數字化變電站通信網絡規劃與實時特性改進

劉帥帥，劉洪帥

（國網山東省電力公司超高壓公司，山東 濟南 250000）

0 引 言

數字化變電站注重提高電力系統自動化水平，通過應用數字化的設備和傳感器，實現對電力系統各環節的實時監測、數字化控制和遠程通信。通過高精度的數字式電壓和電流互感器，實現對電壓和電流信號的精確采集和傳輸。這些互感器具有較高的準確性、穩定性和抗干擾能力，為變電站自動化系統提供了可靠的數據基礎。數字化變電站還強調信息化管理，利用現代信息技術對變電站的運行狀態、設備運行參數等進行實時監測和分析，能有效提高變電站的運行效率和可靠性。數字化變電站是變電站自動化系統發展的主要方向，推動了電力系統的智能化和可持續化發展。

1 數字化變電站的特征

數字化變電站是指通過傳感器、監測裝置和智能設備實時監控和控制電網運行狀態，實現遠程監測和遠程操作。第一，能夠集成來自不同設備的數據，并利用數據分析技術提供實時的運行狀態監測和故障診斷，為運維決策提供依據。第二，可以自動執行操作和控制，利用人工智能和自學習算法，實現對電力系統的智能管理和優化。第三，能根據需要進行靈活配置和升級，以滿足不同電網運行需求。第四，通過數據通信和網絡技術實現設備協同工作和遠程操作，以提高電網運行效率和運行的安全性[1]。

2 組網方式

網絡結構的選擇是確保網絡工作效率和可靠性的關鍵，根據當前通信網絡技術的發展情況，數字化變電站參考電力系統自動化領域全球通用（IEC 61850）標準、數字式電流電壓互感器規范（IEC-60044-7/8）標準，通信網絡使用以太網，過程網絡使用抗電磁干擾強的光纖介質，站級和對外網絡使用光纖或雙絞線介質[2]。數字化變電站合理的組網模式，建立的網絡在滿足承載功能并滿足性能需求、保持網絡本體論的參數不變的情況下，最大限度地提升網絡的性能和變電站的信息化應用，并實現效率與投資之間的均衡。處理網絡的拓撲結構如圖1所示。

圖1 處理網絡的拓撲結構

圖1（a）為“點對點-多點”模式，數據處理僅可由本區間內的一個裝置獨占或少數裝置共享；圖1（b）所示的工藝網絡的拓撲結構為“星”模式，工藝數據可由各工位裝置共用。這2種組網模式是將一個邏輯外部的網絡并入一個站點級別的網絡，使站外的網絡可以直接接入站點內部的隔離裝置。即利用區間式裝置在廣域范圍內的信息交流，對輸、配電網進行大范圍的監控，是建立數字變電站的主要目的。

在此基礎上，提出了一種分布式控制方法，旨在實現更加高效和可靠的電力系統運行。分布式控制方法是將控制功能分散到各個智能設備和傳感器中，使各設備互相協作完成對電力系統的監測和控制任務。該方法不僅可以降低系統發生單點故障的概率，還能提高系統整體的容錯性和健壯性。通過智能設備和傳感器之間的實時通信和數據交換，各設備得以共享信息、協同工作，從而更準確地感知電力系統的狀態變化，并采取相應的控制策略。此外，分布式控制方法還具備自適應和自修復能力，能根據系統變化的條件進行動態調節和優化，既能保證系統的安全性、穩定性，又能保證系統的可擴充性。該方法適合于整個數字化變電站通信網的拓撲結構，但也有一些網絡只能采用點到點的通信模式。

3 數字化變電站通信網絡實時性

在數字化變電站中，通信網絡的實時性是非常重要的，實時性取決于網絡的帶寬、訪問仲裁、傳輸控制方法、優先級以及組網方式等多個因素[3]。以太網是最常用的網絡技術，但最初開發的目的并非實時控制，而是為滿足商業需求，存在實時性差和不確定性等問題。而信息碰撞是一種用于實現均衡性和頻帶共享的機制，并非是網絡技術本身的缺點。

為提高以太網的實時性、滿足工業過程控制的需求，可以采用多種方法。例如，點對點的通信方法，可以防止數據的碰撞和延遲；優化訪問仲裁機制、改進傳輸控制方法和設置優先級等手段來提升以太網的實時性能。

4 數字化變電站通信網絡的實時特性改進

4.1 帶優先級的交換式以太網

在帶優先級的交換式以太網中，數據幀通過交換機進行轉發和路由。每個數據幀都包含一個優先級字段，用于指示數據的重要程度或實時性要求，交換機會根據優先級字段來進行數據傳輸的調度，確保高優先級的數據幀優先傳輸。其中，數據幀的優先級字段可以根據需求進行劃分，以滿足不同應用對實時性的要求，高優先級的數據可以被優先處理和傳輸，提高實時應用的響應速度和效率。交換機使用特定的調度算法來管理數據幀的傳輸順序，例如，基于優先級的調度算法。調度算法會根據數據幀的優先級和網絡狀況，決定數據幀的傳輸順序，從而滿足實時應用需求。通過優先級劃分和調度算法的實施，帶優先級的交換式以太網能確保高優先級數據獲得更多的帶寬，避免低優先級數據的傳輸占用過多的網絡資源。帶優先級的交換式以太網在數字化變電站等實時應用場景中發揮著重要作用，能夠提供更可靠、響應速度更快的通信性能。

4.2 實時調度協議

實時調度協議是一種用于實現實時控制的通信協議。常見的實時調度協議是將一個節點作為主節點，通過該節點向其他節點發送指令，使其他節點按照一定的順序進入該節點。該方法通過控制節點的接入過程，從而有效地為數據傳輸預留帶寬，避免數據碰撞，以滿足應用的實時性要求。但目前對于實時調度協議的研究仍處于實驗階段，尚未形成統一的標準。不同設備廠家之間的協調存在困難，在擁有多個不同類型設備的系統中實時調度協議的可用性較低。因此，在選擇實時調度協議時需要考慮其可行性和兼容性[4]。

實時調度協議主要是為了解決在實時控制系統中，如何確保任務按照實時性要求準時執行的問題。除了將一個節點作為主節點的方式，實時調度協議還包括時間觸發調度、優先級調度、輪詢調度等。其中，時間觸發調度是根據任務的到達時間和截止時間，按照一定的優先級和算法進行調度，以確保按時完成任務。例如，周期性任務可以根據周期來觸發，以保證在規定的任務周期內執行；優先級調度則是根據任務的優先級來確定任務的執行順序，高優先級的任務優先執行；輪詢調度是按照一定的順序對任務進行循環調度，每次只選擇一個任務執行一定數量的時間片，完成后切換到下一個任務。包括實時以太網（Real-Time Ethernet，RTE）技術、PROFINET、EtherCAT等在內的工業以太網協議主要通過以太網實現實時通信機制和協議棧的改進，適用于工業自動化等實時控制場景。由于不同設備廠家的差異和標準的不統一，實時調度協議的兼容性和可用性仍存在一些挑戰。為了提高實時調度協議在不同設備間的可用性，一些行業組織和標準機構致力于推動相關標準的制定和統一。通過持續的研究和實踐進一步完善和發展實時調度協議，以滿足數字化變電站等實時控制應用的需求。

4.3 傳輸控制措施

傳輸成型、通信平滑和實時控制層是數字化變電站通信網絡中的關鍵傳輸控制措施。其中，傳輸成型是通過對數據的處理，確保在傳輸過程中保持穩定的傳輸速率和延遲，從而有效防止數據擁塞和丟失。同時可以利用排隊、緩沖和調整傳輸速率等方法，平衡數據流量，確保數據的可靠傳輸；通信平滑則是依靠流量控制和擁塞控制技術，確保數據在網絡中平滑傳輸，避免發生網絡擁塞和數據丟失等問題。通過動態調整發送速率、設置擁塞窗口和使用隊列管理機制等手段，實現流暢的通信過程；實時控制層通過引入實時通信協議，如網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議（IEEE 1588）標準，以保證數據傳輸的精確性和及時性。IEEE 1588標準可以提供準確的時間同步，確保數據按時到達目的地，滿足實時控制的要求。通過采用傳輸控制措施，能有效提升數字化變電站通信網絡的性能和可靠性，保證變電站自動化系統的正常運行和數據傳輸的準確性。因此，傳輸成型、通信平滑和實時控制層是構建高效數字化變電站通信網絡的重要步驟[5]。

5 結 論

針對目前電力系統中存在組網模式、網絡實時性等問題，提出了優化數字化變電站通信網絡的實時特性的方法，如帶優先級的交換式以太網、實時調度協議、傳輸控制措施。但在構建數字化變電站通信網絡方面，仍是一種全新的探索，不管是在技術層面，還是管理層面，都存在著許多待解決的問題。因此，未來需要探究如何實現站內網絡的統一、廣播區域的劃分、保障信息安全。