時延敏感網絡在智能變電站中的應用研究

國網安徽省電力有限公司檢修分公司

一、TSN時延敏感網絡

進入21世紀后，隨著智能化技術、工業的引入，時間敏感型網絡應運而生，它是一種全新的標準化工業通信技術，允許周期性與非周期性數據在同一網絡中傳輸，為以太網提供低時延、低抖動和低丟失率的能力，使得以太網能適用于可靠性和時間敏感型應用場景。TSN的主要特點如下：

1.確定性傳輸：TSN通過對數據流量的整形、無縫冗余傳輸、過濾和基于優先級調度等，實現對關鍵數據的高可靠、低延時、零分組丟失的確定性傳輸。

2.時間同步：TSN保證數據幀在各個設備中傳輸時隙的正確匹配，滿足通信流的端對端確定性時延和無排隊傳輸。

3.向后兼容：TSN以開放的以太網標準為基礎，非專用協議，來自不同供應商的TSN的設備都可以相互兼容。

4.動態配置：TSN引入集中網絡控制器和集中用戶控制器，實現了網絡動態配置，在網絡運行時靈活的配置新的設備和數據流。

5.安全傳輸：TSN對輸入交換機的數據進行篩選和管控，對不符合規范的數據幀進行阻攔，能及時隔斷外來入侵數據，實時保護網絡的安全。

二、TSN在智能變電站中的應用

（一）智能數字變電站網絡結構

智能變電站按照IEC61850標準構建站內通信體系，依靠IEC61850網絡接收來自傳感器和電力設備的數據，并在整個變電站中發送保護和控制命令。基于IEC61850的站內通信體現分為三層：

1.站控層：該層安裝有SCADA服務器和HMI工作站，也安裝有與相鄰變電站和調度中心信息傳輸的通信設備。

2.間隔層：該層由智能電子設備組成。IED接收來自傳感器和一次設備的數據，以及在站控層發出控制命令。IED從站控層獲取命令，對過程層設備進行測量，并做控制決策，將采集數據傳輸到其他IED或發送到SCADA系統進一步處理。

3.過程層：主要斷路器和數據采集設備等設備組成，這些設備測量變電站一次設備的電流、電壓和其他參數。由于電力生產的連續性和重要性，必須保證站內通信網絡的可靠性，因此智能變電站通信網絡通常采用符合IEC61850標準的工業以太網組網。過程層網絡采用光纖接入，環形組網，雙網雙冗余，具有較高的帶寬和冗余機制，提供納秒級同步精度；站控層與間隔層網絡提供毫秒級同步精度，同樣雙網雙冗余接入方式。遵循IEC61850，保證變電站的產品的兼容性，使將來擴展變電站操作更加容易。工業以太網確保IED到IED高速通信有保證的傳輸時間。

（二）基于工業以太網的缺點和不足

目前的智能變電站通信底層網絡大都基于IEEE802.3以太網技術構建，上層傳輸IEC61850報文，這種組網方式在一定程度上保證了61850報文的時延，但在新的能源需求和電力供應下其缺點也逐漸顯現。基于工業以太網構建的智能變電站通信體系的不足有：

1.數據丟失、廣播風暴等諸多異常情況，將嚴重影響信息流的實時性和可靠性，給繼電保護等業務的可靠運行帶來挑戰。

2.工業實時以太網無法在同一網絡中傳輸普通以太網數據和實時以太網數據。導致變電站內需要另外建一張非實時以太網來傳輸文件、管理信息等非實時數據，導致建設和運維成本的增加。

3.工業以太網中采用交換技術降低了幀沖突，提高了實時性，仍存在端口競爭，并沒有徹底消除碰撞和排隊現象，極端情況會造成數據幀時延不確定性，進而威脅電網的安全穩定運行。

（三）智能變電站實時通信需求

智能變電站需要在各層內橫向傳輸數據，也需要在層間垂直傳輸數據。垂直數據為從過程層發送到間隔層的合并單元的時延敏感量測數據，用以保護和控制變電站總線上的IED。IEC61850的傳輸報文，按照實時性要求分為7類。為了防止數據丟失，IEC61850提供了多種標準化冗余解決方案，包括并行冗余協議和高可用性無縫冗余。在IEC61850網絡中，當變電站內同時大量通信時，有發生網絡擁塞的可能，組網時還需要考慮如何保證關鍵數據流的網絡可用性。

（四）基于TSN變電站實時通信

1.全新標準：TSN已經成為IIoT和工業4.0的關鍵支撐技術之一。融合TSN和IEC61850的新的標準將實現一種開放式架構，可用于最復雜的變電站架構聯網。

2.面向未來：TSN協議系列的核心技術已經完成，并在不斷推出新的標準，以擴展其功能和應用領域。業界著名廠商都推出了基于TSN標準的以太網產品，在化工生產、機器人工業、深海石油鉆井等行業已有成熟部署案例。IEEE802.1標準化流程也確保了向后兼容性，意味著已部署TSN網絡在未來仍可以使用。

3.互操作性：TSN允許在同一網絡上共存實時和非實時通信，并支持低丟包率和帶寬預留。這些功能從根本上增強了傳統以太網技術。隨著TSN標準的不斷推出，結果將是供應商之間的廣泛互操作性。

4.支持新業務：機器人巡檢、無人機巡檢、廣域測量系統WAMS等新的應用系統和新業務對時延和可靠性的要求更低，TSN能滿足新興業務的要求。

5.避免廠商鎖定：實時工業以太網主要為企業私有標準，容易造成廠商鎖定，為避免“卡脖子”，很多企業開始重視標準和設備的廠商獨立性。而TSN是全球國際標準，不同廠商的產品只要符號標準就能連接，從而消除廠商鎖定。

三、結束語

綜上所述，智能變電站是電網中的重要節點，具有繼電保護、故障錄波、測量、控制等基本功能，并支持電網實時控制和智能調節、在線分析決策、協同互動等高級功能。智能變電站內部的通信網絡直接決定了站內智能終端IED、合并單元、保護裝置、測控裝置、自動化系統等各設備之間信息流的傳輸質量。因此，通信網絡的可靠性、抗干擾能力和實時性對變電站安全穩定運行產生影響越來越重要。