電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)決策系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)通信

金修江+汪熙

【摘 要】現(xiàn)代電力系統(tǒng)日益復(fù)雜、運(yùn)行方式復(fù)雜多變，電力系統(tǒng)通信的實(shí)時(shí)性越來越重要。本文分析了電力系統(tǒng)通信的實(shí)時(shí)性要求，探討了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于系統(tǒng)通信的可行性，詳細(xì)分析了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電力系統(tǒng)通信時(shí)實(shí)時(shí)性的解決方法。

【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)；通信實(shí)時(shí)性

前言

變電站二次系統(tǒng)對(duì)于保障一次系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前變電站二次系統(tǒng)中的設(shè)備，但大多數(shù)都是功能單一的獨(dú)立設(shè)備，各個(gè)設(shè)備缺乏整體協(xié)調(diào)和功能的優(yōu)化功能，而且功能交叉嚴(yán)重。其次，為了保障電力信息的安全和可靠性能，一般采用專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)成各自獨(dú)立的子系統(tǒng)，如切負(fù)荷控制子系統(tǒng)、變電站監(jiān)控子系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、故障處理子系統(tǒng)等，由于受當(dāng)時(shí)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等具體條件的限制，過程層和間隔層之間的通信大多采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的并行電纜通信，二次接線相當(dāng)復(fù)雜。

現(xiàn)代電力系統(tǒng)日益復(fù)雜、運(yùn)行方式復(fù)雜多變，使變電站自動(dòng)化系統(tǒng)面臨的任務(wù)更加繁重，需要解決的問題變得更多更為復(fù)雜；其次，電力市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，要求變電站自動(dòng)化的各系統(tǒng)逐步走向集成化，使資源共享和系統(tǒng)性價(jià)比提高。由于網(wǎng)絡(luò)具有標(biāo)準(zhǔn)化、靈活性、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應(yīng)用廣泛以及支持技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)為代表的通信技術(shù)正成為變電站網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)發(fā)展中的新亮點(diǎn)。

1.變電站自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性要求

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)要能及時(shí)地傳輸現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息和操作控制信息，在電力工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送都有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性指標(biāo)，因此網(wǎng)絡(luò)必須很好地保證數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性。要求變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信息時(shí)間：設(shè)備層和間隔層之間、間隔內(nèi)各個(gè)設(shè)備之間、間隔層各間隔單元之間為1～100ms；間隔層和變電站層之間為10～1000ms；變電站層各個(gè)設(shè)備之間、變電站和控制中心之間>1000ms。各層之間的數(shù)據(jù)流峰值為：設(shè)備層和間隔層之間數(shù)據(jù)流大概250KBit/s，取決模擬量的采樣速度；間隔層各單元之間數(shù)據(jù)流大概60KBit/s或130KBit/s，取決是否采用分布母線保護(hù)；間隔層和變電站層之間及其它鏈路之間數(shù)據(jù)流大概在1OOKBit/s及以下。

2.網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)能力分析

對(duì)比研究了普通網(wǎng)絡(luò)和令牌總線網(wǎng)的性能，并得出結(jié)論：在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷小于25%情況下，網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間要比令牌總線網(wǎng)絡(luò)快得多。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的CSMA/CD方法也優(yōu)越于令牌傳遞的傳輸管理方法，使用這種方法隨時(shí)可以發(fā)送某個(gè)節(jié)點(diǎn)想發(fā)送的數(shù)據(jù)，而不必獲得令牌控制權(quán)。因此，在故障情況下只要突發(fā)性數(shù)據(jù)使網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷量小于25%，使用網(wǎng)絡(luò)便可得到最好的系統(tǒng)響應(yīng)。

對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)而言，通過LAN執(zhí)行控制功能的“實(shí)時(shí)”性要求通常定義為4ms。為了定性地衡量網(wǎng)絡(luò)是否能滿足電力系統(tǒng)中“實(shí)時(shí)性”要求。研究表明，無(wú)論是通過共享HUB（Sharing HUB）連接的100Mb/s網(wǎng)絡(luò)還是通過交換式HUB（Switch HUB）連接的10Mb/s網(wǎng)絡(luò)，都能滿足4ms這一網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)間要求。

3.解決網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的方法

3.1采用全雙工交換式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)在端口之間數(shù)據(jù)幀的輸入和輸出不受CSMA/CD機(jī)制的約束，避免了沖突；而全雙工通信又使得端口間兩對(duì)雙絞線（或兩根光纖）上可以同時(shí)接收和發(fā)送報(bào)文幀，也不再受到CSMA/CD的約束，任一節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文幀時(shí)不會(huì)再發(fā)生碰撞，沖突域己經(jīng)不復(fù)存在。因此，網(wǎng)絡(luò)的通信實(shí)時(shí)性有了重要保障。此外，使用交換式集線器還可以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)帶寬。對(duì)于普通共享式網(wǎng)絡(luò)。

3.2降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載

實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于共享式網(wǎng)絡(luò)來說，當(dāng)通信負(fù)荷在25%以下的，可保證通信暢通，當(dāng)通信負(fù)荷在5%左右，網(wǎng)絡(luò)上碰撞的概率幾乎為零。由于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與商業(yè)網(wǎng)不同，每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量很少，可以通過限制每個(gè)網(wǎng)段站點(diǎn)的數(shù)目，降低網(wǎng)絡(luò)流量。

3.3提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率

傳輸速率較高時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸所需時(shí)間將會(huì)很大程度的減小，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷會(huì)大大降低，其通信響應(yīng)的實(shí)時(shí)性得到了很大程度的提高。

3.4應(yīng)用報(bào)文優(yōu)先級(jí)技術(shù)

根據(jù)IEEE802.3p&q，在智能式交換機(jī)或集線器中，設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)處理功能。通過這個(gè)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的緊急事務(wù)的信息能夠及時(shí)成功地傳送到中央控制系統(tǒng)去，以便得到及時(shí)匯總和處理。

3.5采用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)

虛擬局域網(wǎng)的問世打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的很多固有觀念，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加靈活、方便。事實(shí)上，VLAN是一個(gè)廣播域，不受地理位置限制，可以根據(jù)部門職能、對(duì)象組和應(yīng)用等將不同地理位置的網(wǎng)絡(luò)用戶劃分為一個(gè)邏輯網(wǎng)段。這樣可以將一臺(tái)控制層計(jì)算機(jī)配置成多個(gè)部門并可同時(shí)訪問、也可以同時(shí)訪問多個(gè)虛擬網(wǎng)的資源。

3.6網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件

基于監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要分為以下3個(gè)部分：其一，現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)部分。位于這部分中的硬件具體負(fù)責(zé)將各類協(xié)議連接起來，然后通過TCP/IP對(duì)所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳送；其二，信息匯集、處理。這部分硬件主要負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)部分中的數(shù)據(jù)信息，然后存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，并對(duì)其進(jìn)行處理；其三，管理部分。這部分硬件是ERP的一個(gè)分支子系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)信息網(wǎng)絡(luò)的管理。在進(jìn)行以上三部分硬件設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)充分地考慮了每一部分中網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)流以及冗余控制等關(guān)鍵性問題，并且子網(wǎng)之間也都采用了相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行連接，如交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)以及路由器等等。在現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)部分中，各類數(shù)據(jù)信息不但可以通過自身的總線方式及相關(guān)結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而且位于上層的GW和AW也可利用內(nèi)部局域網(wǎng)或TCP/IP獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的快速傳輸，有效地確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。同時(shí)文件格式及實(shí)時(shí)響應(yīng)兩者的有機(jī)統(tǒng)一，也在一定程度上保障了整個(gè)系統(tǒng)的安全性。一旦有非法用戶對(duì)其進(jìn)行訪問或是相對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制時(shí)，必須經(jīng)過服務(wù)器及交換機(jī)，還需通過用戶名及、密碼及CP端驗(yàn)證，進(jìn)而形成了一個(gè)三級(jí)安全保護(hù)網(wǎng)。此外，在安全性方面除了硬件上的一些安全設(shè)備之外，還對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的安全設(shè)計(jì)。通過路由器能夠使數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器與管理部分進(jìn)行有效連接，從而可以使各類相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳輸至MIS系統(tǒng)當(dāng)中，以此來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的整體性。通過上訴三個(gè)硬件部分的設(shè)計(jì)，并配以各種安全保護(hù)，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可在負(fù)載正常的條件下安全可靠運(yùn)行。

4.結(jié)束語(yǔ)

近年來，電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的應(yīng)用程序發(fā)展較快，大致可分為兩大類：面向安全的應(yīng)用程序和面向經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用程序。前者主要有安全監(jiān)視、安全分析和安全對(duì)策；后者主要有自動(dòng)調(diào)頻和經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

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