智能變電站網絡架構優化的研究
「本文分析智能變電站網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絡架構中過程層的應用，提出網絡可靠的過程層網絡。研究了智能變電站的通訊網絡架構在加入固定延時交換機后的優點。最后根據實際需求，搭建環境分別對單臺、雙臺和三臺交換機的應用進行測試試驗，驗證系統的可行性，為智能變電站的通信網絡架構選擇和應用提供依據。(2023-2-25)」
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，智能電網的作用日益凸顯。智能變電站把傳統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字量信息，文獻[1]通信網絡和系統是智能變電站自動化系統的關鍵技術之一，要求通訊網絡傳輸數據準確、可靠、快速。
在智能變電站領域中，文獻[3]在以太網之上提供多種業務以及抗干擾能力較強的EPON通訊技術和網絡冗余技術越發得到重視。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絡架構在加入固定延時交換機后的優點。根據實際需求，搭建環境分別對單臺、雙臺和三臺交換機的應用進行測試試驗，驗證系統的可行性，為智能變電站的通信網絡架構選擇和應用提供依據。
1 智能變電站網絡結構與設備可靠性
數字化變電站內共用網絡方式。隨著網絡通信技術的發展，采樣報文基于IEC61850-9-2標準，過程層網絡與變電站層網絡合并是數字化變電站組網方式發展的目標。
1.1 裝置單環網
（1）裝置內部自帶交換功能，實現一進一出的2個網絡口，環網中所有裝置串聯的通信方式。
優點在于：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網中裝置數目的增加而增加，實時性差;環網發生故障時自愈時間較長;裝置檢修時對環網通信的影響很大;對裝置性能要求更高，要求裝置具備交換功能。
1.2 交換機環形網
具體指連接裝置的交換機之間采用實時環網的通信方式，如圖2所示。
優點在于：網絡冗余性最好，交換機之間網絡發生故障時，通過環網自愈依然可以保證網絡通信。
1.3 星形網
星形網是指交換機之間采用級聯方式組網。
優點在于：網絡實時性好，網絡延時最少，不會產生網絡風暴。
2 基于固定延時交換機的網絡結構
工業用固定延時交換機是性能高、可網管型智能的工業以太網交換機，型號是KX-IS-3100-28。
2.1 基于固定延時交換機的網絡架構
對智能變電站單獨線路和單個獨變壓器間隔的網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絡報文分析儀同時發送SV9-2報文數據包，經第一臺、第二臺或第三臺交換機接收報文數據包后發送到網絡報文分析儀。報文持續發送，網絡報文分析儀采集并記錄報文數據，計算網絡報文分析儀接收MU裝置及第一臺、第二臺或第三臺固定延時交換機發送的報文數據的時間間隔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（報文數量比例約為80%）、24μs（報文數量比例約為20%），交換機固定延時性能比較穩定。
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（報文數量比例約為98%），測試出現的其他延時時間（45μs、47μs、48μs、50μs、52μs）報文數量所占比例較小。交換機固定延時時間比較穩定。
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（報文數量比例約為88%）、68μs（報文數量比例約為12%）。交換機固定延時時間比較穩定。
4 結語
為保證未來變電站通信網絡的可靠性，要求在系統設計時充分考慮到功能和性能需求，根據實際情況選擇適宜的的網絡架構;對站內智能電子設備的選型，包括智能的工業以太網交換機在內，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絡通信故障;施工階段對通信網絡接線應規范，避免不必要的物理原因導致通信不正常;應加強網絡的智能監測和管理，必要時安裝管理軟件或系統，以便及時發現設備/網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.變電站通信網絡和系統協議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.變電站自動化系統網絡故障分析[J].廣東電力，2008，21（01）.
[6]夏春燕，丁雪峰.變電站綜合自動化數據通信網絡的研究[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的變電站過程層網絡的仿真研究[J]. 繼電器，2006，34（21）.
[9]徐峰.分布式發電及其在電力系統中的應用研究綜述[J].科學時代，2013（21）.
[10]呂清潔，王韶，劉庭磊.含分布式發電的配電網有功—無功綜合優化[J].電力系統保護與控制，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：智能變電站網絡架構。
(減惱)
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，智能電網的作用日益凸顯。智能變電站把傳統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字量信息，文獻[1]通信網絡和系統是智能變電站自動化系統的關鍵技術之一，要求通訊網絡傳輸數據準確、可靠、快速。
在智能變電站領域中，文獻[3]在以太網之上提供多種業務以及抗干擾能力較強的EPON通訊技術和網絡冗余技術越發得到重視。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絡架構在加入固定延時交換機后的優點。根據實際需求，搭建環境分別對單臺、雙臺和三臺交換機的應用進行測試試驗，驗證系統的可行性，為智能變電站的通信網絡架構選擇和應用提供依據。
1 智能變電站網絡結構與設備可靠性
數字化變電站內共用網絡方式。隨著網絡通信技術的發展，采樣報文基于IEC61850-9-2標準，過程層網絡與變電站層網絡合并是數字化變電站組網方式發展的目標。
1.1 裝置單環網
（1）裝置內部自帶交換功能，實現一進一出的2個網絡口，環網中所有裝置串聯的通信方式。
優點在于：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網中裝置數目的增加而增加，實時性差;環網發生故障時自愈時間較長;裝置檢修時對環網通信的影響很大;對裝置性能要求更高，要求裝置具備交換功能。
1.2 交換機環形網
具體指連接裝置的交換機之間采用實時環網的通信方式，如圖2所示。
優點在于：網絡冗余性最好，交換機之間網絡發生故障時，通過環網自愈依然可以保證網絡通信。
1.3 星形網
星形網是指交換機之間采用級聯方式組網。
優點在于：網絡實時性好，網絡延時最少，不會產生網絡風暴。
2 基于固定延時交換機的網絡結構
工業用固定延時交換機是性能高、可網管型智能的工業以太網交換機，型號是KX-IS-3100-28。
2.1 基于固定延時交換機的網絡架構
對智能變電站單獨線路和單個獨變壓器間隔的網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絡報文分析儀同時發送SV9-2報文數據包，經第一臺、第二臺或第三臺交換機接收報文數據包后發送到網絡報文分析儀。報文持續發送，網絡報文分析儀采集并記錄報文數據，計算網絡報文分析儀接收MU裝置及第一臺、第二臺或第三臺固定延時交換機發送的報文數據的時間間隔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（報文數量比例約為80%）、24μs（報文數量比例約為20%），交換機固定延時性能比較穩定。
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（報文數量比例約為98%），測試出現的其他延時時間（45μs、47μs、48μs、50μs、52μs）報文數量所占比例較小。交換機固定延時時間比較穩定。
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（報文數量比例約為88%）、68μs（報文數量比例約為12%）。交換機固定延時時間比較穩定。
4 結語
為保證未來變電站通信網絡的可靠性，要求在系統設計時充分考慮到功能和性能需求，根據實際情況選擇適宜的的網絡架構;對站內智能電子設備的選型，包括智能的工業以太網交換機在內，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絡通信故障;施工階段對通信網絡接線應規范，避免不必要的物理原因導致通信不正常;應加強網絡的智能監測和管理，必要時安裝管理軟件或系統，以便及時發現設備/網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.變電站通信網絡和系統協議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.變電站自動化系統網絡故障分析[J].廣東電力，2008，21（01）.
[6]夏春燕，丁雪峰.變電站綜合自動化數據通信網絡的研究[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的變電站過程層網絡的仿真研究[J]. 繼電器，2006，34（21）.
[9]徐峰.分布式發電及其在電力系統中的應用研究綜述[J].科學時代，2013（21）.
[10]呂清潔，王韶，劉庭磊.含分布式發電的配電網有功—無功綜合優化[J].電力系統保護與控制，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：智能變電站網絡架構。
(減惱)