變電站現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與技術(shù)分析

張潤(rùn)潤(rùn)，薛令前

（國(guó)網(wǎng)西藏電力有限公司超高壓分公司，西藏 拉薩 850000）

0 引 言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，智能電網(wǎng)對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)的要求不斷提升，加強(qiáng)對(duì)變電站現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究和分析，有助于提升電力流、業(yè)務(wù)流以及信息流的傳遞效率和整合處理水平，對(duì)于推動(dòng)變電站的智能化發(fā)展、提高業(yè)務(wù)水平和通信能力有著積極意義。

1 變電站現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

變電站的現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)主要為三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)。三層包括站控層、間隔層以及過(guò)程層，其中站控層由主機(jī)服務(wù)器、控制中心、遠(yuǎn)動(dòng)單元等組成，主要功能是提供操作界面，并實(shí)現(xiàn)對(duì)其他層設(shè)備的有效管理和控制，屬于變電站的監(jiān)管中心，還需要與監(jiān)控、調(diào)度中心相連；間隔層包括進(jìn)線保護(hù)及其測(cè)控裝置、饋線保護(hù)及其測(cè)控裝置、主變保護(hù)及其測(cè)控裝置、母聯(lián)保護(hù)及其測(cè)控裝置以及交換機(jī)，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)測(cè)控、保護(hù)、計(jì)量等，可以控制過(guò)程層，并受到站控層控制；過(guò)程層包括互感器、合并單元等，與一次設(shè)備相連，負(fù)責(zé)一次設(shè)備的控制與狀態(tài)監(jiān)測(cè)[1]。兩網(wǎng)指獨(dú)立的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)和站控層網(wǎng)絡(luò)。這種通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)在于過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)與站控層網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立，每個(gè)層次的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相對(duì)較少，實(shí)際管理便利，通信效率較高。由于間隔層有著承上啟下的作用，網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)相對(duì)較重，投資成本高。此外，該結(jié)構(gòu)無(wú)法支持管理類系統(tǒng)，不同系統(tǒng)之間嚴(yán)格分離，難以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化管理。

2 變電站現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

二級(jí)現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)在原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上合并了過(guò)程層總線和站控層總線，有效提高了變電站的監(jiān)測(cè)與控制效率，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，并且能夠承載其他管理類子系統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)了通信網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)化、一體化，提高了總線利用率和系統(tǒng)自動(dòng)化水平。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的二級(jí)現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)性能分析

二級(jí)現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效實(shí)現(xiàn)了信息共享，能夠更好地兼容不同子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)，促使智能變電站的優(yōu)勢(shì)作用得到更好的發(fā)揮，其主要網(wǎng)絡(luò)性能如下。

（1）業(yè)務(wù)隔離性能方面。變電站實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中涉及的子系統(tǒng)和業(yè)務(wù)類型相對(duì)較多，如資產(chǎn)管理、內(nèi)部視頻監(jiān)控等多個(gè)方面，為提升資源利用率，保障系統(tǒng)運(yùn)行的高效性，需要結(jié)合實(shí)際情況合理規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)資源。此外，各系統(tǒng)之間還應(yīng)實(shí)現(xiàn)安全隔離，合理規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)隔離機(jī)制，同時(shí)提高日常維護(hù)管理的便利性。對(duì)此，可采取虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network，VLAN）技術(shù)，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)隔離效果[2]。

（2）網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)化演進(jìn)方面。優(yōu)化后的二級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)接入了變電站現(xiàn)場(chǎng)的大部分生產(chǎn)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)化管理。但在實(shí)際利用交換機(jī)接入多個(gè)子系統(tǒng)的過(guò)程中存在一定風(fēng)險(xiǎn)，因此實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中應(yīng)著重加強(qiáng)對(duì)于以下風(fēng)險(xiǎn)因素的控制。第一，交換機(jī)承擔(dān)更多責(zé)任，一旦出現(xiàn)故障問(wèn)題，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，對(duì)此可采用冗余機(jī)制，雖然提高了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，但是能夠有效避免網(wǎng)絡(luò)環(huán)路；第二，匯聚交換機(jī)的流控機(jī)制僅限于網(wǎng)絡(luò)二、三層業(yè)務(wù)粗識(shí)別，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)于業(yè)務(wù)的精準(zhǔn)識(shí)別和區(qū)分；第三，二級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)較為煩瑣，靈活性相對(duì)較差。

（3）通信網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性方面。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)電子設(shè)備之間信息的透明傳輸，與信息網(wǎng)絡(luò)之間相互分離，整體統(tǒng)一性不足，可能會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。

2.2 SDN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)平臺(tái)

SDN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有集中控制、開(kāi)放接口以及網(wǎng)絡(luò)虛擬化的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的有效融合，對(duì)于智能變電站的平臺(tái)化管理有著積極作用?；赟DN的變電站現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 基于SDN 的變電站現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠承載變電站生產(chǎn)和管理類業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)了變電站的集成控制。同時(shí)，基于SDN 結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)虛擬化功能，還能實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)平面之間的有效隔離，包括計(jì)量網(wǎng)絡(luò)平面、視頻網(wǎng)絡(luò)平面、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）網(wǎng)絡(luò)平面以及SDN 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平面，可實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)供給，充分滿足不同功能的實(shí)際通信需求，同時(shí)節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源。此外，SDN 網(wǎng)絡(luò)還具有較強(qiáng)的業(yè)務(wù)感知能力、編程能力以及網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化能力，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)，具有較強(qiáng)的靈活性，可為上層業(yè)務(wù)運(yùn)行提供良好支持，保障通信的實(shí)時(shí)性和可靠性。通過(guò)感知服務(wù)器的使用情況，能夠自主選擇合適的服務(wù)器，保障網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效果，避免結(jié)構(gòu)過(guò)于煩瑣。最后，SDN 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還具備業(yè)務(wù)預(yù)處理功能，有助于降低電子設(shè)備的通信壓力[3]。

3 變電站現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及平臺(tái)搭建所需的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 時(shí)延測(cè)量技術(shù)

變電站實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的效率和水平需要通過(guò)時(shí)延測(cè)量確定，因此時(shí)延測(cè)量是評(píng)價(jià)變電站通信網(wǎng)絡(luò)的主要指標(biāo)之一，通常指?jìng)鬟f一條報(bào)文信息需要的時(shí)間。為保障變電站運(yùn)行的可靠性和控制的有效性，需要盡可能縮短時(shí)延影響，實(shí)現(xiàn)信息的高效傳遞和有效同步，同時(shí)還應(yīng)降低外界干擾影響。在實(shí)際利用時(shí)延測(cè)量技術(shù)的過(guò)程中，可通過(guò)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（Passive Optical Network，PON）同步功能展開(kāi)時(shí)延測(cè)量，需要著重把控的指標(biāo)參數(shù)包括駐留時(shí)間、路徑時(shí)延以及總時(shí)延。為確保系統(tǒng)能夠在最短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)報(bào)文傳輸，需要結(jié)合測(cè)量結(jié)果合理調(diào)整檢修數(shù)據(jù)，有效解決故障問(wèn)題，確保定位準(zhǔn)確，盡可能提高故障排查和維修的效率。為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用，保障信息傳輸?shù)陌踩?，還應(yīng)對(duì)報(bào)文傳輸業(yè)務(wù)進(jìn)行隔離處理，保障時(shí)延的獨(dú)立性，盡可能消除業(yè)務(wù)之間的影響，確保傳輸過(guò)程穩(wěn)定可靠，具備較高的傳輸效率。

3.2 無(wú)源光纖技術(shù)

在實(shí)際構(gòu)建變電站現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)時(shí)，需要將核心交換機(jī)與相關(guān)設(shè)備連接在一起，此時(shí)需要使用PON 技術(shù)接入設(shè)備，并通過(guò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)信息交換。PON 主要由交換機(jī)、光纜網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)設(shè)備和結(jié)構(gòu)共同組成，實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中需要將多個(gè)終端設(shè)備接口集合成為PON 接口，然后通過(guò)同一個(gè)光纜網(wǎng)絡(luò)與交換機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)信息交換和聯(lián)通共享。借助PON 能夠有效提升交換機(jī)的接入能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集，同時(shí)該技術(shù)的運(yùn)用還有助于縮短數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)，具備靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可在變電站中任何位置接入，有效提高了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的運(yùn)行水平[4]。

3.3 業(yè)務(wù)流整合分析

通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的構(gòu)建過(guò)程中，為降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，保障信息傳輸?shù)目煽啃院陀行?，需要具備良好的業(yè)務(wù)流整合能力。對(duì)此，在實(shí)際構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于業(yè)務(wù)流整合算法的研究，確保業(yè)務(wù)流節(jié)點(diǎn)處理和調(diào)度的科學(xué)性、合理性，實(shí)現(xiàn)通信流量的有效控制和識(shí)別，保障通信質(zhì)量效果。首先，需要展開(kāi)流量預(yù)處理。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行流提取，然后根據(jù)流的方向展開(kāi)數(shù)據(jù)包評(píng)估。其次，特征提取。借助分析框架，提取并處理流量的屬性特征，主要包括時(shí)間、包長(zhǎng)、寬帶、虛擬網(wǎng)、優(yōu)先級(jí)以及流向，并展開(kāi)歸一化處理，再借助離差標(biāo)準(zhǔn)化算法明確屬性值完成計(jì)算分析。最后，特征值選擇。分析數(shù)據(jù)屬性，確定最小數(shù)據(jù)屬性集合，促使數(shù)據(jù)特征結(jié)構(gòu)盡可能與原始數(shù)據(jù)相似，以此提升聚類的有效性，同時(shí)達(dá)到節(jié)約時(shí)間和空間的效果，并根據(jù)變電站的實(shí)際業(yè)務(wù)情況和特點(diǎn)選擇最佳特征子集。此外，明確簇映射規(guī)則，進(jìn)行聚類算法的建模?；诰垲惸Ｐ驼归_(kāi)仿真分析，對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)展開(kāi)測(cè)試分析。

3.4 網(wǎng)關(guān)路由器實(shí)現(xiàn)

實(shí)際展開(kāi)變電站現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，由于信息與通信網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)聯(lián)程度有限，使得數(shù)據(jù)處理時(shí)效難以得到有效提高，而虛擬網(wǎng)絡(luò)機(jī)制可能會(huì)影響不同系統(tǒng)之間信息的交互數(shù)量，導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)荷過(guò)大。對(duì)此，應(yīng)合理展開(kāi)網(wǎng)關(guān)路由器的設(shè)計(jì)[5]。一方面，應(yīng)結(jié)合實(shí)際需求優(yōu)化多播通信流量方案，結(jié)合控制器優(yōu)先處理流量，并建立多播生成樹(shù)，保障終端尋址有效。另一方面，根據(jù)交換機(jī)映射關(guān)系合理控制管理列表，同時(shí)配合媒體存取控制位址（Media Access Control Address，MAC）展開(kāi)業(yè)務(wù)分析，并判斷目的地址是否為組播IP。若是組播IP，在分析的過(guò)程中還應(yīng)進(jìn)一步對(duì)交換機(jī)進(jìn)行判斷。詳細(xì)工作流程如圖3 所示。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)變電站現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的過(guò)程中，應(yīng)充分結(jié)合實(shí)際情況和子業(yè)務(wù)功能通信需求，盡可能提高網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的靈活性和可靠性，通過(guò)構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)或者SDN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的有效集成和數(shù)據(jù)共享，盡可能減輕間隔層設(shè)備網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)分配和有效利用，減少資源浪費(fèi)。在此過(guò)程中，涉及的主要技術(shù)手段包括時(shí)延測(cè)量技術(shù)、無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、業(yè)務(wù)流整合算法以及網(wǎng)關(guān)路由器的實(shí)現(xiàn)，能夠?yàn)樽冸娬就ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、可靠性以及實(shí)時(shí)性提供良好保障，促進(jìn)變電站的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。