基于IEC61850的變電站融合通信系統(tǒng)設(shè)計

　　摘要：為提升變電站一體化智能運維水平，提出了一種基于IEC61850的變電站融合通信系統(tǒng)。概述了IEC61850規(guī)約的結(jié)構(gòu)和信息模型;設(shè)計了基于IEC61850的電力通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，說明了報文種類和具體需求;以集成式混合光網(wǎng)絡(luò)為例說明了變電站通信網(wǎng)絡(luò)的融合形式和方法，并分析了融合過程中的流量情況。

　　關(guān)鍵詞：IEC61850;變電站通信網(wǎng)絡(luò);融合系統(tǒng);集成式混合光網(wǎng)絡(luò)

　　0引言

　　智能電表的運用與完善，使得用戶側(cè)計量體系更加完善，豐富了用戶側(cè)用電信息的實時特性以及用戶側(cè)數(shù)據(jù)維度。隨著智能計量自動化系統(tǒng)(或用電信息采集系統(tǒng))不斷完善，用戶側(cè)計量點的用電量、電壓、電流和功率等數(shù)據(jù)信息分別上送到主站系統(tǒng)或營銷計量系統(tǒng)，不斷上送的實時數(shù)據(jù)形成了海量的數(shù)據(jù)集合。針對變電站融合通信技術(shù)，文獻[1]針對融合通信技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用進行了研究;文獻[2]提出了基于IMS的AMI融合通信網(wǎng);文獻[3]提出了電力光纖與無線融合通信專網(wǎng)中的基帶池資源規(guī)劃方法;文獻[4]提出了基于IP融合通信技術(shù)在電力通信網(wǎng)的應(yīng)用;文獻[5]研究了智能配用電網(wǎng)多介質(zhì)融合通信模式。

　　電力工程師論文： 智能變電站運維管理中的危險點和控制措施

　　針對IEC61850在變電站中的應(yīng)用，文獻[6]研究了基于IEC61850的智能變電站電流差動保護通信機制;文獻[7]針對基于IEC61850變電站過程總線的設(shè)計目標和時延進行了分析;文獻[8]建立了基于IEC61850的智能變電站高壓線路保護模型;文獻[9]設(shè)計了一種基于SCD文件的智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫自動生成方法�？梢娽槍�IEC61850的變電站融合系統(tǒng)設(shè)計還有待深入。

　　為此，本文提出了一種基于IEC61850的變電站融合通信系統(tǒng)。首先概述了IEC61850規(guī)約的結(jié)構(gòu)和信息模型;然后設(shè)計了基于IEC61850的電力通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，說明了報文種類和具體需求;最后以集成式混合光網(wǎng)絡(luò)為例，說明了變電站通信網(wǎng)絡(luò)的融合形式和方法，并分析了融合過程中的流量情況。

　　1IEC61850規(guī)約及信息模型

　　1.1IEC61850規(guī)約

　　變電站在電能的實時傳輸中起到重要作用，因此變電站需要良好的控制手段。目前變電站級別的監(jiān)控體系主要是百年電站自動化系統(tǒng)，通過智能電子表計實現(xiàn)對信息量的采集。IEC61850規(guī)約對這些信息的采集和傳輸起到規(guī)范和導則的作用。由于變電站內(nèi)含有大量一次和二次設(shè)備，信息量巨大，因此需要提高系統(tǒng)的可操作性。IEC61850可以將復雜的智能電子表計建模為功能簡單的集合，即邏輯節(jié)點。不同功能和通信服務(wù)之間的數(shù)據(jù)通信利用信息模型實現(xiàn)。

　　IEC61850標準定義了變電站自動化系統(tǒng)的構(gòu)架。變電站總線包括SCADA系統(tǒng)、變電站運維人員和繼電保護，該總線用于監(jiān)測和控制。過程總線連接變壓器、合并單元和保護裝置等。該規(guī)約使用采樣值信息和GOOSE報文，并且運行于發(fā)布者和訂閱者模塊，在通信堆棧的應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層執(zhí)行。

　　其中，GOOSE用于傳輸監(jiān)控信息，如斷路器狀態(tài)等;采樣值信息用于傳輸電壓電流等量測數(shù)值。采樣值報文基于周期信息傳輸模型，以固定速率發(fā)送消息。對于保護系統(tǒng)，默認速率為4000～8000個/s。另一方面，GOOSE協(xié)議運行于零散信息傳輸模型，通過邏輯節(jié)點中的連續(xù)數(shù)據(jù)流來提升通信可靠性。GOOSE報文中的傳輸序列具有允許生存時間的屬性，用于通知信息接收者等待下一個信息的最大時長。

　　GOOSE和SV報文在以太標準層上運行。IEC61850也提出了利用IEEE802.1Q來處理總線應(yīng)用中的時間約束。IEEE802.1Q能夠處理優(yōu)先調(diào)度報文，以及將處理總線接入虛擬局域網(wǎng)絡(luò)，從而滿足廣播和多重擴散域的約束。

　　1.2IEC61850信息模型IEC61850是面向應(yīng)用的、可以在所有IED平臺上統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義的數(shù)據(jù)組織管理方法。IEC61850可以生成配電系統(tǒng)配置描述語言(sub-stationconfigurationlanguage，SCL)的文件，以定義在配電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)和其相應(yīng)的在IED上的配電自動化系統(tǒng)邏輯節(jié)點之間的關(guān)系。IEC61850的信息模型如圖2所示。目前，IEC61850已廣泛應(yīng)用于智能變電站自動化。

　　2基于IEC61850的變電站通信系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1系統(tǒng)說明

　　本文設(shè)計了基于軟件定義的通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有可靠性高等特點。利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以提高網(wǎng)絡(luò)抵御黑客攻擊的能力。變電站和調(diào)控中心通過OpenFlow交換機網(wǎng)絡(luò)連接，OpenFlow控制器包含4個組件：資源監(jiān)視模塊、資源配置模塊、威脅檢測模塊和威脅緩沖模塊。資源監(jiān)視模塊和資源配置模塊采取手拉手工作方式對網(wǎng)絡(luò)資源流量進行持續(xù)監(jiān)控。當檢測到潛在的威脅時，威脅緩沖模塊讀取網(wǎng)絡(luò)核心資源的安全狀態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)性能狀態(tài)。電力系統(tǒng)通信關(guān)系到保護系統(tǒng)的正常動作，需要保證通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　IEC61850規(guī)約的用途就是保證變電站之間信息交互和通信的，因此本文考慮利用IEC61850構(gòu)建標準化通信網(wǎng)絡(luò)。信道故障、延時、冗余、可靠性、數(shù)據(jù)同步、交換頻率、數(shù)據(jù)帶寬和數(shù)據(jù)規(guī)模均會對通信系統(tǒng)的選擇產(chǎn)生影響。站對站通信的模式是指變電站自動化系統(tǒng)中2個變電站之間的通信方式，或者一個變電站向另一個變電站獲取信息的方式。保護功能和應(yīng)用均定義在相應(yīng)的接口部件，該接口可以提供相應(yīng)功能的數(shù)據(jù)傳輸。

　　2.2報文種類和需求

　　變電站之間的通信功能可以有所差異，IEC61850的報文可以歸類為報文性能類(MPC)，MPC1型為高速報文，包含短消息的二進制變量，如跳閘、啟動等信息。這些報文的類型對應(yīng)用的功能十分關(guān)鍵，智能電子裝置需要對這類報文立即做出響應(yīng)，1A型的報文發(fā)送跳閘命令則是最快的指令。

　　1A型的報文傳輸時間取決于支持的應(yīng)用類型，在3～10ms之間。1B型的報文相比1A，在需求方面嚴格程度有所降低，但是在速度和報文的響應(yīng)性方面也較好，傳輸時間在40～100ms之間。類型4的MPC為包括SV報文的生數(shù)據(jù)，傳輸時間在3～10ms。2型、3型和6型的MPC分別對應(yīng)中速、低速和文件傳輸，可以用作指令和報告的傳輸，這類報文的傳輸時間在100～1000ms之間。

　　2.3基于IEC61850的融合通信網(wǎng)絡(luò)

　　電力系統(tǒng)的保護需要可靠的通信系統(tǒng)作為支撐，并且通信系統(tǒng)的信道要有固定的時延和恒定的帶寬，在傳輸速率過程中不發(fā)生延時畸變。SDH和PDH均可以用于構(gòu)建變電站之間通信的網(wǎng)絡(luò)。以太技術(shù)具有統(tǒng)計時分復用的特點，并且使用基于需求的帶寬來滿足性能的要求。IEC61850部署于以太局域網(wǎng)LAN。流量可靠性問題是網(wǎng)絡(luò)路徑中數(shù)據(jù)包競爭導致阻塞產(chǎn)生的。利用優(yōu)先隊列方式可以降低高優(yōu)先級流量的延時，或者通過以太網(wǎng)絡(luò)避免GOOSE數(shù)據(jù)包在廣域網(wǎng)絡(luò)中引起洪泛。利用虛擬區(qū)域網(wǎng)絡(luò)配置流量限制可以解決這一問題，因此可以利用多種不同的虛擬局域網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建變電站之間的內(nèi)部流量和站內(nèi)的通信。網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)能夠解決數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的延遲問題，通過網(wǎng)絡(luò)切換技術(shù)來實現(xiàn)這一功能。該技術(shù)基于集成式混合光交換網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

　　3電力融合通信系統(tǒng)

　　3.1IHON集成式混合光網(wǎng)絡(luò)(IHON)

　　能夠?qū)��?shù)據(jù)包和電路網(wǎng)絡(luò)域名進行結(jié)合，該網(wǎng)絡(luò)形式支持2種主要的服務(wù)類型，即以高服務(wù)質(zhì)量為特征的保障傳輸服務(wù)和服務(wù)質(zhì)量較低的統(tǒng)計復用，2種服務(wù)形式共用相同的物理波長資源。保障傳輸服務(wù)的數(shù)據(jù)流量包括數(shù)據(jù)包零抖動、數(shù)據(jù)包零丟失和數(shù)據(jù)包低延遲。

　　配置相應(yīng)波長的顆粒度電路能夠降低光交換網(wǎng)絡(luò)中以及波長路由光網(wǎng)絡(luò)中的資源利用率，其原因在于統(tǒng)計復用無法實現(xiàn)。因此為優(yōu)化波長容量，集中式混合光網(wǎng)絡(luò)需要構(gòu)建保障傳輸服務(wù)波長來傳輸統(tǒng)計復用報文流量，并且統(tǒng)計復用流量僅僅加載在未被保障傳輸服務(wù)數(shù)據(jù)包占用的空間中。利用傳輸包H1原生節(jié)點來實現(xiàn)2種流量類型在以太網(wǎng)中的傳輸，形成網(wǎng)絡(luò)融合。TranspacketH110Gbit以太網(wǎng)能夠提供10×1Gbit的信道密度，并具有低延時和零丟包的特點。

　　3.2基于融合的變電站間通信方式2個變電站間的通信方式�？紤]2站之間是以太網(wǎng)連接，故利用信道實現(xiàn)通信。信道是2個變電站之間的直接連接，適用于較遠的2站之間，可以通過提高帶寬獲得較低時延。對于數(shù)據(jù)量較低的GOOSE流量，高帶寬也可以對應(yīng)低延時。信道通過交換機或者路由器構(gòu)成。利用10Gbit/s的以太波長的光纖鏈路連接2個變電站，融合節(jié)點為變電站邊緣節(jié)點，與2個變電站的局域網(wǎng)進行耦合。變電站邊緣節(jié)點能夠匯集不同變電站的流量。

　　本文采用IEC91850規(guī)約，用于傳輸變電站之間的流量。匯聚節(jié)點的報文標記為保障傳輸服務(wù)或統(tǒng)計復用，需要根據(jù)時間需求進行區(qū)別標記。GOOSE1A和4類SV報文在進入融合節(jié)點接口時為保障傳輸服務(wù)。GOOSE1B類報文和控制報文以及其他報文進行交互，遵循的協(xié)議為TCP/IP。

　　融合過程中，高優(yōu)先級流量的延時為固定值，采用統(tǒng)計復用幀時長最大化的方法。延時能夠檢測高優(yōu)先級流量之間的時間差，將其插入最大的1個統(tǒng)計復用包。在這種配置下，1.21μs的時延能夠容納最大長度為1518B的低優(yōu)先級包，經(jīng)過這樣的設(shè)置，高優(yōu)先級流量可以實現(xiàn)較高的服務(wù)質(zhì)量，包括低延時、無丟包等。4結(jié)束語變電站融合通信系統(tǒng)是一種新型技術(shù)，利用相應(yīng)的軟件和硬件實現(xiàn)了變電站通信系統(tǒng)的高度融合，基于IEC61850的變電站融合通信系統(tǒng)是本文研究的重點。通過對IEC61850規(guī)約的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)電力通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)流之間的協(xié)調(diào)，實現(xiàn)資源的最大化利用。

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　　作者：徐羊，劉磊

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