智能電網(wǎng)變電站的無線通信體系架構(gòu)研究

摘要：文章提出了一種基于解析變電站文件構(gòu)建數(shù)據(jù)流模型進(jìn)而完成無線通信網(wǎng)組網(wǎng)的方法，首先深入分析了變電站設(shè)備的相關(guān)模型，通過解析變電站配置文件對(duì)數(shù)據(jù)流模型進(jìn)行分析；其次根據(jù)數(shù)據(jù)流模型完成了無線通信網(wǎng)的構(gòu)建，并從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中得到了設(shè)備的鏈接關(guān)系和地址映射關(guān)系；最后通過小型變電站對(duì)文章所提方法進(jìn)行了應(yīng)用性驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；無線通信；體系架構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

智能變電站的自動(dòng)化系統(tǒng)可以劃分為“三層兩網(wǎng)”的基礎(chǔ)架構(gòu)，包括站控層級(jí)、間隔層級(jí)、過程層級(jí)3層，以及站控層級(jí)-間隔層級(jí)之間的網(wǎng)絡(luò)和過程層的網(wǎng)絡(luò)^［1］。根據(jù)變電站智能設(shè)備的應(yīng)用功能將其配置在相應(yīng)的位置^［2］。在智能變電站中，繼電保護(hù)設(shè)備會(huì)依據(jù)就地分散的原則進(jìn)行配置，如果采用有線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，會(huì)導(dǎo)致通信線纜的配置極其復(fù)雜；如果采用無線通信方式完成配置則可以實(shí)現(xiàn)快速配置，能夠滿足多種業(yè)務(wù)類型的靈活接入，同樣可以降低運(yùn)行維護(hù)成本^［3］。

1 變電站系統(tǒng)模型

基于智能變電站現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為基礎(chǔ)提出一種新型的無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

采用無線通信方式接入的設(shè)備具備無線通信功能，而其他層級(jí)的智能變電站設(shè)備通過有線網(wǎng)絡(luò)與接入到無線網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信^［4］。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中過程層是最關(guān)鍵的，因此其設(shè)計(jì)至關(guān)重要，直接關(guān)系到變電站的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性^［5］。

2 變電站無線通信拓?fù)?/p>

變電站的數(shù)據(jù)流模型與變電站的智能設(shè)備之間存在著必然的關(guān)聯(lián)關(guān)系，具體涉及項(xiàng)包括數(shù)據(jù)負(fù)載、鏈路負(fù)載等。基于報(bào)文的數(shù)據(jù)流模型能夠直接與變電站無線通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)上，這能夠保證單個(gè)設(shè)備有效接入通信網(wǎng)絡(luò)，保證整個(gè)過程層處于可控狀態(tài)和透明狀態(tài)。

2.1 變電站數(shù)據(jù)流模型

變電站過程層網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)通路的形式存在。智能變電設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的傳輸路徑可以通過網(wǎng)絡(luò)樹的形式呈現(xiàn)，不同數(shù)據(jù)源之間有著不同的關(guān)聯(lián)關(guān)系，這些關(guān)系組合在一起可以通過網(wǎng)絡(luò)形式體現(xiàn)出來。在本文中，數(shù)據(jù)流模型主要分為3種類型，即拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點(diǎn)流模型和鏈路流模型^［6-7］。其中，數(shù)據(jù)源是樹結(jié)構(gòu)本身的根節(jié)點(diǎn)，由于生成報(bào)文的類型和周期的不同可以具體歸類為周期性節(jié)點(diǎn)和突發(fā)性節(jié)點(diǎn)2大類別。

假設(shè)變電站的過程層包含了p個(gè)設(shè)備，將該設(shè)備作為節(jié)點(diǎn)，則設(shè)備間的拓?fù)滏溄雨P(guān)系可以用無向圖G的節(jié)點(diǎn)連接矩陣A_p×p描述：

其中，

其中，i=1，2，…，p；j=1，2，…，p。

則智能變電站設(shè)備流量計(jì)算模型為：

其中，N_p×1為對(duì)應(yīng)于設(shè)備i的流量負(fù)載；流量計(jì)算模型矩陣中的元素n_i=I_i+（-O_i）；描述了該節(jié)點(diǎn)的流入流量為I_i；流出流量為O_i；C_p×d為設(shè)備的報(bào)文集合。

其中，d為對(duì)過程層網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文的數(shù)量，C_p×d的元素值為：

其中，k_j為報(bào)文j的長度；i=1，2，…，p；j=1，2，…，d。U_d×1為：

U_d×1=［u₁u₂…u_d］^T（6）

其中，u_i為數(shù)據(jù)源在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)送的報(bào)文i數(shù)量。單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送的報(bào)文數(shù)量與發(fā)送時(shí)間間隔互為倒數(shù)，由數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)是的節(jié)點(diǎn)類型決定。

鏈路流量的計(jì)算模型為：

M_p×1=F_h×d×U_d×1=［m₁m₂…m_h］^T（7）

其中，F(xiàn)_h×d為報(bào)文與鏈路上行的關(guān)聯(lián)矩陣：

其中，h為鏈路的數(shù)量，矩陣F_h×d的元素為：

變電站的數(shù)據(jù)流計(jì)算可以基于以下步驟實(shí)現(xiàn)：

（1）對(duì)變電站配置文件進(jìn)行解析，得到過程層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)源設(shè)備發(fā)送的報(bào)文集合U_d×1、報(bào)文發(fā)送的時(shí)間間隔、報(bào)文長度。

（2）根據(jù)設(shè)備連接矩陣A_p×p得到設(shè)備流量計(jì)算模型N_p×1和鏈路流量計(jì)算模型M_p×1。

2.2 基于變電站配置文件的數(shù)據(jù)流計(jì)算

變電站的配置文件涵蓋的信息十分豐富，完備的變電站配置文件包括數(shù)據(jù)頭文件、變電站信息文件、智能變電站設(shè)備文件、通信及數(shù)據(jù)類型信息5個(gè)部分。通過對(duì)變電站配置文件進(jìn)行解析，能夠提取數(shù)據(jù)流的類型、報(bào)文長度、報(bào)文對(duì)應(yīng)關(guān)系等信息。

報(bào)文包含了3個(gè)部分，即以太網(wǎng)頭、協(xié)議數(shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)符、應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元，其中前2部分長度固定為18 Byte和8 Byte，第三部分長度源自于解析報(bào)文引用的數(shù)據(jù)集合。變電站配置文件描述了智能變電站設(shè)備發(fā)送報(bào)文的相關(guān)屬性信息和接收?qǐng)?bào)文的相關(guān)屬性信息，對(duì)這2個(gè)部分進(jìn)行解析提取出智能變電站設(shè)備之間相互關(guān)聯(lián)關(guān)系。

根據(jù)解析得到的報(bào)文之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)通信處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，SV報(bào)文為180 Byte，100點(diǎn)/周期采樣值，則單路SV報(bào)文包含的數(shù)據(jù)量為5.6 Mbit/s；GOOSE報(bào)文為500 Byte，10點(diǎn)/周期采樣值，則單路GOOSE報(bào)文包含的數(shù)據(jù)量為0.01 Mbit/s。

2.3 IDE設(shè)備與無線接入設(shè)備的鏈接關(guān)系

基于節(jié)點(diǎn)所具有的流量負(fù)載矩陣N_3×1以及對(duì)應(yīng)的鏈路流量負(fù)載矩陣M_2×1，節(jié)點(diǎn)流量的權(quán)重參數(shù)需要滿足p₂gt;p₁gt;p₃，得到報(bào)文之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為RF110A與NF110A和WF1101對(duì)應(yīng)，則可以將RF110A配置在B無線設(shè)備接入點(diǎn)下。此時(shí)B無線設(shè)備的輸入流量能夠達(dá)到5.6 Mbit/s，輸出流量能夠達(dá)到0.03 Mbit/s；相對(duì)應(yīng)A無線設(shè)備的輸入流量能夠達(dá)到0.03 Mbit/s，輸出流量能夠達(dá)到5.6 Mbit/s。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在m個(gè)無線接入設(shè)備，則智能變電站設(shè)備與無線接入設(shè)備之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

其中，

3 應(yīng)用分析

以某110 kV電壓等級(jí)的小型智能變電站作為研究對(duì)象，Linux平臺(tái)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)專門針對(duì)智能變電站配置文件解析工具，利用該工具提取智能變電站設(shè)備報(bào)文之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，設(shè)備的配置節(jié)點(diǎn)編號(hào)和鏈路的對(duì)應(yīng)編號(hào)如表1—2所示。

4 結(jié)語

隨著智能電網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，大量的智能設(shè)備參與電網(wǎng)運(yùn)行，本文提出了一種基于解析變電站文件構(gòu)建數(shù)據(jù)流模型進(jìn)而完成無線通信網(wǎng)組網(wǎng)的方法，以解決現(xiàn)有有線通信方式設(shè)備布線復(fù)雜、布線造價(jià)高的問題。從分析智能變電站數(shù)據(jù)流模型的角度出發(fā)，解析變電站配置文件，提取數(shù)據(jù)流完成數(shù)據(jù)流模型的搭建從而實(shí)現(xiàn)變電站無線通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步完成設(shè)備之間的設(shè)計(jì)連接、邏輯端口之間的配置、邏輯模型的連接等，從而完成最終的全部設(shè)計(jì)任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

［1］初德龍，尤天晴，張頊.智能變電站無線通信平臺(tái)建設(shè)方案研究［J］.電力勘測設(shè)計(jì)，2018（增刊2）：227-233.

［2］王勇，韓少曉，尚力，等.智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)新型體系架構(gòu)研究與實(shí)踐［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2019（8）：145-151.

［3］張潤潤，薛令前.變電站現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與技術(shù)分析［J］.通信電源技術(shù)，2023（20）：213-216.

［4］姚志鵬.新型數(shù)字智能變電站監(jiān)控及巡視系統(tǒng)應(yīng)用研究［J］.電氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2023（9）：228-230.

［5］盛亞杰，赫樹開，曾曉哲，等.基于LoRa無線通信技術(shù)的變電站環(huán)境感知節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代信息科技，2023（2）：161-163，166.

［6］羅蓬，郝曉光，趙宇皓，等.基于無線數(shù)據(jù)通信的智能變電站二次設(shè)備集成測試系統(tǒng)開發(fā)［J］.電測與儀表，2017（2）：76-82.

［7］林超智，吳欽瑩.智能配電網(wǎng)中無線通信技術(shù)的運(yùn)用分析［J］.通信電源技術(shù)，2023（14）：149-151.

（編輯 沈 強(qiáng)）

Research on wireless communication architecture for smart grid substation

Zhou" Jing¹， Zhang" Xuanrui²

（1.Ultra High Voltage Company， State Grid Gansu Electric Power Company， Lanzhou 730070， China; 2.Lanzhou Power Supply Company， State Grid Gansu Electric Power Company， Lanzhou 730070， China）Abstract：This paper proposes a method to construct a data flow model based on parsing substation files and then complete the wireless communication network formation. Firstly， the relevant model of substation equipment is analyzed in depth， and the data flow model is analyzed by parsing the substation configuration files; secondly， the construction of the wireless communication network is completed according to the data flow model， and the topology is obtained from the equipment’s The link relationship and address mapping relationship are obtained from the topology of the devices. Finally， the proposed method is validated by a small substation. Finally， the proposed method is validated by a small substation.

Key words：smart grid; wireless communication; architecture