電力系統實時決策系統中的實時通信

金修江+汪熙

【摘 要】現代電力系統日益復雜、運行方式復雜多變，電力系統通信的實時性越來越重要。本文分析了電力系統通信的實時性要求，探討了網絡應用于系統通信的可行性，詳細分析了網絡應用于電力系統通信時實時性的解決方法。

【關鍵詞】電力系統；網絡；通信實時性

前言

變電站二次系統對于保障一次系統的安全、穩定和經濟運行發揮著至關重要的作用。目前變電站二次系統中的設備，但大多數都是功能單一的獨立設備，各個設備缺乏整體協調和功能的優化功能，而且功能交叉嚴重。其次，為了保障電力信息的安全和可靠性能，一般采用專用網絡技術構成各自獨立的子系統，如切負荷控制子系統、變電站監控子系統、動態監測子系統、故障處理子系統等，由于受當時通信技術和網絡技術等具體條件的限制，過程層和間隔層之間的通信大多采用點對點的并行電纜通信，二次接線相當復雜。

現代電力系統日益復雜、運行方式復雜多變，使變電站自動化系統面臨的任務更加繁重，需要解決的問題變得更多更為復雜；其次，電力市場的競爭，要求變電站自動化的各系統逐步走向集成化，使資源共享和系統性價比提高。由于網絡具有標準化、靈活性、價格低廉、穩定可靠、通信速率高、軟硬件產品豐富、應用廣泛以及支持技術成熟等優點，網絡為代表的通信技術正成為變電站網絡通信系統發展中的新亮點。

1.變電站自動化系統數據通信的實時性要求

變電站自動化系統的數據通信網絡要能及時地傳輸現場的實時運行信息和操作控制信息，在電力工業標準中對系統的數據傳送都有嚴格的實時性指標，因此網絡必須很好地保證數據通信的實時性。要求變電站內通信網絡傳輸信息時間：設備層和間隔層之間、間隔內各個設備之間、間隔層各間隔單元之間為1～100ms；間隔層和變電站層之間為10～1000ms；變電站層各個設備之間、變電站和控制中心之間>1000ms。各層之間的數據流峰值為：設備層和間隔層之間數據流大概250KBit/s，取決模擬量的采樣速度；間隔層各單元之間數據流大概60KBit/s或130KBit/s，取決是否采用分布母線保護；間隔層和變電站層之間及其它鏈路之間數據流大概在1OOKBit/s及以下。

2.網絡的實時能力分析

對比研究了普通網絡和令牌總線網的性能，并得出結論：在網絡負荷小于25%情況下，網絡的響應時間要比令牌總線網絡快得多。同時，網絡的CSMA/CD方法也優越于令牌傳遞的傳輸管理方法，使用這種方法隨時可以發送某個節點想發送的數據，而不必獲得令牌控制權。因此，在故障情況下只要突發性數據使網絡的負荷量小于25%，使用網絡便可得到最好的系統響應。

對變電站自動化系統而言，通過LAN執行控制功能的“實時”性要求通常定義為4ms。為了定性地衡量網絡是否能滿足電力系統中“實時性”要求。研究表明，無論是通過共享HUB（Sharing HUB）連接的100Mb/s網絡還是通過交換式HUB（Switch HUB）連接的10Mb/s網絡，都能滿足4ms這一網絡通信時間要求。

3.解決網絡實時性的方法

3.1采用全雙工交換式網絡技術

網絡交換機在端口之間數據幀的輸入和輸出不受CSMA/CD機制的約束，避免了沖突；而全雙工通信又使得端口間兩對雙絞線（或兩根光纖）上可以同時接收和發送報文幀，也不再受到CSMA/CD的約束，任一節點發送報文幀時不會再發生碰撞，沖突域己經不復存在。因此，網絡的通信實時性有了重要保障。此外，使用交換式集線器還可以擴大網絡帶寬。對于普通共享式網絡。

3.2降低網絡負載

實際應用經驗結果表明，對于共享式網絡來說，當通信負荷在25%以下的，可保證通信暢通，當通信負荷在5%左右，網絡上碰撞的概率幾乎為零。由于工業控制網絡與商業網不同，每個節點傳送的實時數據量很少，可以通過限制每個網段站點的數目，降低網絡流量。

3.3提高網絡傳輸速率

傳輸速率較高時，網絡傳輸所需時間將會很大程度的減小，網絡負荷會大大降低，其通信響應的實時性得到了很大程度的提高。

3.4應用報文優先級技術

根據IEEE802.3p&q，在智能式交換機或集線器中，設計優先級處理功能。通過這個優先級進行排序，使工業現場中的緊急事務的信息能夠及時成功地傳送到中央控制系統去，以便得到及時匯總和處理。

3.5采用虛擬局域網技術

虛擬局域網的問世打破了傳統網絡的很多固有觀念，使網絡結構更加靈活、方便。事實上，VLAN是一個廣播域，不受地理位置限制，可以根據部門職能、對象組和應用等將不同地理位置的網絡用戶劃分為一個邏輯網段。這樣可以將一臺控制層計算機配置成多個部門并可同時訪問、也可以同時訪問多個虛擬網的資源。

3.6網絡系統硬件

基于監控網絡的實時性要求，該網絡系統的硬件結構主要分為以下3個部分：其一，現場網絡部分。位于這部分中的硬件具體負責將各類協議連接起來，然后通過TCP/IP對所有數據信息進行傳送；其二，信息匯集、處理。這部分硬件主要負責采集現場網絡部分中的數據信息，然后存儲到相應的數據庫中，并對其進行處理；其三，管理部分。這部分硬件是ERP的一個分支子系統，主要負責信息網絡的管理。在進行以上三部分硬件設計時已經充分地考慮了每一部分中網絡安全、數據流以及冗余控制等關鍵性問題，并且子網之間也都采用了相應的設備進行連接，如交換機、網關以及路由器等等。在現場網絡部分中，各類數據信息不但可以通過自身的總線方式及相關結構方式進行數據傳輸，而且位于上層的GW和AW也可利用內部局域網或TCP/IP獲取相應的數據信息，進而實現了數據信息的快速傳輸，有效地確保數據的實時性。同時文件格式及實時響應兩者的有機統一，也在一定程度上保障了整個系統的安全性。一旦有非法用戶對其進行訪問或是相對現場設備進行控制時，必須經過服務器及交換機，還需通過用戶名及、密碼及CP端驗證，進而形成了一個三級安全保護網。此外，在安全性方面除了硬件上的一些安全設備之外，還對系統進行了相應的安全設計。通過路由器能夠使數據發布服務器與管理部分進行有效連接，從而可以使各類相關數據信息傳輸至MIS系統當中，以此來實現網絡結構的整體性。通過上訴三個硬件部分的設計，并配以各種安全保護，監控網絡可在負載正常的條件下安全可靠運行。

4.結束語

近年來，電力系統實時控制的應用程序發展較快，大致可分為兩大類：面向安全的應用程序和面向經濟的應用程序。前者主要有安全監視、安全分析和安全對策；后者主要有自動調頻和經濟調度。

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