时延敏感网络在智能变电站中的应用研究

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一、TSN时延敏感网络

进入21世纪后，随着智能化技术、工业的引入，时间敏感型网络应运而生，它是一种全新的标准化工业通信技术，允许周期性与非周期性数据在同一网络中传输，为以太网提供低时延、低抖动和低丢失率的能力，使得以太网能适用于可靠性和时间敏感型应用场景。TSN的主要特点如下：

1.确定性传输：TSN通过对数据流量的整形、无缝冗余传输、过滤和基于优先级调度等，实现对关键数据的高可靠、低延时、零分组丢失的确定性传输。

2.时间同步：TSN保证数据帧在各个设备中传输时隙的正确匹配，满足通信流的端对端确定性时延和无排队传输。

3.向后兼容：TSN以开放的以太网标准为基础，非专用协议，来自不同供应商的TSN的设备都可以相互兼容。

4.动态配置：TSN引入集中网络控制器和集中用户控制器，实现了网络动态配置，在网络运行时灵活的配置新的设备和数据流。

5.安全传输：TSN对输入交换机的数据进行筛选和管控，对不符合规范的数据帧进行阻拦，能及时隔断外来入侵数据，实时保护网络的安全。

二、TSN在智能变电站中的应用

（一）智能数字变电站网络结构

智能变电站按照IEC61850标准构建站内通信体系，依靠IEC61850网络接收来自传感器和电力设备的数据，并在整个变电站中发送保护和控制命令。基于IEC61850的站内通信体现分为三层：

1.站控层：该层安装有SCADA服务器和HMI工作站，也安装有与相邻变电站和调度中心信息传输的通信设备。

2.间隔层：该层由智能电子设备组成。IED接收来自传感器和一次设备的数据，以及在站控层发出控制命令。IED从站控层获取命令，对过程层设备进行测量，并做控制决策，将采集数据传输到其他IED或发送到SCADA系统进一步处理。

3.过程层：主要断路器和数据采集设备等设备组成，这些设备测量变电站一次设备的电流、电压和其他参数。由于电力生产的连续性和重要性，必须保证站内通信网络的可靠性，因此智能变电站通信网络通常采用符合IEC61850标准的工业以太网组网。过程层网络采用光纤接入，环形组网，双网双冗余，具有较高的带宽和冗余机制，提供纳秒级同步精度；站控层与间隔层网络提供毫秒级同步精度，同样双网双冗余接入方式。遵循IEC61850，保证变电站的产品的兼容性，使将来扩展变电站操作更加容易。工业以太网确保IED到IED高速通信有保证的传输时间。

（二）基于工业以太网的缺点和不足

目前的智能变电站通信底层网络大都基于IEEE802.3以太网技术构建，上层传输IEC61850报文，这种组网方式在一定程度上保证了61850报文的时延，但在新的能源需求和电力供应下其缺点也逐渐显现。基于工业以太网构建的智能变电站通信体系的不足有：

1.数据丢失、广播风暴等诸多异常情况，将严重影响信息流的实时性和可靠性，给继电保护等业务的可靠运行带来挑战。

2.工业实时以太网无法在同一网络中传输普通以太网数据和实时以太网数据。导致变电站内需要另外建一张非实时以太网来传输文件、管理信息等非实时数据，导致建设和运维成本的增加。

3.工业以太网中采用交换技术降低了帧冲突，提高了实时性，仍存在端口竞争，并没有彻底消除碰撞和排队现象，极端情况会造成数据帧时延不确定性，进而威胁电网的安全稳定运行。

（三）智能变电站实时通信需求

智能变电站需要在各层内横向传输数据，也需要在层间垂直传输数据。垂直数据为从过程层发送到间隔层的合并单元的时延敏感量测数据，用以保护和控制变电站总线上的IED。IEC61850的传输报文，按照实时性要求分为7类。为了防止数据丢失，IEC61850提供了多种标准化冗余解决方案，包括并行冗余协议和高可用性无缝冗余。在IEC61850网络中，当变电站内同时大量通信时，有发生网络拥塞的可能，组网时还需要考虑如何保证关键数据流的网络可用性。

（四）基于TSN变电站实时通信

1.全新标准：TSN已经成为IIoT和工业4.0的关键支撑技术之一。融合TSN和IEC61850的新的标准将实现一种开放式架构，可用于最复杂的变电站架构联网。

2.面向未来：TSN协议系列的核心技术已经完成，并在不断推出新的标准，以扩展其功能和应用领域。业界著名厂商都推出了基于TSN标准的以太网产品，在化工生产、机器人工业、深海石油钻井等行业已有成熟部署案例。IEEE802.1标准化流程也确保了向后兼容性，意味着已部署TSN网络在未来仍可以使用。

3.互操作性：TSN允许在同一网络上共存实时和非实时通信，并支持低丢包率和带宽预留。这些功能从根本上增强了传统以太网技术。随着TSN标准的不断推出，结果将是供应商之间的广泛互操作性。

4.支持新业务：机器人巡检、无人机巡检、广域测量系统WAMS等新的应用系统和新业务对时延和可靠性的要求更低，TSN能满足新兴业务的要求。

5.避免厂商锁定：实时工业以太网主要为企业私有标准，容易造成厂商锁定，为避免“卡脖子”，很多企业开始重视标准和设备的厂商独立性。而TSN是全球国际标准，不同厂商的产品只要符号标准就能连接，从而消除厂商锁定。

三、结束语

综上所述，智能变电站是电网中的重要节点，具有继电保护、故障录波、测量、控制等基本功能，并支持电网实时控制和智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能。智能变电站内部的通信网络直接决定了站内智能终端IED、合并单元、保护装置、测控装置、自动化系统等各设备之间信息流的传输质量。因此，通信网络的可靠性、抗干扰能力和实时性对变电站安全稳定运行产生影响越来越重要。