关于数字化变电站网络通信技术的探讨

【摘 要】近年来，变电站运行操作仿真、一次运行设备自诊断和在线状态检测、电流电压互感器以及智能开关等技术的快速发展，推动了数字化变电站的发展。与此同时，网络通信技术在数字化变电站的应用越来越广泛，实现了变电站信息的数字化共享和传输，为我国变电站的发展提供了重要的技术支撑。本文分析了数字化变电站网络通信要求和数字化变电站通信网络结构。

【关键词】数字化变电站 网络通信技术

随着我国电力系统的不断完善，数字化变电站逐渐替代了传统变电站系统，其集保护、采集、测量、控制为一体，实现了变电站设备之间的资源共享，极大地提高资源的利用率。而网络通信作为数字化变电站最重要的功能，其运行特性对于数字化变电站的安全稳定性有着直接影响。

一、数字化变电站网络通信要求

1.功能要求

根据变电站系统的功能分层要求，数字化变电站可以分为过程层、间隔层和变电站层。同时变电站网络通信系统又定义了命令报文、时间同步报文、文件传输报文、原始数据报文、低速报文、中速报文和快速报文这7种类型的报文。数字化变电站网络通信主要包括突发性通信、随机性通信和周期性通信三种通信模式。

（1）突发性通信。突发性通信主要是指即中速报文和快速报文，在通信过程中，报文数据量较少，时限要求很高。

（2）随机性通信。随机性通信主要包括具有控制和访问功能的命令报文、时间同步报文、文件传输报文以及低速报文，随机性通信的报文数量很多，同时时间也相对比较宽裕。

（3）周期性通信。周期性通信主要包含原始数据报文，在变电站的过程层，在规定时间内向间隔层传输报文数据，根据数字化变电站设置的采样频率，报文传输一般要在3～10ms内完成。

2.性能要求

（1）开放性。数字化变电站网络通信要满足变电站IED设备扩展和互联的要求，遵循国际标准的通信协议，网络通信的接口要符合国际标准，便于变电站的系统集成。

（2）通信效率。数字化变电站根据报文帧和数据帧的比例，分析通信效率和系统的短帧结构。

（3）可靠性。数字化变电站网络通信的可靠性住主要是指网络通信在长时间运行过程中无故障发生的能力，其主要取决于网络拓扑结构和冗余方案的可靠性。数字化变电站可以通过优化冗余结构和组网方式，提高网络通信的可靠性，保障数字化变电站的稳定运行。

（4）实时性。数字化变电站网络通信的实时性受到组网方式、优先级、传输控制/访问仲裁方法、网络带宽等多个因素的影响。数字化变电站通信网络系统要满足采样值报文传输、GOOSE的时限要求，即使是系统出现故障时，也要保障报文信息能够快速上传。

二、数字化变电站通信网络结构

网络通信技术在数字化变电站的应用，关键就在于通信网络的可靠性，主要包括组网方式和网络拓扑。

1.组网方式

国际IEC61850规定，数字化变电站过程层、间隔层和站控层之间需要通过以太网进行通信，但没有明确规定具体的组网方案。在数字化变电站运行过程中，最合理的组网方式应该是在满足数字化变电站网络通信性能要求和承载功能的基础上，在保留通信网络本体参数的情况下，优化通信网络的节点分布和网络结构，提高数字化变电站的网络通信水平和实际效能，实现系统投入和效能的平衡。当前，数字化变电站主要两种组网方式：统一组网和独立组网。

（1）统一组网。随着电子信息技术的快速发展，数字化变电站逐渐实现了过程网络和站级网络的统一组网。数字化变电站的所有设备都通过总的通信网络进行信息交互，最大程度地实现信息共享，以最少的网络设备发挥最大的自动化效能。数字化变电站统一组网方式，在一定程度上简化了通信网络结构，但是同时由于数字化变电站的统一通信网络节点结构复杂、位置分散、数目众多并且规模较大，增加了变电站运行管理和组网的难度。数字化变电站的多种数据流共享统一的通信网络，网络负荷较大，难以保障信息传输的实时性和安全性。而交换式以太网的虚拟局域网和优先排队特性可以很好地解决该问题。根据数字化变电站网络通信的技术条件，进一步优化统一组网，提高网络通信的效率。

（2）独立组网。数字化变电站的过程网络和站级网络进行物理隔离，分别独立组网，在间隔层的IED用2套以太网接口，接入变电站层总线和过程总线。当前变电站多以双网冗余方式来配置站级网络，在过程层网络中GOOSE报文和SAV报文同时传输，数据流量较大，为了确保GOOSE报文的安全性和可靠性，可以采用独立组网。独立组网比较容易实现，同时数字化变电站的建设和改造分阶段进行，有助于保障网络性能。但是缺点是数字化变电站独立组网需要更多的网络设备，间隔层IED要设置多个网口，在很大程度上增加了投资成本，限制了数字化变电站的发展。

2.网络拓扑

以太网主要包括三种拓扑结构：环型、星型和总线型。环型拓扑结构具有较强的冗余能力，数字化变电站通信网络中任意一台交换机发生故障，而不会影响网络中其他交换机之间的通信。星型拓扑结构实现了任意两个交换机之间的通信路径最短，但是网络布线较多，一旦根交换机发生故障，会影响整个网络的通信。总线型结构通过简单串联多台交换机，网络结构布线简单，但是可靠性和安全性不高。当前，高压变电站的站级网络多采用环型拓扑结构，低压变电站的站级网络多采用星型拓扑结构，同时根据不同功能或者间隔，过程网络分为多个子网，各个子网多采用星型拓扑结构。另外，为了提高数字化变电站通信网络的容错能力，满足网络结构的双重化配置要求，避免发生单点故障，可以分别采用双环行拓扑结构和双星型拓扑结构。

三、结束语

网络通信技术在数字化变电站中的应用，对于提高数字化变电站的经济性、安全性和可靠性有著重要影响。通过分析数字化变电站网络通信技术，在保障信息传输的可靠性和实时性基础上，简化网络结构，提高经济效益，推动数字化变电站快速发展。

参考文献：

[1] 高翔.数字化变电站若干关键技术研究[D].浙江大学，2008.

[2] 王刚.智能变电站的网络通信与信息处理技术的研究[D].天津大学，2012.

[3] 姚庆华.郭家屯数字化变电站网络构建及监测技术的应用与研究[D].华北电力大学，2011.

作者简介：

王云鹏（1976-），男，山东滨州人，学历：大专，工作单位：惠民县供电公司，研究方向：工业工程技术。