智能变电站自动化通信网络可靠性研究

智能变电站自动化通信网络可靠性研究

高昂 张楠

国网江苏省电力有限公司镇江供电分公司 江苏 21200

摘要：智能变电站一般采用三层两网或两层一网的体系结构，各层内部及各层之间均采用高速以太网进行数据通信。网络通信在智能变电站自动化系统中起着重要作用，直接参与系统功能实现并影响整个系统的可靠性。近年来，已对智能变电站自动化系统的可靠性开展了相关研究，但主要是提出了一些可靠性分析方法，未对智能变电站自动化系统的可靠性进行优化。为此，本文以典型２２０ｋＶ智能变电站保护和控制功能为例，利用可靠性框图分析方法分析了不同的拓扑方案和冗余方案的可靠性指标，提出了一种复合型的拓扑结构和冗余配置方案，通过分析获得智能组件的可靠性、网络的管理与维护等对自动化系统网络可靠性及智能变电站自动化系统的可靠性有直接的影响。
关键词：通信网络；可靠性；可靠性框图；网络拓扑；冗余设计
中图分类号：ＴＭ７６
文献标志码：Ａ
引言
智能变电站在电力系统中承担着电能的汇集、分配以及中转的任务，也是电力系统的中枢。变电站的发展经历了很多阶段，由最开始的传统变电站逐渐发展到综合自动化变电站是一大进步。随着相关技术研究的深入，数字化变电站开始在电力系统中得到推广和应用，一直发展到目前的智能变电站，当然这也并不是终点。虽然说相关技术的应用和发展导致了变电站的发展和演变，但是从其系统结构来看，一次系统结构并没有太大的变化，发生巨大变化的是二次系统结构，这正是计算机技术和自动化通信技术发展和应用的结果。
1、自动化通信网络的可靠性
1.1对时通信网络

通过上图可以发现，对时装置主要负责智能设备的对时，尤其是站内的合并单元、智能终端等设备的对时。从装置来看，对时网络就是简单的二元件串联网络。
1.2继电保护通信网络

继电保护通信网络的主要装置就是保护装置，保证断路器的正常工作。对于单间隔要直接跳闸，保护装置和智能终端采用点对点的光纤，而对于跨间隔的保护功能，跳闸命令需要通过GOOSE光纤网络来完成，形成“直采直跳”控制。通常，220kV继电保护系统采用的布置是合并单元，所以其直接通过光纤由合并单元直接连接测控装置和其他辅助装置，借助直采直跳方式保证信息在单套继电保护通信网络中流通。
1.3自动化监控通信网络

智能变电站的自动监控系统不仅包括监视功能，而且能够实现系统的基本控制。自动化监控通信网络主要包括变电站内电气量监视和站内信号监视，分别对电压、电流、功率、频率以及故障异常等信息进行监测。然后依靠系统的控制功能实现对站内断路器的远程控制。综合系统的监视功能和控制功能，进行有序、高效配合，才能保证智能变电站自动化监控通信网络的可靠性。电气量监视通信网络是基于测控装置实现的，通过直跳方式保证电气信息采集的准确性。而对于控制通信网络来说，监控主机需要借助站控层交换机进行控制命令的传达，保证断路器的控制命令能够传送到智能终端，实现对断路器的控制。
2、研究现状
2.1可靠性评估指标

抗毁性是最早提出的通信网络可靠性评估指标。抗毁性是军用网可靠性评估的一项重要指标，但是对于受人为破坏的可能性较小的民用网络来说，网络抗毁性的地位则显得不是非常突出。考虑到网络部件的随机失效的影响，人们提出了生存性这一网络可靠性指标。网络生存性描述了随机破坏以及网络拓扑结构对通信网络可靠性的影响，它是通信网络最基本的特性，也是通信网络可靠性研究领域内研究最多的课题。网络的有效性是基于网络业务性能（包括网络的服务质量）的可靠性测度，是描述通信网络传输能力的一个重要指标，包括网络理论吞吐量、呼叫成功率、报文传输成功率、报文传输延时等。目前由于其定义和算法还不够成，问题十分复杂，因此对网络有效性的测度可行性较差。
2.2可靠性评估方法

通信网络的抗毁性研究只是从网络的拓扑结构层面进行分析，应用图论的有关理论和算法能够基本满足抗毁性评估的需要。对于网络的生存性分析，比较简单的通信网络可以利用故障树模型和故障树分析法或建立相应的数学模型进行可靠性分析评估。考虑到部件具有多种工作模式和失效模式时，描述通信网络的模型的状态数将非常巨大，给网络可靠性的计算带来了很多困难。Chiou等提出了一种减少计算量的方法，克服了模型规模的限制。在采用数学建模法来评估网络的可靠性时，通常会遇到难以对系统进行精确的建模，或者虽然能够建立相应的数学模型，但是模型过于庞大复杂难以进行求解的情况。利用计算机对通信网络进行仿真，可以模拟和处理网络运行中的一些模糊因素和不可知因素，弥补了单纯的数学建模法的不足。计算机仿真是通信网络可靠性评估的一种重要方法。
2.3变电站自动化系统通信网络可靠性

在电力领域，很多学者针对变电站自动化系统通信网络的可靠性进行了研究。何卫等针对高电压等级的变电站通信系统信息交换量大和数据实时性高的特点，建议采用双网结构以实现冗余备用。除此之外，也有研究认为根据变电站自动化系统通信的特点，选用某种通信结构和网络形式能够有效提高通信的可靠性。

3、智能变电站网络结构的可靠性及优化
当前我国智能变电站自动系统的结构可以分为环形结构和星形结构。首先星形结构是一种相对简单的网络，该系统中线路的布置较为方便，能够进行扩展和拓建。整个系统相对简单，方便后期的维护维修，如果该系统当中交换机出现问题时，其他的智能设备不会受到影响，并且该系统的数据传输较快。但是星形结构的智能变电站自动化系统自身存在着不足，其中交换机需要承受较大的负担，交换机的数量较多，需要投入较大的经济成本。

其次，环形结构变电站网络系统具有较高冗余度。如果该系统当中的网线发生故障时，可以通过系统进行自动的重组，保证该系统的设备能够正常运行。同时与星形结构相比较，该系统的交换机数量较少，经济同入成本较低。但是环形结构是一种相对复杂的系统，整个系统当中需要通过相关技术来提高系统的稳定性和可靠性，系统的扩展性较差。整个系统在运行的过程当中，需要根据变电站工程的规模来增加交换机的数量。由此可见整个系统的经济成本同样会增加，并且后期维护的困难较大。

为了对变电站系统进行优化升级，在对网络拓扑结构进行升级时可以对环形结构和星形结构进行综合运用，同时考虑到整个网络系统建设的经济成本投入，在使用过程当中，可以用环形结构来构建核心网，用星形结构来构建接入网，最终形成复合型的网络结构。在复合型网络结构当中，环形网络需要通过控制交换机的数量，从而提高其整体的可靠性。当环形结构中，交换机数量变多时，整个系统的可靠性将会降低，因此需要通过间隔层的设备与站控层的设备之间进行联系，并且通过树协议寻找较短的路径，最终满足整个变电站实时传播信息的要求。这些技术在实际操作中都必须结合地区发展实际情况来执行，不可单靠理论要充分的联系实际。

结束语

变电站在我国社会发展当中发挥着重要的作用，为人们的正常生活以及工业生产提供电力保证，因此变电站系统的建设具有重要的意义。为了保证变电站网络系统可以正常运行，对变电站进行智能化、自动化网络建设和优化。在变电站系统当中通信网络占据非常重要的作用，因此通过对该系统进行优化升级，选择合适的网络结构。

参考文献:

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[2]蔡月明,仇新宏,李惠宇,邢宜宝.基于低压差分信号高速串行总线的智能变电站硬件平台设计[J].电力系统自动化,2012,21:73-76.