對(duì)變電站內(nèi)若干網(wǎng)絡(luò)通信問(wèn)題的探討

國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司超高壓分公司 李文旦

網(wǎng)絡(luò)是連接變電站內(nèi)各種設(shè)備的紐帶，其可靠性與信息傳輸?shù)目焖傩詻Q定了自動(dòng)化系統(tǒng)的可用性，同時(shí)也決定了變電站網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的發(fā)展方向[1]。

1 變電站內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

1.1 利用通信控制器實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信

1.1.1 利用通信控制器實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信的通信系統(tǒng)

利用通信控制器實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信在變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，根據(jù)其邏輯結(jié)構(gòu)可將其分為：過(guò)程層、間隔層、通信控制層和站控層四個(gè)層次。其中，通信控制層和站控層采用的是高度網(wǎng)絡(luò)通信；過(guò)程層和間隔層之間的通信采用的是現(xiàn)場(chǎng)總線通信。

過(guò)程層中包括直接生產(chǎn)和使用電能的一次設(shè)備，首先信號(hào)從過(guò)程層中被傳出，信號(hào)被傳到間隔層；間隔層中設(shè)置有若干可同時(shí)進(jìn)行接收和發(fā)送信號(hào)的新型智能電子裝置，從過(guò)程層中傳出的信號(hào)被設(shè)置在間隔層中的智能電子裝置接收，經(jīng)過(guò)電子設(shè)備進(jìn)行精密化處理后，再途徑由RS232、RS485接口，或現(xiàn)場(chǎng)總線組成的線路傳輸將經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)輸出到相關(guān)設(shè)備，處理過(guò)后的信號(hào)到達(dá)通信控制層。通信控制層中設(shè)置了包括值班通信控制器與備用通信控制器等電子設(shè)備，二者與其他相關(guān)設(shè)備將來(lái)自間隔層的信號(hào)輸出并處理，經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)被傳輸?shù)秸究貙樱蚪?jīng)以太網(wǎng)被傳輸?shù)竭h(yuǎn)方調(diào)度控制系統(tǒng)處。站控層中設(shè)置有若干監(jiān)控機(jī)，由監(jiān)控機(jī)接收來(lái)自通信控制層傳送過(guò)來(lái)的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站運(yùn)作狀態(tài)及運(yùn)作故障的監(jiān)控。

1.1.2 利用通信控制器實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信的通信系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

這種網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)通信成本低，有益于完成對(duì)變電站具體信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。但由于間隔層中的智能電子裝置處理和發(fā)送信息的能力，高于通信控制層中值班通信控制器與備用通信控制器接收和處理信息的能力，因此這兩種信息處理設(shè)備組的能力差異，會(huì)導(dǎo)致通信控制層中的值班通信控制器與備用通信控制器滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。這種非正常運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)拉低變電站網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的整體信息處理，以及信息傳輸效率導(dǎo)致整體的信息傳輸不夠通暢，使得一些重要數(shù)據(jù)不能及時(shí)反饋。

此外，一旦有突發(fā)情況出現(xiàn)，通信控制層中的值班通信控制器或備用通信控制器發(fā)生故障，變電站的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)將會(huì)直接處于全面癱瘓或半癱瘓狀態(tài)，不利于變電站網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)工作的安全性與高效性。為維持變電站的正常工作，保證網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的安全、高效、暢通運(yùn)行，常規(guī)期間利用通信控制器，實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信的變電站需要相關(guān)工作人員對(duì)通信控制器進(jìn)行檢查、維修和保養(yǎng)，并時(shí)刻監(jiān)測(cè)注意通信控制器的運(yùn)作環(huán)境和工作狀態(tài)，盡可能避免環(huán)境等可控客觀環(huán)境因素對(duì)設(shè)備的影響、損壞，同時(shí)相關(guān)工作人員要在通信控制器到達(dá)使用年限時(shí)需要及時(shí)進(jìn)行調(diào)換。

1.1.3 利用通信控制器實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的成本預(yù)算

一是培訓(xùn)成本，基于通信控制器常年高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)，以及通信控制器在網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中的核心地位，變電站培養(yǎng)相關(guān)工作人員學(xué)習(xí)通信控制器的性能與其保養(yǎng)、維護(hù)、維修操作是十分必要的。二是人力成本，即工作人員對(duì)通信控制器保養(yǎng)、維護(hù)、維修的人力成本。三是監(jiān)管成本，在通信控制器的保養(yǎng)、維護(hù)、維修過(guò)程中，需要監(jiān)管來(lái)保證保養(yǎng)、維護(hù)、維修工作的安全性與高效性，除此之外，還需要不定期檢查，以確保網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中通信控制器的正常運(yùn)行。另外，零件與設(shè)備的成本在通信控制器的保養(yǎng)、維護(hù)與維修中，必然會(huì)涉及零件與設(shè)備的更換，當(dāng)通信控制器到達(dá)使用年限后，還需要對(duì)通信控制器進(jìn)行更換，也屬于零件與設(shè)備成本的范疇。四是發(fā)生事故后的財(cái)產(chǎn)損失，在此類網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中，一旦通信控制器發(fā)生故障，則會(huì)導(dǎo)致變電站的整體網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)癱瘓，造成經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 利用間隔層設(shè)備直接上網(wǎng)實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信

1.2.1 利用間隔層設(shè)備直接上網(wǎng)實(shí)現(xiàn)變電站網(wǎng)絡(luò)通信的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

首先，由過(guò)程層中直接生產(chǎn)和使用電能的一次設(shè)備，將信號(hào)傳輸給間隔層。相比于利用通信控制器實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，利用間隔層設(shè)備直接上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)變電站網(wǎng)絡(luò)通信的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的間隔層中設(shè)置了通信管理單元；來(lái)自過(guò)程層的信號(hào)經(jīng)過(guò)間隔層的智能電子接收裝置的信號(hào)接收和信號(hào)處理，又被間隔層中的智能電子接收裝置經(jīng)過(guò)RS232、RS485接線口或現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)送給通信管理單元，通信管理單元將信號(hào)處理后，再將信號(hào)發(fā)送給站控層中的控制機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)及遠(yuǎn)方調(diào)度處理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站運(yùn)作狀態(tài)及運(yùn)作故障的監(jiān)控。

1.2.2 利用間隔層設(shè)備直接上網(wǎng)實(shí)現(xiàn)變電站網(wǎng)絡(luò)通信的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

這種網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)去除了通信控制層，減少了網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的交互與處理步驟，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，提高了網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的通信效率；同時(shí)，去除通信控制層的做法也消除了通信控制層中值班通信控制器，或備用通信控制器故障帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)與損失，減少了通信控制器檢修、保養(yǎng)的人力成本與經(jīng)濟(jì)投入；此外，由于通信控制器的工作上限，利用通信控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)工作效率被拉低，當(dāng)通信控制器不被采用，其帶來(lái)的工作上限與工作效率被拉低等問(wèn)題也得到了解決。這種網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)是現(xiàn)階段變電站普遍使用的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。

2 變電站網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)選擇的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議

變電站網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)傳輸協(xié)議，主要有UDP傳輸協(xié)議和TCP 傳輸協(xié)議兩種。TCP 傳輸協(xié)議和UDP 傳輸協(xié)議都屬于應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和接入層中的傳輸層。

TCP 傳輸協(xié)議和UDP 傳輸協(xié)議的區(qū)別主要有以下六點(diǎn)。一是TCP 傳輸協(xié)議屬于定向連接。UDP 傳輸協(xié)議是無(wú)指向連接，即在信息發(fā)出前不需要連接。

二是TCP 傳輸協(xié)議可以提供可信的服務(wù)。即通過(guò)TCP 處理發(fā)送的信息沒(méi)有不正確、減少和重復(fù)的情況，且信息排序不會(huì)發(fā)生改變。UDP 傳輸協(xié)議盡力提交數(shù)據(jù)，即沒(méi)有辦法確保信息的完好。

三是TCP 傳輸協(xié)議通過(guò)校驗(yàn)和等程序來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠性高的傳輸。就像分組丟失時(shí)的重發(fā)控制一樣，也能夠控制順序紊亂的分組的順序。

四是UDP 傳輸協(xié)議比TCP 傳輸協(xié)議工作效率高，當(dāng)變電站網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中有需要快速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時(shí)，可以采用TCP 傳輸協(xié)議。

五是TPC 傳輸協(xié)議的局限性較大，而UDP 傳輸協(xié)議的局限性較小，每個(gè)TCP 傳輸協(xié)議連接只能是單個(gè)傳輸方對(duì)單個(gè)接收方的連接；而UDP 傳輸協(xié)議支持單個(gè)傳輸方對(duì)單個(gè)接收方、單個(gè)傳輸方對(duì)多個(gè)接收方、多個(gè)傳輸方對(duì)單個(gè)接收方、多個(gè)傳輸方對(duì)多個(gè)接收方的相互通信。

六是TCP 傳輸協(xié)議對(duì)系統(tǒng)資源的請(qǐng)求量大，UDP 傳輸協(xié)議對(duì)系統(tǒng)資源的請(qǐng)求量小。

綜上所述，當(dāng)需要信號(hào)高效率傳輸時(shí)，使用UDP 傳輸協(xié)議；當(dāng)需要保證信息傳輸效果時(shí)，選用TCP 傳輸協(xié)議。

3 變電站內(nèi)出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)通信問(wèn)題及解決辦法

在變電站內(nèi)，通信問(wèn)題極為重要，這關(guān)系到遠(yuǎn)程操控人員和現(xiàn)場(chǎng)工作人員的信息溝通問(wèn)題。同時(shí)，良好的通信環(huán)境也有利于電力工作人員對(duì)于變電站的日常維護(hù)、維修效率，這種效率的提升可大大降低電力企業(yè)對(duì)于變電站的維護(hù)成本。

3.1 變電站內(nèi)常見(jiàn)的通信問(wèn)題

光纖傳輸錯(cuò)誤導(dǎo)致的誤碼，是在傳統(tǒng)變電站內(nèi)通信設(shè)備故障較為常見(jiàn)的故障問(wèn)題。因?yàn)樵O(shè)備信號(hào)傳輸會(huì)隨著衰變產(chǎn)生電壓變化，設(shè)備發(fā)出的信號(hào)在傳輸前遭到破壞，最終在接收端產(chǎn)生亂碼、誤碼的情況。主要有內(nèi)在、外在兩種情況使得傳統(tǒng)的變電站內(nèi)通信系統(tǒng)產(chǎn)生、傳輸誤碼的情況。通信系統(tǒng)產(chǎn)生、傳輸誤碼的主要外部原因有設(shè)備故障、電源瞬態(tài)干擾、靜電放電、接觸不佳以及電磁干擾等。產(chǎn)生這種問(wèn)題多數(shù)是因相關(guān)工作管理人員未全面系統(tǒng)地維護(hù)相關(guān)信息傳輸設(shè)備，導(dǎo)致相關(guān)電子元器件損壞。

同時(shí)，當(dāng)下復(fù)雜多變的電磁環(huán)境也是導(dǎo)致這種傳輸問(wèn)題的一大原因。而這種由外部環(huán)境因素產(chǎn)生的誤碼一般認(rèn)為是突發(fā)誤碼，這種突發(fā)誤碼在變電站光纖通信系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中常出現(xiàn)。除去外部環(huán)境產(chǎn)生的突發(fā)誤碼，一些干擾源、定位抖動(dòng)、節(jié)電設(shè)備、設(shè)備內(nèi)部代碼編譯錯(cuò)誤等產(chǎn)生的誤碼稱為是系統(tǒng)背景誤碼。這種誤碼多由于設(shè)備本身出現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)問(wèn)題未及時(shí)解決，然后進(jìn)行相關(guān)的系統(tǒng)升級(jí)，使得設(shè)備未能完全適應(yīng)當(dāng)時(shí)的電磁環(huán)境或是電路環(huán)境產(chǎn)生了相關(guān)的問(wèn)題。

3.2 變電站內(nèi)常見(jiàn)的通信問(wèn)題的解決策略

3.2.1 變電站內(nèi)線路傳輸通道故障問(wèn)題處理

變電站內(nèi)，有可能會(huì)由于年久失修、人為盜取等情況導(dǎo)致通信光纜傳輸光衰較大，更有可能導(dǎo)致光路不通。這種情況下，應(yīng)急維修團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)當(dāng)及時(shí)反應(yīng)，進(jìn)行相關(guān)故障排查，對(duì)損失進(jìn)行評(píng)估后，盡快進(jìn)行搶修。在搶修過(guò)程中，要本著先修通后復(fù)原的原則，盡可能降低線路斷連產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟包的損失，將經(jīng)濟(jì)損失降到最低。在面對(duì)主干線路和支路時(shí)，要保障第一時(shí)間搶修主干通道，保證主干線路穩(wěn)定后再進(jìn)行支路修復(fù)。

3.2.2 變電站內(nèi)設(shè)備誤碼故障問(wèn)題處理

在面對(duì)設(shè)備中誤碼情況時(shí)，切勿輕易即可處理。在處理之前要全面讀取相關(guān)參數(shù)，全面分析當(dāng)前的設(shè)備運(yùn)行情況，了解目前遇到的設(shè)備報(bào)警信息，研判目前的設(shè)備形勢(shì)。同時(shí)，要觀察設(shè)備具體的外觀情況，排除由于物理原因?qū)е碌耐獠孔冃危率箖?nèi)部關(guān)鍵電子元器件損傷。對(duì)故障位置進(jìn)行分析，如光纖性能惡化、設(shè)備散熱不足以及單板問(wèn)題等，找到故障的切入點(diǎn)，并將誤碼故障的性質(zhì)反映出來(lái)，了解誤碼是突發(fā)的還是背景誤碼。如果通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜性程度較高或者網(wǎng)管沒(méi)有獲得告警信息時(shí)，需要利用系統(tǒng)維護(hù)功能開(kāi)展測(cè)試工作，并對(duì)故障的原因進(jìn)行分析[2]。

4 變電站內(nèi)的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

4.1 未來(lái)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)研究方向

為對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，同時(shí)進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的工作效率與安全性，相關(guān)工作及研究人員，可以考慮去除網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中的間隔層與通信控制層，將新型網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)精簡(jiǎn)到過(guò)程層與站控層兩個(gè)層次。但新型網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的過(guò)程層內(nèi)容，以及傳統(tǒng)過(guò)程層應(yīng)有較大的改變。新型網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的過(guò)程層中應(yīng)包含若干智能電子裝置、智能開(kāi)關(guān)與電子電壓互感器或電子電流互感器。電子電壓互感器、電子電流互感器與智能開(kāi)關(guān)將代替?zhèn)鹘y(tǒng)過(guò)程層中一次設(shè)備的作用，將直接反應(yīng)一次設(shè)備的狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)直接上網(wǎng)。由過(guò)程層中傳出的信號(hào)會(huì)由以太網(wǎng)傳輸?shù)秸究貙拥谋O(jiān)控機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)與遠(yuǎn)方調(diào)度控制系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站運(yùn)作狀態(tài)及運(yùn)作故障的監(jiān)控。

4.2 變電站創(chuàng)新風(fēng)險(xiǎn)分析

以新材料、新技術(shù)、新設(shè)備代替舊材料、舊技術(shù)、舊設(shè)備需要較大的經(jīng)濟(jì)投入，這對(duì)相關(guān)變電站及電力企業(yè)的相關(guān)成本投入提出了極大的考驗(yàn)。此外，相比于舊材料、舊技術(shù)、舊設(shè)備，新材料、新技術(shù)、新材料市場(chǎng)應(yīng)用時(shí)間較短，相關(guān)技術(shù)不成熟，變電站及企業(yè)應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)較大；即使新型網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已相對(duì)成熟，變電站及企業(yè)中工作人員對(duì)新材料、新設(shè)備的性質(zhì)不熟悉，不了解其操作、維護(hù)和維修方法，都會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，傳統(tǒng)的利用通信控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信是一個(gè)復(fù)雜的、涉及多個(gè)方面的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)不僅效率低，安全性低，還需要一定的資產(chǎn)與人力的投入來(lái)進(jìn)行設(shè)備的保養(yǎng)、維護(hù)和維修。經(jīng)過(guò)不斷的系統(tǒng)簡(jiǎn)化與優(yōu)化，新型的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)甚至可以實(shí)現(xiàn)由四步驟到三步驟，再由三步驟到兩步驟的飛躍。但由于創(chuàng)新風(fēng)險(xiǎn)與創(chuàng)新成本等問(wèn)題，變電站不能立刻對(duì)通信控制系統(tǒng)進(jìn)行全面的轉(zhuǎn)型升級(jí)，需要對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備和技術(shù)儲(chǔ)備進(jìn)行全面系統(tǒng)化的運(yùn)用，盡可能將現(xiàn)有的設(shè)備算法通過(guò)合理適配達(dá)到最高水平。在不能全面系統(tǒng)地將通信設(shè)備在變電站實(shí)現(xiàn)全面轉(zhuǎn)型升級(jí)前，仍需要相關(guān)工作人員對(duì)通信控制系統(tǒng)進(jìn)行有著重點(diǎn)的、細(xì)致的定期檢修與設(shè)備調(diào)換。