云計算在智能變電站通信網(wǎng)絡中的應用研究

鞏洪峰

（國網(wǎng)山東省電力公司超高壓公司，山東 濟南 250000）

0 引 言

智能變電站中，應用了較多技術，如智能調(diào)度技術、分布式發(fā)電技術等，數(shù)據(jù)信息結構更加復雜、分布更為分散，且數(shù)量更加龐大。云計算技術的出現(xiàn)，為智能變電站發(fā)展提供了更加有利的條件，使智能變電站擁有更高的智能化水平。通信網(wǎng)絡傳輸方面，當前相關技術較為單一，為滿足智能變電站通信網(wǎng)絡要求，可在智能變電站建設中引入云計算技術，整合系統(tǒng)中的儲存資源，形成電網(wǎng)智能云，提升智能變電站通信網(wǎng)絡技術水平。

1 智能變電站與云計算概述

1.1 智能變電站結構

智能變電站結構如圖1所示，為“三層兩網(wǎng)”結構。其中，“三層”主要為站控層、過程層以及間隔層，“兩網(wǎng)”主要為站控層網(wǎng)絡與過程層網(wǎng)絡。

圖1 智能變電站結構

1.1.1 站控層

“云”概念下，智能變電站的站控層主要由4部分構成，分別是虛擬網(wǎng)絡、虛擬服務器、虛擬桌面終端以及虛擬存儲器，該層級不僅為間隔層提供服務，還為上層“云”提供相應服務。

1.1.2 過程層

對于該層級而言，其屬于智能變電站的重要基礎，主要作用是采集變電站各項數(shù)據(jù)，如電流、電壓等電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)以及色譜、壓力、溫度等電網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，為智能電網(wǎng)提供數(shù)據(jù)支持。該層級還具有數(shù)據(jù)執(zhí)行功能，主要是基于采集的數(shù)據(jù)，在間隔層形成相應計算數(shù)據(jù)，如電網(wǎng)故障類型、電網(wǎng)穩(wěn)定計算、電網(wǎng)狀態(tài)等，結合系統(tǒng)實際需要，開展斷路器等操作。技術水平較高的智能變電站，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的全面共享，可充分發(fā)揮出各項數(shù)據(jù)的實際作用與價值，數(shù)據(jù)采集更加高效、快捷。

1.1.3 間隔層

在“云”概念影響下，智能變電站間隔層前安全虛擬化。該層級中存在的智能組件變成軟件功能模塊，部署在虛擬服務器中，不同的虛擬保護服務器存在不同的線路與間隔。在虛擬數(shù)據(jù)庫中，不同功能模塊會結合實際需求，提取并計算數(shù)據(jù)，發(fā)揮自身實際功能作用。并且，各功能模塊能夠從上級“云”數(shù)據(jù)中心，調(diào)取相關數(shù)據(jù)，實現(xiàn)相關信息的計算。對于虛擬間隔層而言，其具備較多優(yōu)點。一是變電站進行間隔或線路擴充時，從“云”中直接劃出一塊即可，無須增加二次設備；二是不用改二次設備，主要是變電站中傳統(tǒng)的二次設備已經(jīng)不存在，直接調(diào)整虛擬服務器即可；三是有效簡化變電站調(diào)試與檢修工作，由于二次設備的消失，與其有關的工作也不復存在，智能變電站二次調(diào)試與檢修是提升數(shù)據(jù)采集精度，大幅降低檢修人員工作量；變電站占地面積大幅減少，由于間隔層被虛擬化，使得變電站小室也被虛擬化，進而會縮小變電站占地面積。

“云”概念下，智能變電站擁有了全新的結構，成為了一個數(shù)據(jù)源，在變電站功能保持下，向相鄰“云”提供相應數(shù)據(jù)信息，同時能夠滿足通信平臺網(wǎng)絡化、全站信息數(shù)字化等要求，使智能變電站逐漸向自動化、信息化以及互動化方向轉(zhuǎn)變。

1.2 智能變電站的優(yōu)勢

相比于傳統(tǒng)變電站，智能變電站具有以下優(yōu)勢。一是一次設備智能化，智能變電站中的互感器、斷路器等均能實現(xiàn)設備智能化，為智能變電站發(fā)展奠定了良好基礎；二是二次設備網(wǎng)絡化，微處理機能夠?qū)崿F(xiàn)二次設備網(wǎng)絡共享，從而有效共享數(shù)據(jù)資源；三是信息交互標準化，智能變電站內(nèi)外部信息能夠交互、共享，對于不同的系統(tǒng)，能夠無縫交換數(shù)據(jù)信息等；四是設備檢修常態(tài)化，將在線監(jiān)測裝置安裝至一次設備，實時掌握一次設備運行狀況，從而實現(xiàn)穩(wěn)定作業(yè)；五是運維管理自動化，智能變電站中的設備能夠?qū)崿F(xiàn)程序性操作，能夠根據(jù)指令執(zhí)行，自動化程度較高[1]。

1.3 云計算

云計算屬于一種新型網(wǎng)絡技術，能夠?qū)崿F(xiàn)分布式處理、并行處理以及網(wǎng)格計算，可將其視為一種基于計算機科學改變形成和發(fā)展的超級計算模式，廣泛應用于各個領域[2]。通過網(wǎng)格計算的方式，結合大量數(shù)據(jù)及處理器中的資源，實現(xiàn)系統(tǒng)工作。云計算技術是一種新的共享方式，可連接網(wǎng)絡系統(tǒng)，進而形成統(tǒng)一的整體，為相關工作提供資源與服務。云計算涵蓋較多關鍵技術，包括虛擬化技術、編程模型、海量數(shù)據(jù)管理、分布式存儲、云平臺管理以及資源調(diào)度等，具體如圖2所示。

圖2 云計算關鍵技術

2 智能變電站數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡性能要求

智能變電站自動化系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的溝通交流，需要有通信網(wǎng)絡給予支持，數(shù)據(jù)通信的實時、高效、穩(wěn)定情況，屬于判斷系統(tǒng)自動化程度的重要標準。變電站自動化技術水平持續(xù)提升，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)逐漸增多，因此對數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡提出了更高要求。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡需要應對現(xiàn)階段大量的操作數(shù)據(jù)、電量數(shù)據(jù)等，還要具有較高的穩(wěn)定性與實時性，設計通信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡時，不僅要注重網(wǎng)絡的冗余性，還能考慮其無擾恢復能力。對智能變電站通信要求的性能要求主要包括以下幾點。

（1）分層結構。為實現(xiàn)智能變電站分層架構，需要將數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡分層作為前提，結合智能變電站實際需求，合理選擇網(wǎng)絡通信結構與技術。

（2）實時性。智能變電站運行中，一般需要處理較多操作控制信息與實時運行信息，這些信息具有實時性特征，因此應通過數(shù)據(jù)平臺的構建，滿足數(shù)據(jù)傳輸實時性需求。

（3）可靠性。智能變電站數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)應一直處于運行狀態(tài)，當數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)發(fā)生故障，則會影響到智能變電站的正常運行，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟損失，所以應重點考慮數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的可靠性[3]。

（4）電磁兼容性。日常運行環(huán)節(jié)，智能變電站會受到多種因素影響，如跳閘、雷擊等，通信系統(tǒng)會受到強磁干擾。因此，要求具有較高的網(wǎng)絡電磁兼容性，防止出現(xiàn)通信障礙等不良情況。

3 智能變電站通信網(wǎng)絡中云計算的應用

智能變電站運行中，對數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡具有較高的要求，需要積極引入云計算技術，保證智能變電站通信網(wǎng)絡具有較高的技術水平。

3.1 根據(jù)IEC61850標準進行網(wǎng)絡結構分層

IEC61850標準下，智能變電站主要是借助變電站層網(wǎng)絡、過程層網(wǎng)絡連接變電站層網(wǎng)絡、間隔層以及過程層等設備實現(xiàn)[4]。在過程層網(wǎng)絡上，主要包含2種網(wǎng)絡，一是面向通用對象的變電站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）網(wǎng)絡；二是采樣測量值（Sampled Measured Value，SMV）網(wǎng)絡。GOOSE網(wǎng)絡主要的作用是上傳開關量、下行分合閘控制量；SMV網(wǎng)絡主要的作用是進行電流、電壓流量上傳在變電站層網(wǎng)絡，與傳統(tǒng)變電站監(jiān)控網(wǎng)絡相比，在結構及功能上不存在較大差距，主要是通過多媒體信息服務/面向通用對象的變電站事件（Multimedia Message Service/Generic Object Oriented Substation Event，MMS／GOOSE）實現(xiàn)通信，匯總全站信息，還具有防誤閉鎖等功能。在過程總線技術上，過程層網(wǎng)絡在事故中不會發(fā)生明顯變化，流量穩(wěn)定連續(xù)，但數(shù)據(jù)實時性要求較高，需要重點分析過程總線的實時性，預測網(wǎng)絡是否滿足過程層在數(shù)據(jù)傳輸時間及流量上需求。為提升全站統(tǒng)一式網(wǎng)絡的實時性能并降低網(wǎng)絡時延，通常選擇優(yōu)化組網(wǎng)方式，應盡量將同一間隔內(nèi)的設備分配至同一臺交換機，避免出現(xiàn)大量的報文跨交換機傳輸情況。選擇虛擬局域網(wǎng)進行配置，通過虛擬局域網(wǎng)標簽多播模式，實現(xiàn)順序訪問向量（Sequential Access Vector，SAV）和GOOSE報文通信，達到一發(fā)多收的效果。為降低網(wǎng)絡流量及接收設備的處理負擔，選擇基于IEEE802.1Q的優(yōu)先級標簽，處理優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)較大的延時不確定性。

3.2 立足云計算構建Cloudsis平臺

對于云計算系統(tǒng)而言，屬于一個龐大的系統(tǒng)，因此文章提出的云計算系統(tǒng)Cloudsis平臺，僅具備計算的部分特點，如整合計算與存儲，實現(xiàn)計算向存儲遷移，分布式存儲文件等[5]。在系統(tǒng)構架方面，云計算系統(tǒng)Cloudsis平臺主要包含4部分，分別是主服務器、服務器集群、應用服務器以及用戶節(jié)點。在系統(tǒng)功能方面，云計算系統(tǒng)Cloudsis平臺具備分布式存儲、并行計算、計算向存儲遷移功能。通過各種終端，在局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)支持下，調(diào)度中心可以訪問云計算系統(tǒng)Cloudsis平臺各種應用服務。對于MainServer，不與間隔層信息直接交互，也不進行數(shù)據(jù)的直接儲存，主要負責管理節(jié)點與支路數(shù)據(jù)。調(diào)度中心傳送控制命令向主服務器發(fā)出請求，同時從主服務器掌握各支路文件信息的存儲位置，借助返回的節(jié)點信息，進行塊服務器集群連接，向其發(fā)出存儲命令，最終達到信息分布式存儲的目的。

4 結 論

電力行業(yè)發(fā)展中，云計算技術得到廣泛的應用。在云計算技術的支持下，可為變電站提供集中統(tǒng)一、安全可靠、按需服務的云計算服務模式，保證通信數(shù)據(jù)的高效利用，能夠提高通信網(wǎng)絡的信息處理能力，提升智能變電站運行水平的同時降低系統(tǒng)建設成本，促進智能變電站現(xiàn)代化發(fā)展。