云計(jì)算在智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

鞏洪峰

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司超高壓公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引 言

智能變電站中，應(yīng)用了較多技術(shù)，如智能調(diào)度技術(shù)、分布式發(fā)電技術(shù)等，數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、分布更為分散，且數(shù)量更加龐大。云計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)，為智能變電站發(fā)展提供了更加有利的條件，使智能變電站擁有更高的智能化水平。通信網(wǎng)絡(luò)傳輸方面，當(dāng)前相關(guān)技術(shù)較為單一，為滿足智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)要求，可在智能變電站建設(shè)中引入云計(jì)算技術(shù)，整合系統(tǒng)中的儲(chǔ)存資源，形成電網(wǎng)智能云，提升智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水平。

1 智能變電站與云計(jì)算概述

1.1 智能變電站結(jié)構(gòu)

智能變電站結(jié)構(gòu)如圖1所示，為“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)。其中，“三層”主要為站控層、過(guò)程層以及間隔層，“兩網(wǎng)”主要為站控層網(wǎng)絡(luò)與過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)。

圖1 智能變電站結(jié)構(gòu)

1.1.1 站控層

“云”概念下，智能變電站的站控層主要由4部分構(gòu)成，分別是虛擬網(wǎng)絡(luò)、虛擬服務(wù)器、虛擬桌面終端以及虛擬存儲(chǔ)器，該層級(jí)不僅為間隔層提供服務(wù)，還為上層“云”提供相應(yīng)服務(wù)。

1.1.2 過(guò)程層

對(duì)于該層級(jí)而言，其屬于智能變電站的重要基礎(chǔ)，主要作用是采集變電站各項(xiàng)數(shù)據(jù)，如電流、電壓等電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)以及色譜、壓力、溫度等電網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，為智能電網(wǎng)提供數(shù)據(jù)支持。該層級(jí)還具有數(shù)據(jù)執(zhí)行功能，主要是基于采集的數(shù)據(jù)，在間隔層形成相應(yīng)計(jì)算數(shù)據(jù)，如電網(wǎng)故障類(lèi)型、電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算、電網(wǎng)狀態(tài)等，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際需要，開(kāi)展斷路器等操作。技術(shù)水平較高的智能變電站，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的全面共享，可充分發(fā)揮出各項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)際作用與價(jià)值，數(shù)據(jù)采集更加高效、快捷。

1.1.3 間隔層

在“云”概念影響下，智能變電站間隔層前安全虛擬化。該層級(jí)中存在的智能組件變成軟件功能模塊，部署在虛擬服務(wù)器中，不同的虛擬保護(hù)服務(wù)器存在不同的線路與間隔。在虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)中，不同功能模塊會(huì)結(jié)合實(shí)際需求，提取并計(jì)算數(shù)據(jù)，發(fā)揮自身實(shí)際功能作用。并且，各功能模塊能夠從上級(jí)“云”數(shù)據(jù)中心，調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的計(jì)算。對(duì)于虛擬間隔層而言，其具備較多優(yōu)點(diǎn)。一是變電站進(jìn)行間隔或線路擴(kuò)充時(shí)，從“云”中直接劃出一塊即可，無(wú)須增加二次設(shè)備；二是不用改二次設(shè)備，主要是變電站中傳統(tǒng)的二次設(shè)備已經(jīng)不存在，直接調(diào)整虛擬服務(wù)器即可；三是有效簡(jiǎn)化變電站調(diào)試與檢修工作，由于二次設(shè)備的消失，與其有關(guān)的工作也不復(fù)存在，智能變電站二次調(diào)試與檢修是提升數(shù)據(jù)采集精度，大幅降低檢修人員工作量；變電站占地面積大幅減少，由于間隔層被虛擬化，使得變電站小室也被虛擬化，進(jìn)而會(huì)縮小變電站占地面積。

“云”概念下，智能變電站擁有了全新的結(jié)構(gòu)，成為了一個(gè)數(shù)據(jù)源，在變電站功能保持下，向相鄰“云”提供相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，同時(shí)能夠滿足通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、全站信息數(shù)字化等要求，使智能變電站逐漸向自動(dòng)化、信息化以及互動(dòng)化方向轉(zhuǎn)變。

1.2 智能變電站的優(yōu)勢(shì)

相比于傳統(tǒng)變電站，智能變電站具有以下優(yōu)勢(shì)。一是一次設(shè)備智能化，智能變電站中的互感器、斷路器等均能實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能化，為智能變電站發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)；二是二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，微處理機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)共享，從而有效共享數(shù)據(jù)資源；三是信息交互標(biāo)準(zhǔn)化，智能變電站內(nèi)外部信息能夠交互、共享，對(duì)于不同的系統(tǒng)，能夠無(wú)縫交換數(shù)據(jù)信息等；四是設(shè)備檢修常態(tài)化，將在線監(jiān)測(cè)裝置安裝至一次設(shè)備，實(shí)時(shí)掌握一次設(shè)備運(yùn)行狀況，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定作業(yè)；五是運(yùn)維管理自動(dòng)化，智能變電站中的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)程序性操作，能夠根據(jù)指令執(zhí)行，自動(dòng)化程度較高[1]。

1.3 云計(jì)算

云計(jì)算屬于一種新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)分布式處理、并行處理以及網(wǎng)格計(jì)算，可將其視為一種基于計(jì)算機(jī)科學(xué)改變形成和發(fā)展的超級(jí)計(jì)算模式，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[2]。通過(guò)網(wǎng)格計(jì)算的方式，結(jié)合大量數(shù)據(jù)及處理器中的資源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作。云計(jì)算技術(shù)是一種新的共享方式，可連接網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，進(jìn)而形成統(tǒng)一的整體，為相關(guān)工作提供資源與服務(wù)。云計(jì)算涵蓋較多關(guān)鍵技術(shù)，包括虛擬化技術(shù)、編程模型、海量數(shù)據(jù)管理、分布式存儲(chǔ)、云平臺(tái)管理以及資源調(diào)度等，具體如圖2所示。

圖2 云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)

2 智能變電站數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)性能要求

智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的溝通交流，需要有通信網(wǎng)絡(luò)給予支持，數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)、高效、穩(wěn)定情況，屬于判斷系統(tǒng)自動(dòng)化程度的重要標(biāo)準(zhǔn)。變電站自動(dòng)化技術(shù)水平持續(xù)提升，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)逐漸增多，因此對(duì)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高要求。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)需要應(yīng)對(duì)現(xiàn)階段大量的操作數(shù)據(jù)、電量數(shù)據(jù)等，還要具有較高的穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)通信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，不僅要注重網(wǎng)絡(luò)的冗余性，還能考慮其無(wú)擾恢復(fù)能力。對(duì)智能變電站通信要求的性能要求主要包括以下幾點(diǎn)。

（1）分層結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)智能變電站分層架構(gòu)，需要將數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)分層作為前提，結(jié)合智能變電站實(shí)際需求，合理選擇網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)與技術(shù)。

（2）實(shí)時(shí)性。智能變電站運(yùn)行中，一般需要處理較多操作控制信息與實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，這些信息具有實(shí)時(shí)性特征，因此應(yīng)通過(guò)數(shù)據(jù)平臺(tái)的構(gòu)建，滿足數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性需求。

（3）可靠性。智能變電站數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)應(yīng)一直處于運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)發(fā)生故障，則會(huì)影響到智能變電站的正常運(yùn)行，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失，所以應(yīng)重點(diǎn)考慮數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的可靠性[3]。

（4）電磁兼容性。日常運(yùn)行環(huán)節(jié)，智能變電站會(huì)受到多種因素影響，如跳閘、雷擊等，通信系統(tǒng)會(huì)受到強(qiáng)磁干擾。因此，要求具有較高的網(wǎng)絡(luò)電磁兼容性，防止出現(xiàn)通信障礙等不良情況。

3 智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中云計(jì)算的應(yīng)用

智能變電站運(yùn)行中，對(duì)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)具有較高的要求，需要積極引入云計(jì)算技術(shù)，保證智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)具有較高的技術(shù)水平。

3.1 根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分層

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)下，智能變電站主要是借助變電站層網(wǎng)絡(luò)、過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)連接變電站層網(wǎng)絡(luò)、間隔層以及過(guò)程層等設(shè)備實(shí)現(xiàn)[4]。在過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)上，主要包含2種網(wǎng)絡(luò)，一是面向通用對(duì)象的變電站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）網(wǎng)絡(luò)；二是采樣測(cè)量值（Sampled Measured Value，SMV）網(wǎng)絡(luò)。GOOSE網(wǎng)絡(luò)主要的作用是上傳開(kāi)關(guān)量、下行分合閘控制量；SMV網(wǎng)絡(luò)主要的作用是進(jìn)行電流、電壓流量上傳在變電站層網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)變電站監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)相比，在結(jié)構(gòu)及功能上不存在較大差距，主要是通過(guò)多媒體信息服務(wù)/面向通用對(duì)象的變電站事件（Multimedia Message Service/Generic Object Oriented Substation Event，MMS／GOOSE）實(shí)現(xiàn)通信，匯總?cè)拘畔ⅲ€具有防誤閉鎖等功能。在過(guò)程總線技術(shù)上，過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)在事故中不會(huì)發(fā)生明顯變化，流量穩(wěn)定連續(xù)，但數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求較高，需要重點(diǎn)分析過(guò)程總線的實(shí)時(shí)性，預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)是否滿足過(guò)程層在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間及流量上需求。為提升全站統(tǒng)一式網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能并降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，通常選擇優(yōu)化組網(wǎng)方式，應(yīng)盡量將同一間隔內(nèi)的設(shè)備分配至同一臺(tái)交換機(jī)，避免出現(xiàn)大量的報(bào)文跨交換機(jī)傳輸情況。選擇虛擬局域網(wǎng)進(jìn)行配置，通過(guò)虛擬局域網(wǎng)標(biāo)簽多播模式，實(shí)現(xiàn)順序訪問(wèn)向量（Sequential Access Vector，SAV）和GOOSE報(bào)文通信，達(dá)到一發(fā)多收的效果。為降低網(wǎng)絡(luò)流量及接收設(shè)備的處理負(fù)擔(dān)，選擇基于IEEE802.1Q的優(yōu)先級(jí)標(biāo)簽，處理優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)較大的延時(shí)不確定性。

3.2 立足云計(jì)算構(gòu)建Cloudsis平臺(tái)

對(duì)于云計(jì)算系統(tǒng)而言，屬于一個(gè)龐大的系統(tǒng)，因此文章提出的云計(jì)算系統(tǒng)Cloudsis平臺(tái)，僅具備計(jì)算的部分特點(diǎn)，如整合計(jì)算與存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算向存儲(chǔ)遷移，分布式存儲(chǔ)文件等[5]。在系統(tǒng)構(gòu)架方面，云計(jì)算系統(tǒng)Cloudsis平臺(tái)主要包含4部分，分別是主服務(wù)器、服務(wù)器集群、應(yīng)用服務(wù)器以及用戶(hù)節(jié)點(diǎn)。在系統(tǒng)功能方面，云計(jì)算系統(tǒng)Cloudsis平臺(tái)具備分布式存儲(chǔ)、并行計(jì)算、計(jì)算向存儲(chǔ)遷移功能。通過(guò)各種終端，在局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)支持下，調(diào)度中心可以訪問(wèn)云計(jì)算系統(tǒng)Cloudsis平臺(tái)各種應(yīng)用服務(wù)。對(duì)于MainServer，不與間隔層信息直接交互，也不進(jìn)行數(shù)據(jù)的直接儲(chǔ)存，主要負(fù)責(zé)管理節(jié)點(diǎn)與支路數(shù)據(jù)。調(diào)度中心傳送控制命令向主服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，同時(shí)從主服務(wù)器掌握各支路文件信息的存儲(chǔ)位置，借助返回的節(jié)點(diǎn)信息，進(jìn)行塊服務(wù)器集群連接，向其發(fā)出存儲(chǔ)命令，最終達(dá)到信息分布式存儲(chǔ)的目的。

4 結(jié) 論

電力行業(yè)發(fā)展中，云計(jì)算技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。在云計(jì)算技術(shù)的支持下，可為變電站提供集中統(tǒng)一、安全可靠、按需服務(wù)的云計(jì)算服務(wù)模式，保證通信數(shù)據(jù)的高效利用，能夠提高通信網(wǎng)絡(luò)的信息處理能力，提升智能變電站運(yùn)行水平的同時(shí)降低系統(tǒng)建設(shè)成本，促進(jìn)智能變電站現(xiàn)代化發(fā)展。