通信傳輸在新型電力系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)應(yīng)用探索

［關(guān)鍵詞］新型電力系統(tǒng)；通信傳輸；實(shí)時(shí)應(yīng)用；網(wǎng)絡(luò)安全；故障恢復(fù)

［中圖分類號(hào)］TM73 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）10–0004–03

新型電力系統(tǒng)包括智能電網(wǎng)、可再生能源、電動(dòng)車等技術(shù)，其復(fù)雜性和規(guī)模的不斷增加，對(duì)通信傳輸提出了更高的要求。有效的通信傳輸是實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)高效運(yùn)行和智能管理的關(guān)鍵，因此，對(duì)通信傳輸在新型電力系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)應(yīng)用進(jìn)行深入研究具有重要意義。吳贊紅[1]、賀艷等[2] 和冶娟[3] 提出了基于深度學(xué)習(xí)和生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的安全威脅檢測(cè)與防御方法，為電網(wǎng)安全提供了新的思路。在此基礎(chǔ)上，提出模擬仿真的方法，以分析新型電力系統(tǒng)中通信傳輸?shù)奶魬?zhàn)和需求，并在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上提出針對(duì)性的解決方案，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效運(yùn)行和智能管理作出貢獻(xiàn)。

1新型電力系統(tǒng)中通信傳輸問(wèn)題分析

1.1實(shí)時(shí)性挑戰(zhàn)

電力系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)量龐大且傳輸頻繁，傳感器和監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)生成大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要迅速傳輸至控制中心進(jìn)行處理和決策，因此通信網(wǎng)絡(luò)必須能夠承受高負(fù)載并保證數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸。傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)在高負(fù)載下容易出現(xiàn)擁堵，導(dǎo)致傳輸時(shí)延增加，影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。同時(shí)，不同類型的數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求不同，控制命令和緊急事件報(bào)警等關(guān)鍵數(shù)據(jù)要求幾乎零時(shí)延的傳輸，而普通監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)則相對(duì)寬松，因此，通信系統(tǒng)需具備數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)管理機(jī)制，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)能夠優(yōu)先傳輸。不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)如何進(jìn)行有效的區(qū)分和處理成為技術(shù)上的關(guān)鍵。

傳輸介質(zhì)的選擇對(duì)于實(shí)時(shí)性也有著重要的影響，在傳輸過(guò)程中易受環(huán)境的干擾，從而導(dǎo)致信號(hào)的不穩(wěn)定和傳輸?shù)难舆t。雖然光纖通信具有較高的穩(wěn)定性和帶寬，但成本較高且安裝復(fù)雜，因此為了平衡成本和性能，需要根據(jù)具體情況選擇適當(dāng)?shù)膫鬏斀橘|(zhì)。系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性增加了實(shí)時(shí)傳輸?shù)碾y度。現(xiàn)代電力系統(tǒng)包含多個(gè)子系統(tǒng)和眾多設(shè)備，這些設(shè)備之間需要進(jìn)行頻繁的通信和協(xié)調(diào)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳輸路徑多樣，如何優(yōu)化傳輸路徑和調(diào)度策略，確保整體系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性成為一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

1.2可靠性需求

在新型電力系統(tǒng)中，通信傳輸?shù)目煽啃允潜Ｕ舷到y(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。電力系統(tǒng)通常包含多個(gè)發(fā)電站、變電站和配電網(wǎng)絡(luò)，因此，通信網(wǎng)絡(luò)需具備高度可靠性，各環(huán)節(jié)間的通信需要高度協(xié)調(diào)，若某個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信出現(xiàn)故障，可能會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。因此，必須在通信網(wǎng)絡(luò)中引入冗余設(shè)計(jì)，確保在單個(gè)節(jié)點(diǎn)或鏈路發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)仍能通過(guò)備用路徑繼續(xù)運(yùn)行。環(huán)境因素對(duì)通信傳輸?shù)目煽啃杂绊懸草^大，電力系統(tǒng)經(jīng)常分布在各種復(fù)雜環(huán)境中，電磁干擾、物理破壞和極端氣象條件都會(huì)影響通信設(shè)備的正常運(yùn)行，選擇適應(yīng)性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)的通信設(shè)備和技術(shù)尤為重要。例如，光纖通信技術(shù)，其抗干擾能力和傳輸穩(wěn)定性在復(fù)雜的環(huán)境下非常適用，但成本較高。

電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性和實(shí)時(shí)性要求也對(duì)通信傳輸?shù)目煽啃蕴岢隽烁咭螅到y(tǒng)需要對(duì)電力傳輸和分配進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整。任何數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t或丟失都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響，通信系統(tǒng)需要采用高可靠性的傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)糾錯(cuò)技術(shù)，減少數(shù)據(jù)丟失和傳輸錯(cuò)誤，以保證實(shí)時(shí)和可靠的傳輸。

1.3安全性隱患

新型電力系統(tǒng)中，通信傳輸?shù)陌踩灾陵P(guān)重要，但同時(shí)其也面臨諸多隱患和挑戰(zhàn)：網(wǎng)絡(luò)安全威脅。網(wǎng)絡(luò)攻擊風(fēng)險(xiǎn)顯著增加，電力系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)可能成為惡意攻擊者的目標(biāo)，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓或數(shù)據(jù)泄漏，常見的攻擊手段包括拒絕服務(wù)（DoS）攻擊、惡意軟件感染、數(shù)據(jù)篡改和信息竊取等，這些攻擊不僅會(huì)影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還可能導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。數(shù)據(jù)隱私問(wèn)題。電力系統(tǒng)中涉及大量敏感數(shù)據(jù)，如用戶用電信息、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)一旦被非法獲取或泄漏，將對(duì)用戶隱私和系統(tǒng)安全造成嚴(yán)重威脅。內(nèi)部威脅。電力系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)通常涉及多方人員，包括內(nèi)部員工、外部供應(yīng)商和第三方合作伙伴，由于人為錯(cuò)誤或惡意行為，內(nèi)部威脅可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄漏、設(shè)備損壞或系統(tǒng)運(yùn)行異常，如何有效防范內(nèi)部威脅是保障電力系統(tǒng)安全的關(guān)鍵。④通信設(shè)備和技術(shù)安全性。電力系統(tǒng)使用的通信設(shè)備和技術(shù)如果存在漏洞或被攻破，將嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的安全性，同時(shí)設(shè)備固件和軟件如果沒有及時(shí)更新，也可能會(huì)被利用進(jìn)行攻擊。

2通信傳輸在新型電力系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)應(yīng)用探索

2.1模擬仿真

在模擬仿真試驗(yàn)中使用MATLAB/Simulink 等工具實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型。其中，電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型基于節(jié)點(diǎn)電壓法或母線導(dǎo)納法描述，考慮了電力系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流之間的關(guān)系。假設(shè)電力系統(tǒng)由RLC 電路組成簡(jiǎn)單交流電路，可通過(guò)以下微分方程組描述電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

完整的電力系統(tǒng)微分方程組可應(yīng)用上述微分方程到整個(gè)電力系統(tǒng)中的各個(gè)支路中，再結(jié)合節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流之間的關(guān)系得到。通信傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性可通過(guò)模擬仿真試驗(yàn)進(jìn)行綜合評(píng)估，以提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，用于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

2.2實(shí)地測(cè)試

一系列實(shí)地測(cè)試是在模擬方法的基礎(chǔ)上，對(duì)模擬試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，得出真實(shí)的資料和情況。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以模擬電力系統(tǒng)實(shí)際工作情況和運(yùn)行狀態(tài)為目的，在真實(shí)的電力系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行。通過(guò)將通信傳輸設(shè)備和傳感器布置在現(xiàn)場(chǎng)，并配合地方電力公司對(duì)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和電力系統(tǒng)的通信傳輸進(jìn)行記錄。

（1）試驗(yàn)對(duì)象。選擇具有代表性的電力系統(tǒng)場(chǎng)景，例如，城市供電網(wǎng)或農(nóng)村微電網(wǎng)。布置通信設(shè)備，如路由器、交換機(jī)等，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和通信功能。布置傳感器，監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)的電壓、電流、頻率等參數(shù)。

（2）試驗(yàn)方法。在選定的試驗(yàn)地點(diǎn)，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的布置方案，安裝并連接傳感器和通信設(shè)備。通過(guò)通信設(shè)備將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心或監(jiān)控中心，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)。在實(shí)地測(cè)試過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的電壓、電流、頻率等參數(shù)，以及通信傳輸?shù)臅r(shí)延、丟包率等指標(biāo)，并將數(shù)據(jù)記錄下來(lái)。將實(shí)地測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)與模擬仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模擬仿真試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性，評(píng)估通信傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。根據(jù)實(shí)地測(cè)試結(jié)果提出改進(jìn)建議，優(yōu)化電力系統(tǒng)的通信傳輸方案和參數(shù)設(shè)置，以提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

通過(guò)以上實(shí)地測(cè)試方法，可獲取真實(shí)場(chǎng)景下的電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和通信傳輸情況。得出的驗(yàn)證模擬仿真試驗(yàn)結(jié)果見表1，以為電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供實(shí)際參考。

3解決方案的提出與分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步提高新型電力系統(tǒng)中通信傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性和安全性，提出以下優(yōu)化方案。

3.1優(yōu)化傳輸協(xié)議

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)前通信傳輸協(xié)議能夠在較低時(shí)延和丟包率的條件下，滿足電力系統(tǒng)的基本需求。然而，為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能，需要對(duì)傳輸協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化。

（1）選擇更高效的協(xié)議。采用專為低延遲和高可靠性設(shè)計(jì)的通信協(xié)議，如基于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)的協(xié)議。這類協(xié)議能夠確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性和低時(shí)延。

（2）動(dòng)態(tài)調(diào)整傳輸參數(shù)。引入自適應(yīng)傳輸機(jī)制，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和環(huán)境變化對(duì)傳輸參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，如帶寬分配和傳輸路徑等，從而在提高數(shù)據(jù)傳輸效率的同時(shí)，保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）優(yōu)先級(jí)管理。在傳輸過(guò)程中引入數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)管理機(jī)制，對(duì)關(guān)鍵性數(shù)據(jù)賦予更高優(yōu)先級(jí)，以便在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況下仍能優(yōu)先傳輸數(shù)據(jù)，從而提高網(wǎng)絡(luò)的可用性和可靠性，使網(wǎng)絡(luò)資源得到更有效的利用。

3.2加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的丟包率雖低，但網(wǎng)絡(luò)安全仍然是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，所以提出以下加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全的措施。

（1）以保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行為第一目標(biāo)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)備進(jìn)行升級(jí)和改進(jìn)，以使其具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

（2）在傳輸中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行端到端加密，使敏感信息難以被攻擊者截獲和讀取，從而達(dá)到保護(hù)信息安全的目的。

（3）為了嚴(yán)格把關(guān)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的用戶和設(shè)備的權(quán)限，必須實(shí)施身份認(rèn)證機(jī)制。對(duì)每一個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備與用戶進(jìn)行識(shí)別和授權(quán)的嚴(yán)格把關(guān)，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)和濫用網(wǎng)絡(luò)資源。

（4）在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中部署監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)潛在的安全威脅和攻擊進(jìn)行識(shí)別和響應(yīng)，并采取相應(yīng)的防御措施，提高網(wǎng)絡(luò)安全性，保障計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全。

（5）將關(guān)鍵系統(tǒng)與非關(guān)鍵系統(tǒng)隔離，從而減少潛在攻擊面，提高網(wǎng)絡(luò)安全和可靠性。在防火墻上對(duì)關(guān)鍵和非關(guān)鍵的流量分別加以控制和過(guò)濾。

3.3建立快速故障恢復(fù)機(jī)制

為增強(qiáng)電力系統(tǒng)在通信故障時(shí)的恢復(fù)能力，建立快速故障恢復(fù)機(jī)制尤為重要。

（1）冗余設(shè)計(jì)。冗余設(shè)計(jì)引入通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)冗余鏈路和設(shè)備保證系統(tǒng)在某一鏈路或某一設(shè)備發(fā)生故障時(shí)仍能繼續(xù)運(yùn)行。

（2）自動(dòng)故障檢測(cè)和切換。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)故障偵測(cè)及快速切換機(jī)制，可快速切換至備用鏈路，減少故障對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，當(dāng)偵測(cè)到通訊鏈路故障時(shí)，可快速切換至備用鏈路。

（3）定期演練和測(cè)試。定期開展故障恢復(fù)演練和測(cè)試，以提高系統(tǒng)整體故障應(yīng)對(duì)能力，確保在實(shí)際情況下，各項(xiàng)故障恢復(fù)機(jī)制能夠有效運(yùn)行。

4結(jié)束語(yǔ)

本研究從現(xiàn)實(shí)問(wèn)題、穩(wěn)定性需求和潛在安全風(fēng)險(xiǎn)等多方面對(duì)通信傳輸在新型電力系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)應(yīng)用進(jìn)行了全面探討。針對(duì)顯著的預(yù)測(cè)不確定性，對(duì)數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)響應(yīng)性進(jìn)行了定量分析，并通過(guò)仿真技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提出了一系列改進(jìn)措施，包括優(yōu)化傳輸協(xié)議、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)防護(hù)以及建立快速故障恢復(fù)機(jī)制。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)大幅提升了信息傳遞的即時(shí)性與可靠性，增強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)防護(hù)手段有效防范了多種安全風(fēng)險(xiǎn)，構(gòu)建的快速故障恢復(fù)體系對(duì)提升系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性起到了重要作用。這些改進(jìn)措施使得系統(tǒng)在面對(duì)各類安全隱患時(shí)能夠更加有效地進(jìn)行防御。研究成果為通信傳輸技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)應(yīng)用提供了重要的參考價(jià)值與技術(shù)支持。未來(lái)的研究將進(jìn)一步聚焦于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則的深入優(yōu)化、通信網(wǎng)絡(luò)防護(hù)難題的詳細(xì)研究，旨在推動(dòng)能源供應(yīng)系統(tǒng)的智能化與數(shù)字化轉(zhuǎn)型，探索創(chuàng)新的信息傳輸技術(shù)與新型設(shè)備的應(yīng)用，并對(duì)實(shí)際案例中的信息傳輸效果進(jìn)行更深入的考察。