智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)報(bào)文特性分析與通信配置研究

呂占彪 呂彥召 鄧顯俊 夏棟

摘 要：隨著變電站業(yè)務(wù)需求的變化與增多，需要建立先進(jìn)的智能變電站。維持智能變電站正常工作的主要因素是過程層網(wǎng)絡(luò)的通信性能。本文從過程層網(wǎng)絡(luò)報(bào)文特性著手進(jìn)行分析，對(duì)智能變電站的報(bào)文特性展開詳細(xì)分析。此外，還描述了現(xiàn)階段過程層網(wǎng)絡(luò)通信配置中存在的不足，并給出相應(yīng)的優(yōu)化方案。讓過程層網(wǎng)絡(luò)具有可控性，使其更透明。希望對(duì)構(gòu)建智能變電站通信配置工作可以起到借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智能變電站 過程層網(wǎng)絡(luò) 報(bào)文特性 通信配置

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）01（a）-0020-02

電力是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代化建設(shè)的基本保障。近些年，國家經(jīng)濟(jì)技術(shù)得到快速發(fā)展，智能變電站也成為新的發(fā)展趨勢。信息的共享與傳輸是智能變電站的基礎(chǔ)，這需要利用過程層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)信息流不僅可以顯示電網(wǎng)運(yùn)行的開關(guān)狀態(tài)，還可以控制二次設(shè)備間跳閘等命令。智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)具有不可視性，現(xiàn)在沒有切實(shí)有效的管控方式，難以進(jìn)一步研究過程層網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)問題。本文詳細(xì)分析了過程層網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的特性。過程層網(wǎng)絡(luò)報(bào)文在智能變電站中是二次系統(tǒng)通信載體，不僅包括了電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的采樣值和開關(guān)狀態(tài)等信息，還對(duì)所有系統(tǒng)起到協(xié)調(diào)配合作用。這從一定程度上優(yōu)化了通信配置的缺陷，使過程層網(wǎng)絡(luò)顯得更加透明，更具可控性，便于日后開展智能變電站工作。因此，怎樣科學(xué)合理的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、分配鏈路寬帶等問題已經(jīng)成為智能變電站建設(shè)中面臨的難題。

1 過程層網(wǎng)絡(luò)報(bào)文傳輸特性

過程層網(wǎng)絡(luò)的可靠性與實(shí)用性直接決定著智能變電站是否可以成功運(yùn)行，決定著智能變電站每一項(xiàng)應(yīng)用功能是否可以正常運(yùn)行。智能變電站在過程層網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，選擇傳輸方式是報(bào)文，這會(huì)從一定程度上受到網(wǎng)絡(luò)流量與信息量規(guī)模等因素的影響，影像信息傳送質(zhì)量，進(jìn)而影響變電站的實(shí)時(shí)性和透明性。所以，有必要專門對(duì)過程網(wǎng)絡(luò)的傳輸和流量等因素進(jìn)行詳細(xì)分析。過程層網(wǎng)絡(luò)傳輸信息包括采樣值信息、通過面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录?bào)文即GOOSE報(bào)文信息。

1.1 采樣值

采樣值是把電流、電壓互感器進(jìn)行二次輸出，然后利用A/D的方式將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)變電器的測控和保護(hù)功能。周期性傳送的傳輸量是固定的，具有穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)流量。采樣值可以更準(zhǔn)確地計(jì)算出傳輸時(shí)間。采樣值選擇網(wǎng)組傳播/訂閱模型的方式傳輸。發(fā)布者需要根據(jù)配置的采樣速率與數(shù)據(jù)間隔發(fā)送，一旦SV報(bào)文人員發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，會(huì)及時(shí)重新發(fā)送。因此，選用最新的電流值、電壓值比重新傳舊數(shù)據(jù)重要。

1.2 GOOSE

GOOSE可以保證報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，GOOSE報(bào)文不需要經(jīng)過回執(zhí)確認(rèn)，而是直接系統(tǒng)選擇順序重發(fā)機(jī)制。GOOSE報(bào)文具有一發(fā)多收、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，可以保證繼電保護(hù)設(shè)備的信息，如啟動(dòng)、閉鎖、跳閘等開關(guān)量信息。GOOSE報(bào)文可以把變電站的事件信息進(jìn)行傳輸。如果數(shù)據(jù)穩(wěn)定，GOOSE報(bào)文會(huì)在一定周期內(nèi)對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送，如果數(shù)據(jù)發(fā)生變化，會(huì)即刻進(jìn)行三次重復(fù)傳送。只要數(shù)據(jù)發(fā)生變化，無論哪種情況都需要即刻進(jìn)行重復(fù)傳送。發(fā)布者在發(fā)布信息時(shí)需要把每一個(gè)報(bào)文編號(hào)，便于訂閱者檢測報(bào)文是否完整。

2 過程層網(wǎng)絡(luò)通信配置的缺陷

2.1 未把單、雙向報(bào)文通信配置區(qū)分開來

單向報(bào)文主要負(fù)責(zé)發(fā)送SV報(bào)文到合并單元向測控與保護(hù)等裝置，發(fā)送量較大，且周期性強(qiáng)。而雙向報(bào)文負(fù)責(zé)發(fā)送GOOSE報(bào)文，與單向報(bào)文相比具有更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和實(shí)用性，且和動(dòng)作信號(hào)之間有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。目前，變電站通信設(shè)備里面不對(duì)單向報(bào)文和雙向報(bào)文進(jìn)行區(qū)分，無法充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)，這從一定程度上抑制了過程層網(wǎng)絡(luò)報(bào)文在新時(shí)代背景下的快速發(fā)展。

2.2 未區(qū)分上、下行報(bào)文通信配置

在過程層網(wǎng)絡(luò)中，上行報(bào)文量比下行報(bào)文量多。但通信配置目前并未考慮到這一因素，詳情如下：首先，上行流量和下行流量的傳輸路徑相同，提高了兩者的碰撞率。因此，即使選擇全雙工的通信交換模式也會(huì)影響其網(wǎng)絡(luò)性；其次，上下行報(bào)文流量對(duì)裝置的要求存在差異。上行流量會(huì)對(duì)過程層裝置的發(fā)送端與間隔層接收端產(chǎn)生影響，而下行流量會(huì)對(duì)間隔層的發(fā)送端與過程層的接收端產(chǎn)生影響。如果可以根據(jù)上下行報(bào)文流量對(duì)設(shè)置的影響程度進(jìn)行分類處理，可以大大提升網(wǎng)絡(luò)性能的價(jià)值。

2.3 未把SV、GOOSE報(bào)文通信配置按照發(fā)送機(jī)制進(jìn)行分類

SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文存在較大差異。SV報(bào)文屬于周期性報(bào)文，發(fā)送都有一個(gè)固定的間隔周期，而GOOSE報(bào)文屬于突發(fā)性報(bào)文，但也會(huì)有一定的發(fā)送機(jī)制。現(xiàn)在，變電站經(jīng)常把這兩種通信設(shè)備分開組網(wǎng)，選擇物理隔離的方式進(jìn)行報(bào)文傳輸，但這會(huì)增大投資成本。如果可以按照SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文的發(fā)送規(guī)律選擇相應(yīng)的傳輸方式，可以大大節(jié)省傳輸成本，有利于智能變電站的發(fā)展。

2.4 未均衡鏈路負(fù)載，造成寬帶資源浪費(fèi)

通過分析智能變電站的報(bào)文特征，不難發(fā)現(xiàn)報(bào)文流量不是相互對(duì)稱的，交換機(jī)的沒一個(gè)端口處都會(huì)和實(shí)體物理設(shè)備連接在一起，每一條鏈路上都需要承擔(dān)負(fù)載，采樣值SV鏈路流量在6.0Mb/s左右，而GOOSE流量一般在1600b/s左右，跳變時(shí)為1.2Mb/s。智能變電站組網(wǎng)選擇的是獨(dú)立組網(wǎng)，SV、GOOSE、MMS對(duì)時(shí)報(bào)文分別組網(wǎng)，每一條鏈路傳輸?shù)膱?bào)文存在較大差異，且負(fù)載差異較大，嚴(yán)重浪費(fèi)寬帶資源。怎樣科學(xué)合理的運(yùn)用剩余寬帶，提高鏈路利用率，均衡每一條鏈路負(fù)載是智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢。

3 完善過程層網(wǎng)絡(luò)通信配置

本文已經(jīng)詳細(xì)分析了智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)通信配置中存在的不足，通過分析智能變電站通信報(bào)文的特征，本文給出過程層網(wǎng)絡(luò)通信配置的優(yōu)化方案。

3.1 根據(jù)上、下行報(bào)文鏈路的實(shí)際情況分配適量的寬帶

上行與下行報(bào)文通信鏈路是相互獨(dú)立的，交換機(jī)端口選擇的是全雙工的方式進(jìn)行運(yùn)作，兩者之間互不影響，在一定程度上減少了兩者在運(yùn)行過程中的碰撞幾率。因?yàn)樯闲辛髁窟h(yuǎn)遠(yuǎn)大于下行流量，所以可以根據(jù)上行與下行流量的實(shí)際情況給予適當(dāng)?shù)膶拵П壤岣哝溌返氖褂眯剩?jié)省成本。

3.2 分類配置SV、GOOSE報(bào)文的通信鏈路

SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文的發(fā)送機(jī)制不同，所以可以按照兩種報(bào)文的使用特征進(jìn)行通信分配。其中，SV報(bào)文具有流量大、周期性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以為其設(shè)置固定的寬帶，同時(shí)還應(yīng)保證交換速率。而GOOSE報(bào)文具有流量小、突發(fā)性等特點(diǎn)，可以為其設(shè)置流量小的寬帶鏈路，若出現(xiàn)特殊情況可以適當(dāng)?shù)脑黾渔溌穼拵В诖藨?yīng)注意加大交換機(jī)突發(fā)流量的應(yīng)變能力，如靈活性較強(qiáng)、緩沖區(qū)較大等。在交換機(jī)的緩沖區(qū)，SV報(bào)文可以按照?qǐng)?bào)文到達(dá)的順序排隊(duì)進(jìn)行處理，在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要按照SV報(bào)文的實(shí)時(shí)性要求設(shè)置適當(dāng)?shù)木彺鎱^(qū)與交換機(jī)處理速率。而GOOSE突發(fā)報(bào)文具有優(yōu)先處理權(quán)，應(yīng)為其保留較大的緩存區(qū)。

4 結(jié)語

綜上所述，智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)報(bào)文存在的特性較多。本文通過分析SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文信息流的特點(diǎn)，結(jié)合智能變電站過程網(wǎng)絡(luò)通信報(bào)文的特性對(duì)其不足給出相應(yīng)的解決對(duì)策。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享最大化，同時(shí)滿足變電站的實(shí)時(shí)性與可靠性的要求。雖然變電站過程層網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有所進(jìn)步，但仍存在眾多不足有待研究。

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