智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)測(cè)技術(shù)

王海勇

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

智能變電站可以為當(dāng)?shù)鼐用裉峁└哔|(zhì)量的供電，為各行業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展提供切實(shí)保障。高效率、低延時(shí)的通信網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)智能變電站的基礎(chǔ)。因此，為確保智能變電站的運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性，文章分析與研究了智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)測(cè)技術(shù)。

1 智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

采用三層兩網(wǎng)架構(gòu)所建立的智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，三層結(jié)構(gòu)分別表示站控層、間隔層以及過(guò)程層，而兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)則表示站控網(wǎng)絡(luò)層與過(guò)程網(wǎng)絡(luò)層。三層兩網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。與以往的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)相比，智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有以下幾方面特點(diǎn)。

圖1 三層兩網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)于傳統(tǒng)的變電站通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而言，其使用單星型結(jié)構(gòu)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，該通信網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型在實(shí)際架構(gòu)與安裝期間存在一定的不便性，同時(shí)基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的單一化特點(diǎn)，導(dǎo)致其后期的可擴(kuò)展性弱、實(shí)際應(yīng)用靈活性差，無(wú)法切實(shí)有效根據(jù)各類(lèi)智能終端特點(diǎn)為其開(kāi)放相應(yīng)的數(shù)據(jù)通道、數(shù)據(jù)格式，弱化了變電站的智能效果。為增強(qiáng)變電站的智能化特點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際情況盡可能提升通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性、靈活性、兼容性。例如，使用雙星型組網(wǎng)方式或環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)方式構(gòu)建智能變電站的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[1]。

部分變電站中通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)存在過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)與站控層網(wǎng)絡(luò)不統(tǒng)一、不兼容情況，無(wú)法切實(shí)發(fā)揮智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的整體性、宏觀調(diào)控性特點(diǎn)。為有效解決以上問(wèn)題，可以采用人工蛛網(wǎng)拓?fù)涞耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基于內(nèi)、外兩層的蛛網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中的“兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)。即站控層網(wǎng)絡(luò)為“兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)中的外層網(wǎng)絡(luò)。其中，以m表示交換機(jī)實(shí)際使用數(shù)量；過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)為“兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)中的內(nèi)層網(wǎng)絡(luò)，以n表示交換機(jī)實(shí)際應(yīng)用數(shù)量。人工蛛網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。

圖2 人工蛛網(wǎng)拓的撲結(jié)構(gòu)示意

1.2 通信方式特點(diǎn)

在人工蛛網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)背景下，存在添加新鏈路或鏈路拓展需求時(shí)，智能變電站通過(guò)智能優(yōu)化算法自動(dòng)搜索最佳的鏈路連接方式實(shí)現(xiàn)該需求。同時(shí)，可以結(jié)合實(shí)際情況在合理范圍內(nèi)使用雙機(jī)熱備方式、多協(xié)議標(biāo)簽交換（Multi Protocol Label Switching，MPLS）技術(shù)實(shí)現(xiàn)添加和拓展鏈路的需求，確保數(shù)據(jù)流在傳輸期間能夠通過(guò)2 條數(shù)據(jù)鏈路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。另外，雙機(jī)熱備能夠保證當(dāng)某交換機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)切換數(shù)據(jù)傳輸路徑，以此為通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行穩(wěn)定性提供切實(shí)保障，為技術(shù)人員、維修人員提供足量的維修處理時(shí)間[2]。

2 智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析

2.1 中低壓接入網(wǎng)

對(duì)于中低壓接入網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，要結(jié)合實(shí)際情況分別從技術(shù)、組網(wǎng)方案2 種角度分析中低壓接入通信網(wǎng)絡(luò)。

一方面，接入網(wǎng)通信技術(shù)。目前的通信技術(shù)主要包括無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)（Passive Optical Network，PON）、電力載波通信（Power Line Communication，PLC）以及移動(dòng)通信等相關(guān)通信技術(shù)。其中，PON 技術(shù)是當(dāng)前各大電信公網(wǎng)架構(gòu)中的主要組網(wǎng)技術(shù)。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代背景下，各類(lèi)先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)不斷成熟和完善，無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也更加寬泛且逐漸民用化，該項(xiàng)技術(shù)在電網(wǎng)配電自動(dòng)化、電力光纖入戶(hù)等相關(guān)項(xiàng)目中被廣泛應(yīng)用。根據(jù)市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)與受眾需求，現(xiàn)階段的無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品主要分為2 種，分別是千兆比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)（Gigabit Capable Passive Optical Network，GPON）、以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（Ethernet Passive Optical Network，EPON）[3]。此外，在基于5G 技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)的時(shí)代背景下，PLC 技術(shù)屬于電力系統(tǒng)特有的通信方式，即以電力線纜為媒介實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流傳輸，在電力系統(tǒng)建設(shè)中逐漸被淘汰，當(dāng)前主要用于配電網(wǎng)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程集中抄表等相關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)架構(gòu)，以此在滿(mǎn)足此類(lèi)系統(tǒng)正常用電需求的前提下實(shí)現(xiàn)小型數(shù)據(jù)交互。

另一方面，接入網(wǎng)的組網(wǎng)方案。在智能變電站建設(shè)方面，自動(dòng)化技術(shù)主要體現(xiàn)在配電網(wǎng)通信方面，包括柱上開(kāi)關(guān)、開(kāi)閉所、智能配電室以及環(huán)網(wǎng)柜等相關(guān)自動(dòng)化設(shè)備。此類(lèi)設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用期間能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站電力數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程遙控、遙測(cè)、遙信等相關(guān)功能。以高寬帶速度和質(zhì)量為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)低延時(shí)的自動(dòng)化控制效果，這對(duì)智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬提出了更高的要求。因此，在現(xiàn)階段的智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)期間，需要充分結(jié)合實(shí)際情況，以變電站對(duì)數(shù)據(jù)交互效率、傳輸質(zhì)量等要求為導(dǎo)向，以無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心，構(gòu)建相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)，這樣不僅能夠有效幫助智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)提質(zhì)增效，加強(qiáng)數(shù)據(jù)信息傳輸期間的質(zhì)量并減少丟包率，而且可以增強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)行期間的可靠性、穩(wěn)定性、安全性。

2.2 骨干通信網(wǎng)

骨干通信網(wǎng)絡(luò)是保證通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、高效運(yùn)行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，因此在智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與架構(gòu)期間，需要相關(guān)技術(shù)人員、設(shè)計(jì)人員結(jié)合實(shí)際情況選取科學(xué)合理的骨干通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提升骨干通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)效。在分析骨干通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，同樣需要從技術(shù)和組網(wǎng)方案2 個(gè)方面開(kāi)展。

一方面，骨干通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。目前，在架構(gòu)骨干通信網(wǎng)絡(luò)期間較為常用的技術(shù)有分組傳送網(wǎng)技術(shù)（Packet Transport Network，PTN）以及光傳送網(wǎng)技術(shù)（Optical Transport Network，OTN）[4]。PTN 技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用期間可以基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信形式為分組業(yè)務(wù)交換提供通信信道，從而加強(qiáng)智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)在處理大體量數(shù)據(jù)流時(shí)的承載能力與交互能力，為相關(guān)業(yè)務(wù)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、合理化開(kāi)展提供保障。同時(shí)，PNT 技術(shù)具有一定的穩(wěn)定性、擴(kuò)展性、靈活性特點(diǎn)，通過(guò)端到端偽線仿真兼容異步傳輸模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）與時(shí)分復(fù)用技術(shù)（Time-Division Multiplexing，TDM）；對(duì)于OTN 技術(shù)而言，其核心是波分復(fù)用技術(shù)（Wavelength Division Multiplexing，WDM），以O(shè)TN 技術(shù)為基礎(chǔ)的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以分為光層和電層，兩者在實(shí)際應(yīng)用與運(yùn)行期間具有較強(qiáng)的監(jiān)控能力及管理效果，可以有效兼容絕大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。同時(shí)，OTN 技術(shù)有效加強(qiáng)運(yùn)維人員的管理便捷性，通過(guò)自身的管理模塊完善維護(hù)管理功能，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障、運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)故障或數(shù)據(jù)異常時(shí)向運(yùn)維人員發(fā)出提示，從而提高運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的效率。

另一方面，骨干通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方案。相關(guān)設(shè)計(jì)人員與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)人員可以結(jié)合實(shí)際情況，以同步數(shù)字體系光傳輸設(shè)備為骨干通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的基礎(chǔ)，同時(shí)利用PTN 技術(shù)增強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合性、多樣性特點(diǎn)，形成分層聯(lián)合組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以此提升骨干通信網(wǎng)絡(luò)與底層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議的兼容效果，加強(qiáng)底層業(yè)務(wù)的匯聚效率與匯聚質(zhì)量。該方法不僅能夠提升骨干通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)復(fù)雜多變IP 業(yè)務(wù)的承載力與處理靈活度，也可以保持大容量數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢(shì)[5]。

3 智能變電站監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

為進(jìn)一步提高智能變電站監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)代化、數(shù)字化、智能化特點(diǎn)，需要結(jié)合實(shí)際情況深化大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)等相關(guān)先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化建設(shè)，以此有效降低人工處理需求。對(duì)于部分簡(jiǎn)單且重復(fù)性強(qiáng)的監(jiān)測(cè)工作可以移交至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)執(zhí)行，避因人工處理而出現(xiàn)的失誤，進(jìn)一步增強(qiáng)數(shù)據(jù)信息處理效率與精準(zhǔn)性。利用大數(shù)據(jù)采集、分析智能變電站中各類(lèi)終端設(shè)備實(shí)際運(yùn)行期間所產(chǎn)生的各類(lèi)數(shù)據(jù)信息，并利用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)與分類(lèi)此類(lèi)數(shù)據(jù)信息，以此形成針對(duì)當(dāng)前變電站運(yùn)行狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)集，這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有數(shù)據(jù)信息與以往數(shù)據(jù)信息的對(duì)比，判斷當(dāng)前各類(lèi)終端設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及是否存在運(yùn)行異常，而且可以基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)信息預(yù)測(cè)未來(lái)終端設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防、早解決的監(jiān)測(cè)效果，大幅提升智能變電站的監(jiān)測(cè)質(zhì)量與監(jiān)測(cè)可控性。如果存在異常，則可以根據(jù)具體異常類(lèi)型、異常參數(shù)形成故障報(bào)告，為運(yùn)維人員提供精準(zhǔn)、可靠的異常數(shù)據(jù)，以此切實(shí)提升運(yùn)維質(zhì)效。

3.2 精準(zhǔn)控制

在智能變電站中，相關(guān)工作人員可以通過(guò)監(jiān)測(cè)中控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)終端設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控與測(cè)試，不僅能夠有效減少相關(guān)工作人員日常巡檢的頻率與所需消耗的時(shí)間，而且能夠進(jìn)一步加強(qiáng)變電站監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)性與可靠性。當(dāng)智能變電站中某類(lèi)終端設(shè)備出現(xiàn)異?；蚬收蠒r(shí)，設(shè)備中的故障模組便會(huì)根據(jù)設(shè)定的故障報(bào)警程序向監(jiān)測(cè)中控系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，并將其具體故障參數(shù)、故障信息、故障時(shí)間等上傳至指定管理人員的移動(dòng)端。如果故障類(lèi)型處于遠(yuǎn)程處理范圍內(nèi)，則監(jiān)測(cè)管理人員通過(guò)監(jiān)測(cè)中控系統(tǒng)遠(yuǎn)程維修處理故障終端；如果故障類(lèi)型處于遠(yuǎn)程處理范圍外，則可以及時(shí)呼叫相關(guān)技術(shù)人員前往故障現(xiàn)場(chǎng)對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行針對(duì)性、專(zhuān)業(yè)性的維修與檢查。該方法不僅可以有效解決傳統(tǒng)故障應(yīng)對(duì)策略中的不確定性缺陷，而且可以為運(yùn)維人員提供精準(zhǔn)、全面、完整的故障信息，切實(shí)提升故障解決效率。

3.3 圖像監(jiān)控

在智能變電站監(jiān)測(cè)方面，不僅需要對(duì)各類(lèi)終端設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還需要對(duì)終端設(shè)備所處環(huán)境、所在位置等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在此方面，智能變電站監(jiān)測(cè)管理人員可以結(jié)合實(shí)際情況，如各類(lèi)終端設(shè)備的安裝位置、環(huán)境需求、設(shè)備特點(diǎn)以及設(shè)備重要性等因素合理設(shè)計(jì)環(huán)境監(jiān)測(cè)方案。一般情況下，在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的主要監(jiān)測(cè)對(duì)象分別是環(huán)境中的人員狀態(tài)、物體狀態(tài)、設(shè)備本身狀態(tài)、溫度、濕度以及風(fēng)速等?？梢栽诮K端設(shè)備附近安裝監(jiān)控?cái)z像頭、溫濕度檢測(cè)器、風(fēng)速檢測(cè)器以及紅外監(jiān)控終端等設(shè)備，同時(shí)利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、線上平臺(tái)系統(tǒng)等將各類(lèi)監(jiān)測(cè)終端連接，實(shí)時(shí)查看智能變電站內(nèi)的物理環(huán)境情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能變電站內(nèi)部狀態(tài)的動(dòng)態(tài)化、實(shí)時(shí)化、全面化監(jiān)測(cè)。另外，由于視頻、高分辨率圖像、音頻等相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量較大，為保障監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期可用性，可以利用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)所采集的監(jiān)測(cè)資料，當(dāng)后續(xù)工作中存在對(duì)某一時(shí)間點(diǎn)或位置的調(diào)查需求時(shí)，可以及時(shí)查閱不同格式的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[6]。

4 結(jié) 論

為充分保障變電站的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，有必要提高智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的合理性，并科學(xué)利用現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)技術(shù)和監(jiān)測(cè)措施，確保智能變電站的運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性，促進(jìn)電網(wǎng)智能化的發(fā)展與進(jìn)步。