冗余技术在厂站端自动化系统中的典型应用研究

2021-11-27郑广森国网安徽省电力有限公司合肥供电公司

环球市场 2021年31期

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冗余技术作为当前厂站端自动化系统运行稳定性以及可靠性的保障措施，对于整个电力系统的正常运行都有着重要影响。在冗余技术的保护之下，厂站端自动化系统的运行稳定性得到了极大地提升，同时在降低系统维护成本方面也凸显出了其重要作用。因此，加强对于冗余技术的研究和应用是十分有必要的。

一、冗余技术及其应用

（一）冗余技术的概念

冗余技术也被称作是储备技术或者是容灾备份技术，该技术的有效应用，能够进一步提高系统的可靠性。根据冗余技术的实际需求，可将其划分为工作冗余以及后备冗余两种类型，工作冗余就是指由两个或者两个以上单元并行的工作模式，后备冗余是指在平常系统运行过程中，仅需要保持一个单元处于运行状态，另一个单元则处于待机备用状态。

（二）冗余的实现方式

在厂站端自动化系统当中，冗余技术是以增加元件的方式，参与到整个系统运行处理当中的，以此减少或者消除系统意外故障下引起的损失。基于冗余技术的特点和优势，其在自动化方面得到了十分广泛应用。而电力系统作为自动化系统应用最为深入和广泛的行业之一，冗余技术在其中的应用更是十分成熟。冗余技术的应用可以是通过硬件方式，也可以通过软件，或者软硬结合的方式实现[1]。

（三）冗余应用的类型

根据冗余技术的实际应用情况，可将其划分为系统冗余以及单元冗余两种类型。其中系统冗余，是以实现某一功能为目的，针对于整个系统进行的冗余处理；而单元冗余，则是以系统当中不同单元为基础的冗余处理。二者之间的比较情况如图1所示。根据图1所示情况，进行分析，不难发现，相比于系统冗余而言，单元冗余的可靠性相对更高。实际上在应用冗余技术的过程中，这两种冗余设计存在一定相对性，例如，在小系统范围之内，所设置的系统冗余，对于大系统而言，可能就是单元冗余。

图1 系统冗余和单元冗余比较示意图

二、厂站端自动化系统结构及冗余配置

典型的厂站端自动化系统当中主要包括高低压保护测控装置、监控装置、远动主机、通道切换装置、GPS接收装置、卫星以及调度中心等多个部分，系统的结构组成采用的是分层方式，其中当地监控以及远动设备等隶属于站控层，保护装置、测控装置以及其他智能装置等属于间隔层。

事实上，当前冗余技术已经参与应用到厂站端自动化系统中的每一个环节。远动设备方面，配备了两台冗余主机，用于远动以及通信功能的实现；当地监控方面，也采用的是双主机结构；站控层则是双冗余工业以太网；与调度主站之间采用的是双冗余通道通信方式；远动设备当中的供电装置，也为双冗余电源；负责对时的GPS时钟同步装置为对时源冗余。

冗余技术的应用，极大地提高了厂站端自动化系统运行的稳定性，本文就冗余技术在厂站端自动化系统中的典型应用策略展开详细探讨。

三、冗余技术在厂站端自动化系统中的应用

（一）主机冗余

在厂站端自动化系统运行的过程中，主机的状态及其运行的稳定性直接影响着整个系统运行的可靠性，因此，需要应用冗余技术，对主机运行加以保障。结合上述典型厂站端自动化系统结构情况，其主机冗余设计主要包括监控主机以及远动主机两个部分。监控主机是通过站级网络以及间隔层，实现与远动主机之间的信息交换的。

传统厂站端自动化系统冗余技术应用过程中，通常会采用后备冗余设计方式，即将主机看作成为一个系统，其中的各种实时库、历时库以及通信接口看作单元结构。传统冗余设计是从系统整体的角度进行，即在系统正常运行状态之下，仅有一台主机工作，而另外一台主机则作为后备冗余处于待机状态。但是随着当前冗余技术的发展以及设计理念的更新，目前更多的厂站端自动化系统采用的是工作冗余形式，通过单元冗余的设计，在满足系统运行需求的基础上，将不同的服务划分给不同的主机，控制两台主机同时运行，以此帮助主机分担运行负荷，确保系统稳定运行。

除了上述以增加硬件方式实现系统冗余设计的方式，为进一步保障数据的安全性，还需要通过软件的方式，实现数据的同步和信息实时交换。同时，为确保监控主机与远动主机冗余功能的有效发挥，要求其通信通道也必须是冗余的[2]。

（二）网络冗余

网络是连接整个系统正常运行的重要结构，因此，为保障系统运行可靠、安全，各单元冗余功能的有效发挥，系统中的站级网络也必须要进行冗余设计。在典型的厂站端自动化系统当中，站级网络为工业以太网或者现场总线网络形式，在应用冗余技术的过程中，可结合实际情况以及系统运行需求，进行同构或者异构的双网络冗余结构设计。双冗余网络设计，其主要的功能作用在于帮助主网络线路分担负荷，同时提高网络运行的可靠性。在双冗余网络结构之下，当出现主动上送规约时，系统所传输的上行信息，会通过两个网络线路进行传输并由主机从中选择数据，在进行下行信息传输的过程中，先由主机确定一个当前有效的网络，然后该网络会上送一个应答信息，以此确保信息传递的唯一性。一方面，能够避免流量的浪费，另一方面，当该网络出现故障问题的时候，冗余技术的应用还能够及时进行切换线路，确保数据信息传输的可靠性。

在本文所讨论的典型厂站端自动化系统当中，站控层当中的监控设备，并不是只对站级网络进行实时监控，同时其中的每一台监控设备都对应监控着间隔层的相应装置，以及双网运行情况，这样就能够确保在出现交叉故障的情况下，系统数据仍然能够正常传输。此外，当出现运行故障的情况下，在切换网络的同时，还会向上报送告警信息，为后续相关工作人员进行系统故障处理和维护提供参考。

（三）通道冗余

结合典型厂站端自动化系统的结构特点，本文主要讨论的远动通道的冗余情况专门指的是串行接口。在主机冗余设计的过程中，在信息上行传输时，主机需要通过切换冗余通道，以此实现相应数据的选择。通常情况下，远动通道的切换包括软件以及硬件两种形式，即内置软件或者外接通道切换装置。

在实际进行通道冗余设计的过程中，为保障后续系统运行正常，需要考虑的因素和条件相对较多，主要包括以下四个方面：第一，远动主机实际情况，是否为双主机形式；第二，厂站端自动化系统采用的是系统冗余形式还是单元冗余形式；第三，每台主机所对应的通道是单通道还是双通道；第四，在系统为双通道冗余的情况下，两个通道的运行情况，是否都有数据。不同配置状态之下，通道冗余的切换功能可采取不同方式。在不同配置条件下的通道冗余情况如表1所示。

表1 通道冗余情况

对于不同的通道冗余情况，需要采取不同措施实现通道切换功能。其中单远动主机下的A、B两种情况，可以借助软件实现通道切换。

对于双远动主机而言，在实际进行通道情况分析时，可将主机及其通道作为整个系统，主机部分以及通道部分则分别作为系统中的一个单元。在此情况下，若采用的是系统冗余形式，那么对于C、D两种情况，则需要将两个通道分别与一台主机相连即可。若采用的是单元冗余形式，那么在进行通道切换功能分析时，则需要分成两种情况进行讨论，其一是每台主机接一通道，即E、F两种状态，此时包括两种连接形式：第一种为通道1与远动主机1相连，通道2与远动主机2相连；第二种为通道1与远动主机2相连，通道2与远动主机1相连。其二，是每台主机接两通道形式，即G、H情况，此时包括四种工作状态：第一，通道1与远动主机1的接口1相连，通道2与远动主机1的接口2相连；第二，通道1与远动主机1的接口1相连，通道2与远动主机2的接口2相连；第三，通道1与远动主机2的接口1相连，通道2与远动主机1的接口2相连；第四，通道1与远动主机2的接口1相连，通道2与远动主机2的接口1相连。

在系统实际运行的过程中，若调度主站要求仅有一个通道进行数据交换，那么上述存在的多种工作状态中，仅需要有一个连接情况是正常运行的即可。若调度主站要求，两个通道均需要进行运作时，则需要两个连接状态都能够提供数据交换功能。

（四）电源冗余

系统运行需要依靠电源模块，结合本文所研究的厂站端自动化系统实际情况，在进行电源冗余设计的过程中，可采用两块或者两块以上的电源，实现装置内部的冗余供电。电源冗余实际上是一种通过硬件处理方式，实现冗余功能的情况，其冗余功能的实现包括以下两种方式，第一，可选用专业的冗余电源适配器，并外接两路电源，以此确保任何一路电源供电出现异常时，另外一路都能够保持正常供电。第二，在进行电源模块设计时，就考虑到其冗余功能需求，以此直接为系统其他部分供电。

（五）对时源冗余

厂站端自动化系统的正常运行，对于时钟同步功能有一定要求，由于该系统运行是通过自动控制实现的，因此必须要确保系统当中各个装置的时间统一，对时远动装置的功能就在于此，为保障对时远动装置运行的可靠性，需要对其进行冗余设计。对时源的冗余包括以下内容：即GPS装置与调度主站的冗余、两台冗余主机之间的对时源冗余，以及GPS装置的双冗余。在实际进行对时源冗余设计的过程中，值得注意的是，同一时刻仅能有一个对时源是有效的[3]。