成為普遍的通信方式，多年來，構建分支網絡的主要形式分為兩種：一種是以太網無源光纖網絡（EPON）；另一種是工業以太網。一些無法實現光纖網絡的區域，應用GPRS/CDMA等無線公網也可實現。（1）EPON。是一種支持多種業務接口、拓撲靈活的純光介質接入技術。與工業以太網模式相比，EPON適用于配電自動化通信，如果環網柜等一次設備失電，直接影響到工業以太網交換機，造成交換機無法工作，整個光纖環網通信中斷。在應用EPON后，如果環網柜等一次設備失電，其只會影響該單元無法通信，對整個光纖環路通信不會產生影響；（2）工業以太網。在數據傳輸中，主要采用光纜和雙絞線，與商用以太網可以兼容，在適用性、產品強度及材質選擇上也能滿足工業需求。其交換機具有適應性強、耐高溫、功耗小等特點，在多數地區配電網自動化系統中已經得到廣泛應用；（3）GPRS/CDMA。當前，國內無線公共網絡主要包含中國聯通CDMA與中國移動GPRS兩種，信號覆蓋范圍非常廣，因此在配電自動化網絡中，可以將其作為電力專用網絡，對電力網絡系統進行補充。

3 IP網絡性能分析

3.1 計算數據流量

由于配電終端的不同所采集到的信息量也是不同的，其協議也不同，產生的數據量、數據刷新周期也不同，對兩種不同的協議通信數據報文進行對比，結果如表1所示：

3.2 網絡仿真

3.2.1 仿真模型。對變電站自動化網絡采用OPNET網絡通信進行仿真，仿真內容如下：（1）采用Video Conference服務對全數據信息進行模擬；（2）采用文件傳輸協議服務對變位遙信進行模擬；（3）采用FTP服務對網絡中的突發事件進行模擬，如信息文件傳遞。

3.2.2 主站和終端的通信。采用光纖對IP網絡進行組網，主站與配電終端數據通信基于主干網絡、分支網絡實現，根據時間要求對遙信信息進行刷新，并對全數據進行刷新。為達到仿真結果具有代表性，配電終端設置為3000個，2000個環網柜饋線終端單元、1000個柱上開關饋線終端單元，本模型不考慮配電變壓器終端單元接入。將整個網絡進行劃分，分為11個局域網，其中控制中心局域網1個，變電站局域網11個。通過100Mbit/s光纖網絡將11個局域網連接到IP-Cloud，構成一個整體網絡。各變電站局域網內包含30個10Mbit/s的交換局域網，模擬環網柜饋線終端單元20個，模擬柱上開關饋線終端單元10個。對主站與終端進行30分鐘的模擬通信，采用IEC 60870-5與IEC 61850 MMS通信協議，對兩種協議通信延時進行觀察，如圖1。根據圖1可知，通信穩定后，IEC 61850 MMS通信延遲0.25ms左右，IEC 60870-5通信延遲0.13ms左右，盡管都有延遲，但都能滿足配電自動化通信的要求。

3.2.3 終端與終端通信。在同一環網柜饋線終端單元或柱上開關饋線終端單元間，通過分支網絡可以實現快速通信的功能，數據刷新用快速刷新，根據時間要求對遙信變位等信息進行刷新，對全數據進行刷新。以環網柜饋線終端單元為例，10個環網柜饋線終端單元構成一個局域網，傳輸速率為10Mbir/s，建立模型。終端與終端進行30分鐘的方針通信，結果如圖2。從圖2可知，待數據穩定以后，IEC 61850 MMS協議通信延時3ms左右，IEC 60870-5協議通信延遲0.7ms左右。進行文件傳遞的過程中，因為數據量比較大，則網絡延遲增大，IP網絡可滿足終端之間的快速通信要求。

4 結語

采用OPNET仿真模型試驗，結果可知，響應速度與光纖接入有關系，光纖接入的終端報文傳遞時間較短。隨著通信設備成本的下降和通信技術的發展，將IP網絡用于民航空管設備配電自動化主站、子站、終端中，完全能夠適應配電自動化的需求，滿足邊遠臺站供電的較高可靠性要求，促進了配電自動化與智能化的發展。

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作者簡介：袁維（1972-），女，廣東韶關人，中國民用航空西北地區空中交通管理局工程師，研究方向：供配電。

（責任編輯：蔣建華）