对变电站内若干网络通信问题的探讨

国网江西省电力有限公司超高压分公司 李文旦

网络是连接变电站内各种设备的纽带，其可靠性与信息传输的快速性决定了自动化系统的可用性，同时也决定了变电站网络通信结构和网络通信协议的发展方向[1]。

1 变电站内的网络通信系统

1.1 利用通信控制器实现变电站内网络通信

1.1.1 利用通信控制器实现变电站内网络通信的通信系统

利用通信控制器实现变电站内网络通信在变电站综合自动化系统中，根据其逻辑结构可将其分为：过程层、间隔层、通信控制层和站控层四个层次。其中，通信控制层和站控层采用的是高度网络通信；过程层和间隔层之间的通信采用的是现场总线通信。

过程层中包括直接生产和使用电能的一次设备，首先信号从过程层中被传出，信号被传到间隔层；间隔层中设置有若干可同时进行接收和发送信号的新型智能电子装置，从过程层中传出的信号被设置在间隔层中的智能电子装置接收，经过电子设备进行精密化处理后，再途径由RS232、RS485接口，或现场总线组成的线路传输将经过处理的信号输出到相关设备，处理过后的信号到达通信控制层。通信控制层中设置了包括值班通信控制器与备用通信控制器等电子设备，二者与其他相关设备将来自间隔层的信号输出并处理，经过处理的信号被传输到站控层，或经以太网被传输到远方调度控制系统处。站控层中设置有若干监控机，由监控机接收来自通信控制层传送过来的信号，从而实现对变电站运作状态及运作故障的监控。

1.1.2 利用通信控制器实现变电站内网络通信的通信系统优缺点

这种网络通信系统通信成本低，有益于完成对变电站具体信息的实时监控。但由于间隔层中的智能电子装置处理和发送信息的能力，高于通信控制层中值班通信控制器与备用通信控制器接收和处理信息的能力，因此这两种信息处理设备组的能力差异，会导致通信控制层中的值班通信控制器与备用通信控制器满负荷运转，甚至超负荷运转。这种非正常运转会拉低变电站网络通信系统的整体信息处理，以及信息传输效率导致整体的信息传输不够通畅，使得一些重要数据不能及时反馈。

此外，一旦有突发情况出现，通信控制层中的值班通信控制器或备用通信控制器发生故障，变电站的网络通信系统将会直接处于全面瘫痪或半瘫痪状态，不利于变电站网络通信系统工作的安全性与高效性。为维持变电站的正常工作，保证网络通信系统的安全、高效、畅通运行，常规期间利用通信控制器，实现变电站内网络通信的变电站需要相关工作人员对通信控制器进行检查、维修和保养，并时刻监测注意通信控制器的运作环境和工作状态，尽可能避免环境等可控客观环境因素对设备的影响、损坏，同时相关工作人员要在通信控制器到达使用年限时需要及时进行调换。

1.1.3 利用通信控制器实现变电站内网络通信系统的成本预算

一是培训成本，基于通信控制器常年高负荷运转的工作状态，以及通信控制器在网络通信系统中的核心地位，变电站培养相关工作人员学习通信控制器的性能与其保养、维护、维修操作是十分必要的。二是人力成本，即工作人员对通信控制器保养、维护、维修的人力成本。三是监管成本，在通信控制器的保养、维护、维修过程中，需要监管来保证保养、维护、维修工作的安全性与高效性，除此之外，还需要不定期检查，以确保网络通信系统中通信控制器的正常运行。另外，零件与设备的成本在通信控制器的保养、维护与维修中，必然会涉及零件与设备的更换，当通信控制器到达使用年限后，还需要对通信控制器进行更换，也属于零件与设备成本的范畴。四是发生事故后的财产损失，在此类网络通信系统中，一旦通信控制器发生故障，则会导致变电站的整体网络通信系统瘫痪，造成经济损失。

1.2 利用间隔层设备直接上网实现变电站内的网络通信

1.2.1 利用间隔层设备直接上网实现变电站网络通信的网络通信系统

首先，由过程层中直接生产和使用电能的一次设备，将信号传输给间隔层。相比于利用通信控制器实现变电站内网络通信的网络通信系统，利用间隔层设备直接上网，实现变电站网络通信的网络通信系统的间隔层中设置了通信管理单元；来自过程层的信号经过间隔层的智能电子接收装置的信号接收和信号处理，又被间隔层中的智能电子接收装置经过RS232、RS485接线口或现场总线发送给通信管理单元，通信管理单元将信号处理后，再将信号发送给站控层中的控制机、远动机及远方调度处理系统，从而实现对变电站运作状态及运作故障的监控。

1.2.2 利用间隔层设备直接上网实现变电站网络通信的网络通信系统优缺点

这种网络通信系统去除了通信控制层，减少了网络通信系统的交互与处理步骤，实现了网络通信系统的简化，提高了网络通信系统的通信效率；同时，去除通信控制层的做法也消除了通信控制层中值班通信控制器，或备用通信控制器故障带来的风险与损失，减少了通信控制器检修、保养的人力成本与经济投入；此外，由于通信控制器的工作上限，利用通信控制器来实现网络通信的网络通信系统工作效率被拉低，当通信控制器不被采用，其带来的工作上限与工作效率被拉低等问题也得到了解决。这种网络通信系统是现阶段变电站普遍使用的网络通信系统。

2 变电站网络通信系统选择的网络传输协议

变电站网络通信系统传输协议，主要有UDP传输协议和TCP 传输协议两种。TCP 传输协议和UDP 传输协议都属于应用层、传输层、网络层和接入层中的传输层。

TCP 传输协议和UDP 传输协议的区别主要有以下六点。一是TCP 传输协议属于定向连接。UDP 传输协议是无指向连接，即在信息发出前不需要连接。

二是TCP 传输协议可以提供可信的服务。即通过TCP 处理发送的信息没有不正确、减少和重复的情况，且信息排序不会发生改变。UDP 传输协议尽力提交数据，即没有办法确保信息的完好。

三是TCP 传输协议通过校验和等程序来实现可靠性高的传输。就像分组丢失时的重发控制一样，也能够控制顺序紊乱的分组的顺序。

四是UDP 传输协议比TCP 传输协议工作效率高，当变电站网络通信系统中有需要快速传输的数据时，可以采用TCP 传输协议。

五是TPC 传输协议的局限性较大，而UDP 传输协议的局限性较小，每个TCP 传输协议连接只能是单个传输方对单个接收方的连接；而UDP 传输协议支持单个传输方对单个接收方、单个传输方对多个接收方、多个传输方对单个接收方、多个传输方对多个接收方的相互通信。

六是TCP 传输协议对系统资源的请求量大，UDP 传输协议对系统资源的请求量小。

综上所述，当需要信号高效率传输时，使用UDP 传输协议；当需要保证信息传输效果时，选用TCP 传输协议。

3 变电站内出现的网络通信问题及解决办法

在变电站内，通信问题极为重要，这关系到远程操控人员和现场工作人员的信息沟通问题。同时，良好的通信环境也有利于电力工作人员对于变电站的日常维护、维修效率，这种效率的提升可大大降低电力企业对于变电站的维护成本。

3.1 变电站内常见的通信问题

光纤传输错误导致的误码，是在传统变电站内通信设备故障较为常见的故障问题。因为设备信号传输会随着衰变产生电压变化，设备发出的信号在传输前遭到破坏，最终在接收端产生乱码、误码的情况。主要有内在、外在两种情况使得传统的变电站内通信系统产生、传输误码的情况。通信系统产生、传输误码的主要外部原因有设备故障、电源瞬态干扰、静电放电、接触不佳以及电磁干扰等。产生这种问题多数是因相关工作管理人员未全面系统地维护相关信息传输设备，导致相关电子元器件损坏。

同时，当下复杂多变的电磁环境也是导致这种传输问题的一大原因。而这种由外部环境因素产生的误码一般认为是突发误码，这种突发误码在变电站光纤通信系统运行过程中常出现。除去外部环境产生的突发误码，一些干扰源、定位抖动、节电设备、设备内部代码编译错误等产生的误码称为是系统背景误码。这种误码多由于设备本身出现相关系统问题未及时解决，然后进行相关的系统升级，使得设备未能完全适应当时的电磁环境或是电路环境产生了相关的问题。

3.2 变电站内常见的通信问题的解决策略

3.2.1 变电站内线路传输通道故障问题处理

变电站内，有可能会由于年久失修、人为盗取等情况导致通信光缆传输光衰较大，更有可能导致光路不通。这种情况下，应急维修团队应当及时反应，进行相关故障排查，对损失进行评估后，尽快进行抢修。在抢修过程中，要本着先修通后复原的原则，尽可能降低线路断连产生的数据丢包的损失，将经济损失降到最低。在面对主干线路和支路时，要保障第一时间抢修主干通道，保证主干线路稳定后再进行支路修复。

3.2.2 变电站内设备误码故障问题处理

在面对设备中误码情况时，切勿轻易即可处理。在处理之前要全面读取相关参数，全面分析当前的设备运行情况，了解目前遇到的设备报警信息，研判目前的设备形势。同时，要观察设备具体的外观情况，排除由于物理原因导致的外部变形，致使内部关键电子元器件损伤。对故障位置进行分析，如光纤性能恶化、设备散热不足以及单板问题等，找到故障的切入点，并将误码故障的性质反映出来，了解误码是突发的还是背景误码。如果通信网络系统的复杂性程度较高或者网管没有获得告警信息时，需要利用系统维护功能开展测试工作，并对故障的原因进行分析[2]。

4 变电站内的未来网络通信技术

4.1 未来网络通信技术研究方向

为对网络通信系统进一步简化，同时进一步提高网络通信系统的工作效率与安全性，相关工作及研究人员，可以考虑去除网络通信系统中的间隔层与通信控制层，将新型网络通信系统精简到过程层与站控层两个层次。但新型网络通信系统的过程层内容，以及传统过程层应有较大的改变。新型网络通信系统的过程层中应包含若干智能电子装置、智能开关与电子电压互感器或电子电流互感器。电子电压互感器、电子电流互感器与智能开关将代替传统过程层中一次设备的作用，将直接反应一次设备的状态并实现直接上网。由过程层中传出的信号会由以太网传输到站控层的监控机、远动机与远方调度控制系统中，从而实现对变电站运作状态及运作故障的监控。

4.2 变电站创新风险分析

以新材料、新技术、新设备代替旧材料、旧技术、旧设备需要较大的经济投入，这对相关变电站及电力企业的相关成本投入提出了极大的考验。此外，相比于旧材料、旧技术、旧设备，新材料、新技术、新材料市场应用时间较短，相关技术不成熟，变电站及企业应用的风险较大；即使新型网络通信技术已相对成熟，变电站及企业中工作人员对新材料、新设备的性质不熟悉，不了解其操作、维护和维修方法，都会带来相应的安全风险。

综上所述，传统的利用通信控制器实现网络通信是一个复杂的、涉及多个方面的网络通信系统。传统的网络通信系统不仅效率低，安全性低，还需要一定的资产与人力的投入来进行设备的保养、维护和维修。经过不断的系统简化与优化，新型的网络通信系统甚至可以实现由四步骤到三步骤，再由三步骤到两步骤的飞跃。但由于创新风险与创新成本等问题，变电站不能立刻对通信控制系统进行全面的转型升级，需要对现有的设备和技术储备进行全面系统化的运用，尽可能将现有的设备算法通过合理适配达到最高水平。在不能全面系统地将通信设备在变电站实现全面转型升级前，仍需要相关工作人员对通信控制系统进行有着重点的、细致的定期检修与设备调换。