冗余技術在廠站端自動化系統中的典型應用研究

鄭廣森 國網安徽省電力有限公司合肥供電公司

冗余技術作為當前廠站端自動化系統運行穩定性以及可靠性的保障措施，對于整個電力系統的正常運行都有著重要影響。在冗余技術的保護之下，廠站端自動化系統的運行穩定性得到了極大地提升，同時在降低系統維護成本方面也凸顯出了其重要作用。因此，加強對于冗余技術的研究和應用是十分有必要的。

一、冗余技術及其應用

（一）冗余技術的概念

冗余技術也被稱作是儲備技術或者是容災備份技術，該技術的有效應用，能夠進一步提高系統的可靠性。根據冗余技術的實際需求，可將其劃分為工作冗余以及后備冗余兩種類型，工作冗余就是指由兩個或者兩個以上單元并行的工作模式，后備冗余是指在平常系統運行過程中，僅需要保持一個單元處于運行狀態，另一個單元則處于待機備用狀態。

（二）冗余的實現方式

在廠站端自動化系統當中，冗余技術是以增加元件的方式，參與到整個系統運行處理當中的，以此減少或者消除系統意外故障下引起的損失。基于冗余技術的特點和優勢，其在自動化方面得到了十分廣泛應用。而電力系統作為自動化系統應用最為深入和廣泛的行業之一，冗余技術在其中的應用更是十分成熟。冗余技術的應用可以是通過硬件方式，也可以通過軟件，或者軟硬結合的方式實現[1]。

（三）冗余應用的類型

根據冗余技術的實際應用情況，可將其劃分為系統冗余以及單元冗余兩種類型。其中系統冗余，是以實現某一功能為目的，針對于整個系統進行的冗余處理；而單元冗余，則是以系統當中不同單元為基礎的冗余處理。二者之間的比較情況如圖1所示。根據圖1所示情況，進行分析，不難發現，相比于系統冗余而言，單元冗余的可靠性相對更高。實際上在應用冗余技術的過程中，這兩種冗余設計存在一定相對性，例如，在小系統范圍之內，所設置的系統冗余，對于大系統而言，可能就是單元冗余。

圖1 系統冗余和單元冗余比較示意圖

二、廠站端自動化系統結構及冗余配置

典型的廠站端自動化系統當中主要包括高低壓保護測控裝置、監控裝置、遠動主機、通道切換裝置、GPS接收裝置、衛星以及調度中心等多個部分，系統的結構組成采用的是分層方式，其中當地監控以及遠動設備等隸屬于站控層，保護裝置、測控裝置以及其他智能裝置等屬于間隔層。

事實上，當前冗余技術已經參與應用到廠站端自動化系統中的每一個環節。遠動設備方面，配備了兩臺冗余主機，用于遠動以及通信功能的實現；當地監控方面，也采用的是雙主機結構；站控層則是雙冗余工業以太網；與調度主站之間采用的是雙冗余通道通信方式；遠動設備當中的供電裝置，也為雙冗余電源；負責對時的GPS時鐘同步裝置為對時源冗余。

冗余技術的應用，極大地提高了廠站端自動化系統運行的穩定性，本文就冗余技術在廠站端自動化系統中的典型應用策略展開詳細探討。

三、冗余技術在廠站端自動化系統中的應用

（一）主機冗余

在廠站端自動化系統運行的過程中，主機的狀態及其運行的穩定性直接影響著整個系統運行的可靠性，因此，需要應用冗余技術，對主機運行加以保障。結合上述典型廠站端自動化系統結構情況，其主機冗余設計主要包括監控主機以及遠動主機兩個部分。監控主機是通過站級網絡以及間隔層，實現與遠動主機之間的信息交換的。

傳統廠站端自動化系統冗余技術應用過程中，通常會采用后備冗余設計方式，即將主機看作成為一個系統，其中的各種實時庫、歷時庫以及通信接口看作單元結構。傳統冗余設計是從系統整體的角度進行，即在系統正常運行狀態之下，僅有一臺主機工作，而另外一臺主機則作為后備冗余處于待機狀態。但是隨著當前冗余技術的發展以及設計理念的更新，目前更多的廠站端自動化系統采用的是工作冗余形式，通過單元冗余的設計，在滿足系統運行需求的基礎上，將不同的服務劃分給不同的主機，控制兩臺主機同時運行，以此幫助主機分擔運行負荷，確保系統穩定運行。

除了上述以增加硬件方式實現系統冗余設計的方式，為進一步保障數據的安全性，還需要通過軟件的方式，實現數據的同步和信息實時交換。同時，為確保監控主機與遠動主機冗余功能的有效發揮，要求其通信通道也必須是冗余的[2]。

（二）網絡冗余

網絡是連接整個系統正常運行的重要結構，因此，為保障系統運行可靠、安全，各單元冗余功能的有效發揮，系統中的站級網絡也必須要進行冗余設計。在典型的廠站端自動化系統當中，站級網絡為工業以太網或者現場總線網絡形式，在應用冗余技術的過程中，可結合實際情況以及系統運行需求，進行同構或者異構的雙網絡冗余結構設計。雙冗余網絡設計，其主要的功能作用在于幫助主網絡線路分擔負荷，同時提高網絡運行的可靠性。在雙冗余網絡結構之下，當出現主動上送規約時，系統所傳輸的上行信息，會通過兩個網絡線路進行傳輸并由主機從中選擇數據，在進行下行信息傳輸的過程中，先由主機確定一個當前有效的網絡，然后該網絡會上送一個應答信息，以此確保信息傳遞的唯一性。一方面，能夠避免流量的浪費，另一方面，當該網絡出現故障問題的時候，冗余技術的應用還能夠及時進行切換線路，確保數據信息傳輸的可靠性。

在本文所討論的典型廠站端自動化系統當中，站控層當中的監控設備，并不是只對站級網絡進行實時監控，同時其中的每一臺監控設備都對應監控著間隔層的相應裝置，以及雙網運行情況，這樣就能夠確保在出現交叉故障的情況下，系統數據仍然能夠正常傳輸。此外，當出現運行故障的情況下，在切換網絡的同時，還會向上報送告警信息，為后續相關工作人員進行系統故障處理和維護提供參考。

（三）通道冗余

結合典型廠站端自動化系統的結構特點，本文主要討論的遠動通道的冗余情況專門指的是串行接口。在主機冗余設計的過程中，在信息上行傳輸時，主機需要通過切換冗余通道，以此實現相應數據的選擇。通常情況下，遠動通道的切換包括軟件以及硬件兩種形式，即內置軟件或者外接通道切換裝置。

在實際進行通道冗余設計的過程中，為保障后續系統運行正常，需要考慮的因素和條件相對較多，主要包括以下四個方面：第一，遠動主機實際情況，是否為雙主機形式；第二，廠站端自動化系統采用的是系統冗余形式還是單元冗余形式；第三，每臺主機所對應的通道是單通道還是雙通道；第四，在系統為雙通道冗余的情況下，兩個通道的運行情況，是否都有數據。不同配置狀態之下，通道冗余的切換功能可采取不同方式。在不同配置條件下的通道冗余情況如表1所示。

表1 通道冗余情況

對于不同的通道冗余情況，需要采取不同措施實現通道切換功能。其中單遠動主機下的A、B兩種情況，可以借助軟件實現通道切換。

對于雙遠動主機而言，在實際進行通道情況分析時，可將主機及其通道作為整個系統，主機部分以及通道部分則分別作為系統中的一個單元。在此情況下，若采用的是系統冗余形式，那么對于C、D兩種情況，則需要將兩個通道分別與一臺主機相連即可。若采用的是單元冗余形式，那么在進行通道切換功能分析時，則需要分成兩種情況進行討論，其一是每臺主機接一通道，即E、F兩種狀態，此時包括兩種連接形式：第一種為通道1與遠動主機1相連，通道2與遠動主機2相連；第二種為通道1與遠動主機2相連，通道2與遠動主機1相連。其二，是每臺主機接兩通道形式，即G、H情況，此時包括四種工作狀態：第一，通道1與遠動主機1的接口1相連，通道2與遠動主機1的接口2相連；第二，通道1與遠動主機1的接口1相連，通道2與遠動主機2的接口2相連；第三，通道1與遠動主機2的接口1相連，通道2與遠動主機1的接口2相連；第四，通道1與遠動主機2的接口1相連，通道2與遠動主機2的接口1相連。

在系統實際運行的過程中，若調度主站要求僅有一個通道進行數據交換，那么上述存在的多種工作狀態中，僅需要有一個連接情況是正常運行的即可。若調度主站要求，兩個通道均需要進行運作時，則需要兩個連接狀態都能夠提供數據交換功能。

（四）電源冗余

系統運行需要依靠電源模塊，結合本文所研究的廠站端自動化系統實際情況，在進行電源冗余設計的過程中，可采用兩塊或者兩塊以上的電源，實現裝置內部的冗余供電。電源冗余實際上是一種通過硬件處理方式，實現冗余功能的情況，其冗余功能的實現包括以下兩種方式，第一，可選用專業的冗余電源適配器，并外接兩路電源，以此確保任何一路電源供電出現異常時，另外一路都能夠保持正常供電。第二，在進行電源模塊設計時，就考慮到其冗余功能需求，以此直接為系統其他部分供電。

（五）對時源冗余

廠站端自動化系統的正常運行，對于時鐘同步功能有一定要求，由于該系統運行是通過自動控制實現的，因此必須要確保系統當中各個裝置的時間統一，對時遠動裝置的功能就在于此，為保障對時遠動裝置運行的可靠性，需要對其進行冗余設計。對時源的冗余包括以下內容：即GPS裝置與調度主站的冗余、兩臺冗余主機之間的對時源冗余，以及GPS裝置的雙冗余。在實際進行對時源冗余設計的過程中，值得注意的是，同一時刻僅能有一個對時源是有效的[3]。

四、結束語

經研究實踐發現，相比于系統冗余而言，單元冗余的可靠性相對更高，但是單元冗余技術的實現過程相對較為困難，因此，在實際應用冗余技術的過程中，需要結合對系統可靠性的要求，盡可能選擇性價比更好的措施。相信隨著對冗余技術的深入探索和實踐應用，我國廠站端自動化系統的可靠性將會得到進一步提升。