數字化變電站自動化系統的網絡選型問題探討

李鐵軍

摘要：科學技術廣泛應用在各樣各業，數字化變電站就是利用科學技術對傳統變電站進行更新升級的產物，極大地提高了變電站運轉效率。本文以網絡轉型為視角，在網絡選型要求、方案、對策等方面對網絡選型問題進行了論述，闡述了包括設備保護、以太網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：數字化;變電站;自動化系統;網絡選型

引言：

計算機技術、網絡通信技術發展程度越來越高的基礎上形成了變電站自動化系統。新型變電站彌補了傳統變電站諸多不足，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，數字化是其前進的重要方向，網絡選型情況對其有重要影響，有必要對此進行分析。

1 網絡選型要求的分析

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，需要傳輸大量數據，不同數據流由于其運行方式不同，因此對傳播響應速度、優先級等存在不同要求。數據流存在下述幾種，一是過程層、間隔層相互間數據交換;二是間隔層內部數據交換;三是間隔層相互間數據交換;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，需要實現下述功能，即監視信息、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，監視信息包括電流測量值、頻率值等為了監視變電站獲取的測量數據;變電站運轉期間產生的數據，此類數據優先級較低;為了滿足數據庫更新采集的數據的傳輸;監視電氣設備產生的數據。異常信息主要指突發事件下形成的信息，包括應該及時反饋的數據;正常運轉狀態下出現異常變化形成的數據;與事故相關的數據。交換信息主要指智能傳感器、執行器運行狀態下進行數據交換。非實時信息主要指防火、防盜等安全類數據。

2 網絡選型方案的分析

依據國家電網相關技術規范，結合數字化變電站相關規劃，目前，我國變電站網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

該方案實現模式有“點采點跳”、“點采網跳”這兩類。第一類普遍應用于國家數字化變電站中，第二類普遍應用于地方數字化變電站中。這種方案網絡結構與傳統變電站網絡結構相似，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，把實時數據通信通過光纖傳遞到保護、測控等層面，繼而使得采樣數據信息順利應用GOOSE網絡[2]。GOOSE依據雙網方案組網，保證動作可靠。現階段，100MGOOSE組網技術較為成熟，雖然不乏缺點，但仍能夠保證數據實時、可靠。

2.2GOOSE結合光纖點對點與采樣值網絡的方案

這一組網方案的保護裝置為光纖點對點。此外，其余數字化設備，比如計量、測控等均需要通過采樣值網絡采集數據。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據上存在不同，該方案能夠有效降低光纜所需數目，最大程度上提高數據共享與應用率。

2.3GOOSE結合SMV的方案

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

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 網絡選型對策的分析

3.1基于網絡組成

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

3.2基于設備保護

在這一部分，筆者以數字化變電站中的變壓器設備保護為例進行網絡選型有效對策分析。選擇的方案是應用IEC61850-9-2、IEEE1588、GOOSE三種網絡。其中，網絡一負責采樣，網絡二負責對時，網絡三負責共享。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、過程層具體網絡選型情況配置相應的交換機，借助主干網絡交換機構建出過程層網絡，進而實現不同層間的數據交換。本方案的應用優勢是集成了GOOSE、SMV、IEEE1588三網，能夠實現信息高效傳輸，同時網絡層次分明，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。

對于該方案下的網絡選型，可以分下述三個階段進行優化。第一，GOOSE獨立組網。具體而言，IED設備具有獨立組網的條件，結合GOOSE傳輸數據的要求，可知其符合獨立組網條件，因為數字化變電站本身的物理性質，其內部相隔，因此，GOOSE獨立組網有助于保證數據可靠傳輸，有效避免優先級不同的設備在相同網絡中傳輸。就能夠保證一旦其中某一個網絡出現故障不會干擾到其他網絡，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絡交換范圍內，則能夠實現GOOSE和變電站層的組網。MMS下的站控層所占據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數據優先傳遞。第三，系統共用網絡的發展對策，在信息技術、網絡技術等均在高速發展的狀態下，采樣依托于IEC61850-9-2，有助于實現過程層、變電站層協同發展的目標。該發展方式優點在于節約了大量設備成本，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

數字化變電站系統適用性直接受到網絡通信系統可靠性與信息化程度的影響，在一定程度上可以說沒有網絡通信系統就沒有數字化變電站。在數字化變電站中，眾所周知，主要依靠多個CPU合作實現對數據的采集、算法的保護以及指令的控制。網絡適應性直接關系到數據采集實時性以及保護性指令的命令的傳遞，網絡通信技術與通信協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，系統兩級網絡可以都應用100MHz以太網，它以TCP/IP為基礎，其開放性極高，且屬于標準化網絡。因此，以太網能夠提高資源共享率，強化系統兼容性，增強數據交換效果，該技術也因此能夠實現對變電站數據、信息資源的有效共享。同時，以太網技術成本較低，組網容易，還能夠與計算機實現高效連接，有廣泛的技術支持基礎，可以進行推廣應用。應用以太網對控制變電站數據交流存在數據不確定的問題，這一點不利于以太網應用，且交換模式下禁止以太網用戶間信息通信，這能夠實現確定通信。在網絡負荷低于25%的狀態下，變電站不同層數據傳遞效率較高。虛擬局域網能夠在邏輯上實現對變電站內部控制/非控制網絡進行有效劃分，且不依靠物理組網與配置位置，進而能夠有效提高網絡安全。

根據上文分析不難發現數字化變電站自動化系統網絡選型，必須依賴計算機信息技術，該技術發展程度直接影響系統網絡選型。通過對其研究發現網絡負荷問題是降低通信質量的關鍵。數字化變電站運轉期間一旦出現故障，網絡負荷對其此類數據傳輸產生影響，容易出現網絡堵塞問題，對數據可靠性乃至網絡適用性產生不利影響。21世紀是科技時代，在這一時代背景下，隨著以太網在變電站中的實踐應用，相信未來網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展科學技術，探索更多的組網方式，不斷提升變電站網絡安全性、可靠性，促進變電站發展。

結論：

總而言之，網絡選型在數字化變電站自動化系統發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，對其適用性進行持續實踐、分析，選擇網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

[1]岳梓為.淺談變電站自動化系統的數字化[J].科技風，2018（36）：232.

[2]藍天.對電力綜合自動化系統中數字化變電站特點和網絡選型的探討[J].電子測試，2018（Z1）：146-147.

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