智能变电站网络架构优化的研究

李松蹊 许晓峰

摘 要：本文分析智能变电站网络通信的功能和性能需求、影响通信可靠性的因素，结合固定延时交换机在网络架构中过程层的应用，提出网络可靠的过程层网络。研究了智能变电站的通讯网络架构在加入固定延时交换机后的优点。最后根据实际需求，搭建环境分别对单台、双台和三台交换机的应用进行测试试验，验证系统的可行性，为智能变电站的通信网络架构选择和应用提供依据。

关键词：智能变电站;固定延时交换机;智能电子设备;可靠性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.164

0 引言

随着各国对供电质量要求的提高，智能电网的作用日益凸显。智能变电站把传统变电站的所有信息采集、传输、处理、输出过程由过去的模拟量信息全部转换为数字量信息，文献[1]通信网络和系统是智能变电站自动化系统的关键技术之一，要求通讯网络传输数据准确、可靠、快速。

在智能变电站领域中，文献[3]在以太网之上提供多种业务以及抗干扰能力较强的EPON通讯技术和网络冗余技术越发得到重视。文献[4]概述介绍了变电站自动化所涉及的相关技术。文献[5]归纳了与电力系统相关的主要特征量及概念。

本文研究了智能变电站的通讯网络架构在加入固定延时交换机后的优点。根据实际需求，搭建环境分别对单台、双台和三台交换机的应用进行测试试验，验证系统的可行性，为智能变电站的通信网络架构选择和应用提供依据。

1 智能变电站网络结构与设备可靠性

数字化变电站内共用网络方式。随着网络通信技术的发展，采样报文基于IEC61850-9-2标准，过程层网络与变电站层网络合并是数字化变电站组网方式发展的目标。

1.1 装置单环网

（1）装置内部自带交换功能，实现一进一出的2个网络口，环网中所有装置串联的通信方式。

优点在于：结构简单，投资费用低。缺点在于：装置间的报文传输延时随环网中装置数目的增加而增加，实时性差;环网发生故障时自愈时间较长;装置检修时对环网通信的影响很大;对装置性能要求更高，要求装置具备交换功能。

1.2 交换机环形网

具体指连接装置的交换机之间采用实时环网的通信方式，如图2所示。

优点在于：网络冗余性最好，交换机之间网络发生故障时，通过环网自愈依然可以保证网络通信。

1.3 星形网

星形网是指交换机之间采用级联方式组网。

优点在于：网络实时性好，网络延时最少，不会产生网络风暴。

2 基于固定延时交换机的网络结构

工业用固定延时交换机是性能高、可网管型智能的工业以太网交换机，型号是KX-IS-3100-28。

2.1 基于固定延时交换机的网络架构

对智能变电站单独线路和单个独变压器间隔的网络采样与基于固定时延交换机采样技术进行比较，添加了固定时延交换机采样技术的网络架构，合并单元和交换机无需要对时，保证了保护不依赖于时钟同步，排除时钟对时信号，丢失间隔和母线保护退出的缺点。

3 固定延时交换机的测试研究

3.1 试验目的

通过搭建固定延时交换机测试试验平台，模拟固定延时交换机运行工况，测量固定延时交换机的延时时间，验证固定延时交换机延时特性及运行稳定性。

3.2 实验过程

利用GPS时钟校验仪同时对合并单元（MU）及网络报文分析仪进行授时。分别通过MU装置向单台、双台或三台相连的交换机及网络报文分析仪同时发送SV9-2报文数据包，经第一台、第二台或第三台交换机接收报文数据包后发送到网络报文分析仪。报文持续发送，网络报文分析仪采集并记录报文数据，计算网络报文分析仪接收MU装置及第一台、第二台或第三台固定延时交换机发送的报文数据的时间间隔ΔT，分析固定延时交换机固定延时性能。

3.3 试验结论

通过对单台交换机进行固定延时测试试验，单台交换机的固定延时时间为约23μs（报文数量比例约为80%）、24μs（报文数量比例约为20%），交换机固定延时性能比较稳定。

通过对两台相连的交换机进行固定延时测试试验，两台交换机的固定延时时间约为46μs（报文数量比例约为98%），测试出现的其他延时时间（45μs、47μs、48μs、50μs、52μs）报文数量所占比例较小。交换机固定延时时间比较稳定。

通过对三台相连的交换机进行固定延时测试试验，三台交换机的固定延时时间约为69μs（报文数量比例约为88%）、68μs（报文数量比例约为12%）。交换机固定延时时间比较稳定。

4 结语

为保证未来变电站通信网络的可靠性，要求在系统设计时充分考虑到功能和性能需求，根据实际情况选择适宜的的网络架构;对站内智能电子设备的选型，包括智能的工业以太网交换机在内，应充分考虑到抗干扰问题，选择质量过硬的产品，防止因为装置本身硬件故障導致的网络通信故障;施工阶段对通信网络接线应规范，避免不必要的物理原因导致通信不正常;应加强网络的智能监测和管理，必要时安装管理软件或系统，以便及时发现设备/网络的通信故障并快速告警、处理。

参考文献：

[1]IEC61850-1-10 Communication Networks and Systems in Substations，2004.

[2]GB/T 17463-1998 中华人民共和国国家标准.远动设备及系统第4部分：性能要求[S].1998.

[3]高翔.未来变电站应用技术[M].中国电力出版社，2008.

[4]吴在军，胡敏强.变电站通信网络和系统协议IEC61850标准分析[J].电力自动化设备，2002，22（11）.

[5]曾瑞江，梁晓兵，高新华.变电站自动化系统网络故障分析[J].广东电力，2008，21（01）.

[6]夏春燕，丁雪峰.变电站综合自动化数据通信网络的研究[J].南京示范大学学报（工程技术版），2007，7（04）.

[7]高会生，靳玮玮.基于OPNET的变电站端对端通信实时性仿真研究[J].继电器，2006，34（19）.

[8]董楠，朱林，段献忠.基于OPNET的变电站过程层网络的仿真研究[J]. 继电器，2006，34（21）.

[9]徐峰.分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述[J].科学时代，2013（21）.

[10]吕清洁，王韶，刘庭磊.含分布式发电的配电网有功—无功综合优化[J].电力系统保护与控制，2012，40（10）：71-76.

作者简介：李松蹊（1992-），女，辽宁人，硕士研究生，主要研究方向：智能变电站网络架构。