数字化变电站通信网络规划与实时特性改进

刘帅帅，刘洪帅

（国网山东省电力公司超高压公司，山东 济南 250000）

0 引 言

数字化变电站注重提高电力系统自动化水平，通过应用数字化的设备和传感器，实现对电力系统各环节的实时监测、数字化控制和远程通信。通过高精度的数字式电压和电流互感器，实现对电压和电流信号的精确采集和传输。这些互感器具有较高的准确性、稳定性和抗干扰能力，为变电站自动化系统提供了可靠的数据基础。数字化变电站还强调信息化管理，利用现代信息技术对变电站的运行状态、设备运行参数等进行实时监测和分析，能有效提高变电站的运行效率和可靠性。数字化变电站是变电站自动化系统发展的主要方向，推动了电力系统的智能化和可持续化发展。

1 数字化变电站的特征

数字化变电站是指通过传感器、监测装置和智能设备实时监控和控制电网运行状态，实现远程监测和远程操作。第一，能够集成来自不同设备的数据，并利用数据分析技术提供实时的运行状态监测和故障诊断，为运维决策提供依据。第二，可以自动执行操作和控制，利用人工智能和自学习算法，实现对电力系统的智能管理和优化。第三，能根据需要进行灵活配置和升级，以满足不同电网运行需求。第四，通过数据通信和网络技术实现设备协同工作和远程操作，以提高电网运行效率和运行的安全性[1]。

2 组网方式

网络结构的选择是确保网络工作效率和可靠性的关键，根据当前通信网络技术的发展情况，数字化变电站参考电力系统自动化领域全球通用（IEC 61850）标准、数字式电流电压互感器规范（IEC-60044-7/8）标准，通信网络使用以太网，过程网络使用抗电磁干扰强的光纤介质，站级和对外网络使用光纤或双绞线介质[2]。数字化变电站合理的组网模式，建立的网络在满足承载功能并满足性能需求、保持网络本体论的参数不变的情况下，最大限度地提升网络的性能和变电站的信息化应用，并实现效率与投资之间的均衡。处理网络的拓扑结构如图1所示。

图1 处理网络的拓扑结构

图1（a）为“点对点-多点”模式，数据处理仅可由本区间内的一个装置独占或少数装置共享；图1（b）所示的工艺网络的拓扑结构为“星”模式，工艺数据可由各工位装置共用。这2种组网模式是将一个逻辑外部的网络并入一个站点级别的网络，使站外的网络可以直接接入站点内部的隔离装置。即利用区间式装置在广域范围内的信息交流，对输、配电网进行大范围的监控，是建立数字变电站的主要目的。

在此基础上，提出了一种分布式控制方法，旨在实现更加高效和可靠的电力系统运行。分布式控制方法是将控制功能分散到各个智能设备和传感器中，使各设备互相协作完成对电力系统的监测和控制任务。该方法不仅可以降低系统发生单点故障的概率，还能提高系统整体的容错性和健壮性。通过智能设备和传感器之间的实时通信和数据交换，各设备得以共享信息、协同工作，从而更准确地感知电力系统的状态变化，并采取相应的控制策略。此外，分布式控制方法还具备自适应和自修复能力，能根据系统变化的条件进行动态调节和优化，既能保证系统的安全性、稳定性，又能保证系统的可扩充性。该方法适合于整个数字化变电站通信网的拓扑结构，但也有一些网络只能采用点到点的通信模式。

3 数字化变电站通信网络实时性

在数字化变电站中，通信网络的实时性是非常重要的，实时性取决于网络的带宽、访问仲裁、传输控制方法、优先级以及组网方式等多个因素[3]。以太网是最常用的网络技术，但最初开发的目的并非实时控制，而是为满足商业需求，存在实时性差和不确定性等问题。而信息碰撞是一种用于实现均衡性和频带共享的机制，并非是网络技术本身的缺点。

为提高以太网的实时性、满足工业过程控制的需求，可以采用多种方法。例如，点对点的通信方法，可以防止数据的碰撞和延迟；优化访问仲裁机制、改进传输控制方法和设置优先级等手段来提升以太网的实时性能。

4 数字化变电站通信网络的实时特性改进

4.1 带优先级的交换式以太网

在带优先级的交换式以太网中，数据帧通过交换机进行转发和路由。每个数据帧都包含一个优先级字段，用于指示数据的重要程度或实时性要求，交换机会根据优先级字段来进行数据传输的调度，确保高优先级的数据帧优先传输。其中，数据帧的优先级字段可以根据需求进行划分，以满足不同应用对实时性的要求，高优先级的数据可以被优先处理和传输，提高实时应用的响应速度和效率。交换机使用特定的调度算法来管理数据帧的传输顺序，例如，基于优先级的调度算法。调度算法会根据数据帧的优先级和网络状况，决定数据帧的传输顺序，从而满足实时应用需求。通过优先级划分和调度算法的实施，带优先级的交换式以太网能确保高优先级数据获得更多的带宽，避免低优先级数据的传输占用过多的网络资源。带优先级的交换式以太网在数字化变电站等实时应用场景中发挥着重要作用，能够提供更可靠、响应速度更快的通信性能。

4.2 实时调度协议

实时调度协议是一种用于实现实时控制的通信协议。常见的实时调度协议是将一个节点作为主节点，通过该节点向其他节点发送指令，使其他节点按照一定的顺序进入该节点。该方法通过控制节点的接入过程，从而有效地为数据传输预留带宽，避免数据碰撞，以满足应用的实时性要求。但目前对于实时调度协议的研究仍处于实验阶段，尚未形成统一的标准。不同设备厂家之间的协调存在困难，在拥有多个不同类型设备的系统中实时调度协议的可用性较低。因此，在选择实时调度协议时需要考虑其可行性和兼容性[4]。

实时调度协议主要是为了解决在实时控制系统中，如何确保任务按照实时性要求准时执行的问题。除了将一个节点作为主节点的方式，实时调度协议还包括时间触发调度、优先级调度、轮询调度等。其中，时间触发调度是根据任务的到达时间和截止时间，按照一定的优先级和算法进行调度，以确保按时完成任务。例如，周期性任务可以根据周期来触发，以保证在规定的任务周期内执行；优先级调度则是根据任务的优先级来确定任务的执行顺序，高优先级的任务优先执行；轮询调度是按照一定的顺序对任务进行循环调度，每次只选择一个任务执行一定数量的时间片，完成后切换到下一个任务。包括实时以太网（Real-Time Ethernet，RTE）技术、PROFINET、EtherCAT等在内的工业以太网协议主要通过以太网实现实时通信机制和协议栈的改进，适用于工业自动化等实时控制场景。由于不同设备厂家的差异和标准的不统一，实时调度协议的兼容性和可用性仍存在一些挑战。为了提高实时调度协议在不同设备间的可用性，一些行业组织和标准机构致力于推动相关标准的制定和统一。通过持续的研究和实践进一步完善和发展实时调度协议，以满足数字化变电站等实时控制应用的需求。

4.3 传输控制措施

传输成型、通信平滑和实时控制层是数字化变电站通信网络中的关键传输控制措施。其中，传输成型是通过对数据的处理，确保在传输过程中保持稳定的传输速率和延迟，从而有效防止数据拥塞和丢失。同时可以利用排队、缓冲和调整传输速率等方法，平衡数据流量，确保数据的可靠传输；通信平滑则是依靠流量控制和拥塞控制技术，确保数据在网络中平滑传输，避免发生网络拥塞和数据丢失等问题。通过动态调整发送速率、设置拥塞窗口和使用队列管理机制等手段，实现流畅的通信过程；实时控制层通过引入实时通信协议，如网络测量和控制系统的精密时钟同步协议（IEEE 1588）标准，以保证数据传输的精确性和及时性。IEEE 1588标准可以提供准确的时间同步，确保数据按时到达目的地，满足实时控制的要求。通过采用传输控制措施，能有效提升数字化变电站通信网络的性能和可靠性，保证变电站自动化系统的正常运行和数据传输的准确性。因此，传输成型、通信平滑和实时控制层是构建高效数字化变电站通信网络的重要步骤[5]。

5 结 论

针对目前电力系统中存在组网模式、网络实时性等问题，提出了优化数字化变电站通信网络的实时特性的方法，如带优先级的交换式以太网、实时调度协议、传输控制措施。但在构建数字化变电站通信网络方面，仍是一种全新的探索，不管是在技术层面，还是管理层面，都存在着许多待解决的问题。因此，未来需要探究如何实现站内网络的统一、广播区域的划分、保障信息安全。