電力自動化的通信網(wǎng)絡(luò)分析研究

許永創(chuàng)

【摘 要】由于當(dāng)前通信技術(shù)的發(fā)展，為各行各業(yè)智能化、自動化的推行提供了的堅實的基礎(chǔ)。對于電力系統(tǒng)而言，實現(xiàn)其自動化必須依靠智能調(diào)控一體化操作系統(tǒng)，而這一系統(tǒng)的組建需要現(xiàn)代通信技術(shù)的參與。本文分析了我國電力自動化的通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，對電力自動化通信網(wǎng)絡(luò)方案的選擇及WIMAX和 WMN 網(wǎng)絡(luò)在電力自動化中的應(yīng)用做了詳細(xì)闡述。

【關(guān)鍵詞】電力自動化；通信網(wǎng)絡(luò)；現(xiàn)場總線；以太網(wǎng)；WIMAX

一、電力自動化的通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

就當(dāng)前我國電力自動化進(jìn)程而言，專用的通信網(wǎng)絡(luò)基本已經(jīng)建成，其主體構(gòu)成為光纖通信，并且將各地的變電站以及發(fā)電廠連成一體，促使我國電力系統(tǒng)中的各項數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)了初步的共享。Internet則給這一系統(tǒng)提供了相關(guān)的通信網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)，并且能夠?qū)ξ覈?dāng)前的電力設(shè)施以及通信設(shè)施進(jìn)行遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，整個通信網(wǎng)絡(luò)如下圖：

圖 電力自動化系統(tǒng)中的整體通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在這一簡單的通信網(wǎng)絡(luò)中，所必須考慮的是將各基礎(chǔ)設(shè)施以最低的成本連接成一個完整的數(shù)據(jù)共享傳輸系統(tǒng)，這一系統(tǒng)的建立為我們電力公司的決策和運營提供一個完整的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。此外，我國當(dāng)前的這一通信系統(tǒng)可以支持 EMS、SMS、實時數(shù)據(jù)通信以及語音通信等業(yè)務(wù)。對于不同的局域網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的電壓適配其網(wǎng)絡(luò)控制，可供選擇的除 Internet VPN之外還有 RS485 總線、CAN等。伴隨著這些技術(shù)的成熟，我國將進(jìn)一步完善無線通信網(wǎng)絡(luò)，并且能夠?qū)σ淮卧O(shè)備和二次設(shè)備進(jìn)行無縫連接和集成管理。

在混合使用的通信網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)前其發(fā)展因為信息時代數(shù)據(jù)擴張所提供的機遇而迎來了一個發(fā)展高潮。在電力通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信開始投入到電力自動化系統(tǒng)使用之后，Internet VPN 以及無線通信技術(shù)（無線傳感器、無線網(wǎng)狀等網(wǎng)絡(luò)形式）也獲得了飛速的發(fā)展。當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的一個重大趨勢則在于將這些系統(tǒng)整合而構(gòu)成一個可直接提供決策參考依據(jù)的框架模式。

二、電力自動化通信網(wǎng)絡(luò)方案的選擇

（一）現(xiàn)場總線網(wǎng)

變電站一般會有兩個網(wǎng)絡(luò)，各有各的功能。一個負(fù)責(zé)控制網(wǎng)絡(luò)的各種狀態(tài)，即為監(jiān)控網(wǎng)，另一個則負(fù)責(zé)傳送故障信息，被稱為錄波網(wǎng)。從專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)視角分析可知，通信距離可高達(dá)2公里，主要通過光纖線路。這兩個網(wǎng)絡(luò)與其它接口進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，可以實現(xiàn)快速通信，這種方案現(xiàn)在被普遍使用。值得注意的是，電壓不可過高，否則容易被干擾，或因過高導(dǎo)致流量太低，影響通信質(zhì)量，進(jìn)而降低使用效率，造成不必要的麻煩。尤其在多個網(wǎng)絡(luò)一塊應(yīng)用時，更會造成信息之間的相互沖撞，會給信息接收者及發(fā)送者造成信息損失，影響電力系統(tǒng)在實際中的應(yīng)用。

（二）多網(wǎng)結(jié)合

多網(wǎng)結(jié)合即現(xiàn)場總線網(wǎng)與多個以太網(wǎng)相結(jié)合，與單純的現(xiàn)場總線網(wǎng)不同，此時的變電站有3個以太網(wǎng)，它們之間彼此獨立地接受信息與發(fā)送信息，實現(xiàn)“三權(quán)分立”卻又共同為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)?！叭龣?quán)”中的“兩權(quán)”與后臺機的聯(lián)絡(luò)通信，“一權(quán)”將所有設(shè)備聯(lián)絡(luò)，由此實現(xiàn)間隔輸送。這種結(jié)合使得網(wǎng)絡(luò)傳輸更加便捷，而且也可適用于高電壓。兩種網(wǎng)絡(luò)各自發(fā)揮自身優(yōu)勢，一種網(wǎng)絡(luò)的缺陷被另一種網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢彌補，這種“中+中=強”的模式得到了體現(xiàn)。

（三）比較分析

1、現(xiàn)場總線網(wǎng)只有一層網(wǎng)絡(luò)，所有的信息都需要與它聯(lián)系，就像一個容納500人的大廳只有1個飲水機一樣，這讓場所變得更加擁擠，資源變得更加稀缺。而通暢有序方案中設(shè)有2層網(wǎng)絡(luò)，使得信息通過不再擁擠，就像容納500人的大廳擁有5個飲水機一樣，顯得通暢有序。所以，方案不僅能夠很好地滿足電力自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信要求，而且還留有一定余地。以太網(wǎng)可支持最長的長幀為1500B，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于總線網(wǎng)的支持狀況，故多網(wǎng)結(jié)合方案中錄波數(shù)據(jù)的實際傳輸效率也會隨之多網(wǎng)結(jié)合增強。

2、以太網(wǎng)采用的都是TCP/IP的開放式協(xié)議，這種協(xié)議使得廣域網(wǎng)相連變得更加方便。

3、網(wǎng)絡(luò)全球化的實現(xiàn)使得網(wǎng)絡(luò)也不再獨屬于一國，而是越來越具有國際性。多網(wǎng)結(jié)合方案的采用使得網(wǎng)絡(luò)通信符合國際普遍做法，因為國際上普遍應(yīng)用以太網(wǎng)來連接。

4、一般的個人計算機均需使用獨立的板卡與總線網(wǎng)連接。在電腦比較多情況下，如果每臺機器都要設(shè)置接口，成本支出會比較高，而多網(wǎng)結(jié)合可以滿足多臺個人計算機使用。

（四）通信網(wǎng)絡(luò)傳輸分析

網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崟r性是衡量網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵因素。在以太網(wǎng)的方案中，可以從現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)兩個方面來分析?，F(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)變量的不同來設(shè)置優(yōu)先級，對重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先傳輸，為現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崟r性提供了有力保證。而對于以太網(wǎng)，雖然沒有優(yōu)先級設(shè)置，但是由于它的帶寬較大，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較小，網(wǎng)絡(luò)沖突率不高，仍然可以有效保證傳輸效率。根據(jù)對網(wǎng)絡(luò)傳輸性能相關(guān)調(diào)查研究顯示，在按照通信規(guī)定合理使用時，以太網(wǎng)完全可以滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸實時性的需求。事實上，目前以太網(wǎng)已經(jīng)被國外很多公司廣泛用于電力自動化通信。

三、WIMAX和 WMN 網(wǎng)絡(luò)在電力自動化中的應(yīng)用

WIMAX具體是指全球互通技術(shù)，該技術(shù)的加入使得網(wǎng)絡(luò)中樞的容量增加至 75Mbps。同時WIMAX還為單點對多點無線網(wǎng)絡(luò)提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議， 即 IEEE802.16 標(biāo)準(zhǔn)，從而使不同廠商之間的產(chǎn)品互通成為可能，而這一點正是我們最為關(guān)注的。除此之外，WIMAX 技術(shù)還支持非視距通信，這對于受環(huán)境阻礙的電力系統(tǒng)而言，可從中獲益良多，WIMAX 的應(yīng)用能夠使電力通信系統(tǒng)的性能獲得顯著改善。

（一）WIMAX與WMN混網(wǎng)的優(yōu)勢

1、有助于提高通信的可靠性

在無線網(wǎng)狀的區(qū)域當(dāng)中，發(fā)送者與接受者之間的冗余路徑是由無線中樞負(fù)責(zé)提供的，這樣便消除了單點故障以及瓶頸鏈接問題，從而顯著提高了通信的可靠性。因為有多重路由可供選擇，所以確保了網(wǎng)絡(luò)抗?jié)撛趩栴}的健壯性。為此，采用WMN（無線多跳網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)后，即便在網(wǎng)絡(luò)元件出現(xiàn)故障或是網(wǎng)絡(luò)擁塞時，我們的通信網(wǎng)絡(luò)仍然能夠安全、穩(wěn)定、可靠運行。

2、建設(shè)成本低

因為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)僅僅需要線路上的幾個點與有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接即可，這樣一來能夠大幅度節(jié)約前期建設(shè)成本，而且還能以最合理的費用對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造升級。

3、覆蓋范圍大

現(xiàn)階段，WLAN 的數(shù)據(jù)傳輸速率較之以往有了明顯增加，雖然如此，但 WLAN 的整體覆蓋范圍和連通性卻有所下降。而WIMAX 技術(shù)能夠確保局域控制中心與 遠(yuǎn)程控制中心之間的遠(yuǎn)距離通信性能，也就是說混網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)電力自動化要求的高速率、遠(yuǎn)距離通信。

4、自動網(wǎng)絡(luò)連通

在混網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，WMN 區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)的自我組織和配置，即網(wǎng)路當(dāng)中的節(jié)點可以自動建立并保持網(wǎng)絡(luò)連通，從而給我們提供了無縫多跳式的互聯(lián)服務(wù)。

（二）混網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題

1、監(jiān)視環(huán)境

對于變電站而言，由于電力線路和RF的干擾，使得環(huán)境非常嘈雜，為了進(jìn)一步擴大網(wǎng)絡(luò)容量，并限制無線電干擾，在開發(fā)通信協(xié)議時，應(yīng)當(dāng)積極采用先進(jìn)的無線電技術(shù)，如MIMO 技術(shù)、智能天線等等。

2、WIMAX塔臺的最佳安裝位置

在該混網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，設(shè)計一種既有效且成本又低的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施尤為重要。鑒于此，配有RF硬件的WIMAX 塔臺必須設(shè)置在網(wǎng)狀區(qū)域的最佳位置上，這樣不僅能夠降低基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本，而且還能滿足電力自動化的服務(wù)質(zhì)量要求。

3、靈活性

在混網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，靈活性是必須考慮的問題之一，可以采用低反映時間切換管理算法來支持移動設(shè)備控制器的通信服務(wù)，當(dāng)出現(xiàn)報警時，移動設(shè)備管理器可由本地監(jiān)視系統(tǒng)代替。

4、擴展性

在當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展下，社會對電力需求不斷增加，我們的電網(wǎng)不可避免地會配置新的變電站，以此來滿足社會用電量日益增長的需求。所以在混網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須考慮到網(wǎng)絡(luò)的擴展性，這樣才能適應(yīng)不斷增長的新通信需求。

5、安全性

無論任何通信網(wǎng)絡(luò)，安全性都是最為重要的環(huán)節(jié)之一，也是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時必須重點考慮的問題。網(wǎng)絡(luò)中的阻斷服務(wù)攻擊有可能對混網(wǎng)的運行構(gòu)成一定威脅，所以應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的措施確保網(wǎng)絡(luò)安全。如加密技術(shù)、密碼系統(tǒng)等等，均可以有效解決混網(wǎng)的安全性問題。

四、結(jié)語

綜上，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及信息化的不斷使用，對電力自動化也提出了更高要求，電力系統(tǒng)變電站也越來越向智能化發(fā)展，電力自動化的優(yōu)劣取決于通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，因此通信網(wǎng)絡(luò)是所有問題的關(guān)鍵。所以我們在進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)的方案設(shè)計時，應(yīng)該滿足電力自動化對通信網(wǎng)絡(luò)的更高要求，選擇可靠性較高，可操作性高，穩(wěn)定性較高的通信網(wǎng)絡(luò)。

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