智能變電站網(wǎng)絡架構優(yōu)化的研究

李松蹊 許曉峰

摘 要：本文分析智能變電站網(wǎng)絡通信的功能和性能需求、影響通信可靠性的因素，結合固定延時交換機在網(wǎng)絡架構中過程層的應用，提出網(wǎng)絡可靠的過程層網(wǎng)絡。研究了智能變電站的通訊網(wǎng)絡架構在加入固定延時交換機后的優(yōu)點。最后根據(jù)實際需求，搭建環(huán)境分別對單臺、雙臺和三臺交換機的應用進行測試試驗，驗證系統(tǒng)的可行性，為智能變電站的通信網(wǎng)絡架構選擇和應用提供依據(jù)。

關鍵詞：智能變電站;固定延時交換機;智能電子設備;可靠性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.164

0 引言

隨著各國對供電質量要求的提高，智能電網(wǎng)的作用日益凸顯。智能變電站把傳統(tǒng)變電站的所有信息采集、傳輸、處理、輸出過程由過去的模擬量信息全部轉換為數(shù)字量信息，文獻[1]通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)是智能變電站自動化系統(tǒng)的關鍵技術之一，要求通訊網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)準確、可靠、快速。

在智能變電站領域中，文獻[3]在以太網(wǎng)之上提供多種業(yè)務以及抗干擾能力較強的EPON通訊技術和網(wǎng)絡冗余技術越發(fā)得到重視。文獻[4]概述介紹了變電站自動化所涉及的相關技術。文獻[5]歸納了與電力系統(tǒng)相關的主要特征量及概念。

本文研究了智能變電站的通訊網(wǎng)絡架構在加入固定延時交換機后的優(yōu)點。根據(jù)實際需求，搭建環(huán)境分別對單臺、雙臺和三臺交換機的應用進行測試試驗，驗證系統(tǒng)的可行性，為智能變電站的通信網(wǎng)絡架構選擇和應用提供依據(jù)。

1 智能變電站網(wǎng)絡結構與設備可靠性

數(shù)字化變電站內共用網(wǎng)絡方式。隨著網(wǎng)絡通信技術的發(fā)展，采樣報文基于IEC61850-9-2標準，過程層網(wǎng)絡與變電站層網(wǎng)絡合并是數(shù)字化變電站組網(wǎng)方式發(fā)展的目標。

1.1 裝置單環(huán)網(wǎng)

（1）裝置內部自帶交換功能，實現(xiàn)一進一出的2個網(wǎng)絡口，環(huán)網(wǎng)中所有裝置串聯(lián)的通信方式。

優(yōu)點在于：結構簡單，投資費用低。缺點在于：裝置間的報文傳輸延時隨環(huán)網(wǎng)中裝置數(shù)目的增加而增加，實時性差;環(huán)網(wǎng)發(fā)生故障時自愈時間較長;裝置檢修時對環(huán)網(wǎng)通信的影響很大;對裝置性能要求更高，要求裝置具備交換功能。

1.2 交換機環(huán)形網(wǎng)

具體指連接裝置的交換機之間采用實時環(huán)網(wǎng)的通信方式，如圖2所示。

優(yōu)點在于：網(wǎng)絡冗余性最好，交換機之間網(wǎng)絡發(fā)生故障時，通過環(huán)網(wǎng)自愈依然可以保證網(wǎng)絡通信。

1.3 星形網(wǎng)

星形網(wǎng)是指交換機之間采用級聯(lián)方式組網(wǎng)。

優(yōu)點在于：網(wǎng)絡實時性好，網(wǎng)絡延時最少，不會產生網(wǎng)絡風暴。

2 基于固定延時交換機的網(wǎng)絡結構

工業(yè)用固定延時交換機是性能高、可網(wǎng)管型智能的工業(yè)以太網(wǎng)交換機，型號是KX-IS-3100-28。

2.1 基于固定延時交換機的網(wǎng)絡架構

對智能變電站單獨線路和單個獨變壓器間隔的網(wǎng)絡采樣與基于固定時延交換機采樣技術進行比較，添加了固定時延交換機采樣技術的網(wǎng)絡架構，合并單元和交換機無需要對時，保證了保護不依賴于時鐘同步，排除時鐘對時信號，丟失間隔和母線保護退出的缺點。

3 固定延時交換機的測試研究

3.1 試驗目的

通過搭建固定延時交換機測試試驗平臺，模擬固定延時交換機運行工況，測量固定延時交換機的延時時間，驗證固定延時交換機延時特性及運行穩(wěn)定性。

3.2 實驗過程

利用GPS時鐘校驗儀同時對合并單元（MU）及網(wǎng)絡報文分析儀進行授時。分別通過MU裝置向單臺、雙臺或三臺相連的交換機及網(wǎng)絡報文分析儀同時發(fā)送SV9-2報文數(shù)據(jù)包，經第一臺、第二臺或第三臺交換機接收報文數(shù)據(jù)包后發(fā)送到網(wǎng)絡報文分析儀。報文持續(xù)發(fā)送，網(wǎng)絡報文分析儀采集并記錄報文數(shù)據(jù)，計算網(wǎng)絡報文分析儀接收MU裝置及第一臺、第二臺或第三臺固定延時交換機發(fā)送的報文數(shù)據(jù)的時間間隔ΔT，分析固定延時交換機固定延時性能。

3.3 試驗結論

通過對單臺交換機進行固定延時測試試驗，單臺交換機的固定延時時間為約23μs（報文數(shù)量比例約為80%）、24μs（報文數(shù)量比例約為20%），交換機固定延時性能比較穩(wěn)定。

通過對兩臺相連的交換機進行固定延時測試試驗，兩臺交換機的固定延時時間約為46μs（報文數(shù)量比例約為98%），測試出現(xiàn)的其他延時時間（45μs、47μs、48μs、50μs、52μs）報文數(shù)量所占比例較小。交換機固定延時時間比較穩(wěn)定。

通過對三臺相連的交換機進行固定延時測試試驗，三臺交換機的固定延時時間約為69μs（報文數(shù)量比例約為88%）、68μs（報文數(shù)量比例約為12%）。交換機固定延時時間比較穩(wěn)定。

4 結語

為保證未來變電站通信網(wǎng)絡的可靠性，要求在系統(tǒng)設計時充分考慮到功能和性能需求，根據(jù)實際情況選擇適宜的的網(wǎng)絡架構;對站內智能電子設備的選型，包括智能的工業(yè)以太網(wǎng)交換機在內，應充分考慮到抗干擾問題，選擇質量過硬的產品，防止因為裝置本身硬件故障導致的網(wǎng)絡通信故障;施工階段對通信網(wǎng)絡接線應規(guī)范，避免不必要的物理原因導致通信不正常;應加強網(wǎng)絡的智能監(jiān)測和管理，必要時安裝管理軟件或系統(tǒng)，以便及時發(fā)現(xiàn)設備/網(wǎng)絡的通信故障并快速告警、處理。

參考文獻：

[1]IEC61850-1-10 Communication Networks and Systems in Substations，2004.

[2]GB/T 17463-1998 中華人民共和國國家標準.遠動設備及系統(tǒng)第4部分：性能要求[S].1998.

[3]高翔.未來變電站應用技術[M].中國電力出版社，2008.

[4]吳在軍，胡敏強.變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)協(xié)議IEC61850標準分析[J].電力自動化設備，2002，22（11）.

[5]曾瑞江，梁曉兵，高新華.變電站自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡故障分析[J].廣東電力，2008，21（01）.

[6]夏春燕，丁雪峰.變電站綜合自動化數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡的研究[J].南京示范大學學報（工程技術版），2007，7（04）.

[7]高會生，靳瑋瑋.基于OPNET的變電站端對端通信實時性仿真研究[J].繼電器，2006，34（19）.

[8]董楠，朱林，段獻忠.基于OPNET的變電站過程層網(wǎng)絡的仿真研究[J]. 繼電器，2006，34（21）.

[9]徐峰.分布式發(fā)電及其在電力系統(tǒng)中的應用研究綜述[J].科學時代，2013（21）.

[10]呂清潔，王韶，劉庭磊.含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)有功—無功綜合優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40（10）：71-76.

作者簡介：李松蹊（1992-），女，遼寧人，碩士研究生，主要研究方向：智能變電站網(wǎng)絡架構。