基于IEC61850的變電站融合通信系統設計

　　摘要：為提升變電站一體化智能運維水平，提出了一種基于IEC61850的變電站融合通信系統。概述了IEC61850規約的結構和信息模型;設計了基于IEC61850的電力通信網絡系統架構，說明了報文種類和具體需求;以集成式混合光網絡為例說明了變電站通信網絡的融合形式和方法，并分析了融合過程中的流量情況。

　　關鍵詞：IEC61850;變電站通信網絡;融合系統;集成式混合光網絡

　　0引言

　　智能電表的運用與完善，使得用戶側計量體系更加完善，豐富了用戶側用電信息的實時特性以及用戶側數據維度。隨著智能計量自動化系統(或用電信息采集系統)不斷完善，用戶側計量點的用電量、電壓、電流和功率等數據信息分別上送到主站系統或營銷計量系統，不斷上送的實時數據形成了海量的數據集合。針對變電站融合通信技術，文獻[1]針對融合通信技術在電力行業的應用進行了研究;文獻[2]提出了基于IMS的AMI融合通信網;文獻[3]提出了電力光纖與無線融合通信專網中的基帶池資源規劃方法;文獻[4]提出了基于IP融合通信技術在電力通信網的應用;文獻[5]研究了智能配用電網多介質融合通信模式。

　　電力工程師論文： 智能變電站運維管理中的危險點和控制措施

　　針對IEC61850在變電站中的應用，文獻[6]研究了基于IEC61850的智能變電站電流差動保護通信機制;文獻[7]針對基于IEC61850變電站過程總線的設計目標和時延進行了分析;文獻[8]建立了基于IEC61850的智能變電站高壓線路保護模型;文獻[9]設計了一種基于SCD文件的智能變電站監控系統數據庫自動生成方法。可見針對IEC61850的變電站融合系統設計還有待深入。

　　為此，本文提出了一種基于IEC61850的變電站融合通信系統。首先概述了IEC61850規約的結構和信息模型;然后設計了基于IEC61850的電力通信網絡系統架構，說明了報文種類和具體需求;最后以集成式混合光網絡為例，說明了變電站通信網絡的融合形式和方法，并分析了融合過程中的流量情況。

　　1IEC61850規約及信息模型

　　1.1IEC61850規約

　　變電站在電能的實時傳輸中起到重要作用，因此變電站需要良好的控制手段。目前變電站級別的監控體系主要是百年電站自動化系統，通過智能電子表計實現對信息量的采集。IEC61850規約對這些信息的采集和傳輸起到規范和導則的作用。由于變電站內含有大量一次和二次設備，信息量巨大，因此需要提高系統的可操作性。IEC61850可以將復雜的智能電子表計建模為功能簡單的集合，即邏輯節點。不同功能和通信服務之間的數據通信利用信息模型實現。

　　IEC61850標準定義了變電站自動化系統的構架。變電站總線包括SCADA系統、變電站運維人員和繼電保護，該總線用于監測和控制。過程總線連接變壓器、合并單元和保護裝置等。該規約使用采樣值信息和GOOSE報文，并且運行于發布者和訂閱者模塊，在通信堆棧的應用層、數據鏈路層和物理層執行。

　　其中，GOOSE用于傳輸監控信息，如斷路器狀態等;采樣值信息用于傳輸電壓電流等量測數值。采樣值報文基于周期信息傳輸模型，以固定速率發送消息。對于保護系統，默認速率為4000～8000個/s。另一方面，GOOSE協議運行于零散信息傳輸模型，通過邏輯節點中的連續數據流來提升通信可靠性。GOOSE報文中的傳輸序列具有允許生存時間的屬性，用于通知信息接收者等待下一個信息的最大時長。

　　GOOSE和SV報文在以太標準層上運行。IEC61850也提出了利用IEEE802.1Q來處理總線應用中的時間約束。IEEE802.1Q能夠處理優先調度報文，以及將處理總線接入虛擬局域網絡，從而滿足廣播和多重擴散域的約束。

　　1.2IEC61850信息模型IEC61850是面向應用的、可以在所有IED平臺上統一數據結構定義的數據組織管理方法。IEC61850可以生成配電系統配置描述語言(sub-stationconfigurationlanguage，SCL)的文件，以定義在配電系統拓撲結構和其相應的在IED上的配電自動化系統邏輯節點之間的關系。IEC61850的信息模型如圖2所示。目前，IEC61850已廣泛應用于智能變電站自動化。

　　2基于IEC61850的變電站通信系統設計

　　2.1系統說明

　　本文設計了基于軟件定義的通信網絡，該網絡具有可靠性高等特點。利用軟件定義網絡的結構可以提高網絡抵御黑客攻擊的能力。變電站和調控中心通過OpenFlow交換機網絡連接，OpenFlow控制器包含4個組件：資源監視模塊、資源配置模塊、威脅檢測模塊和威脅緩沖模塊。資源監視模塊和資源配置模塊采取手拉手工作方式對網絡資源流量進行持續監控。當檢測到潛在的威脅時，威脅緩沖模塊讀取網絡核心資源的安全狀態以及網絡性能狀態。電力系統通信關系到保護系統的正常動作，需要保證通信系統的穩定性。

　　IEC61850規約的用途就是保證變電站之間信息交互和通信的，因此本文考慮利用IEC61850構建標準化通信網絡。信道故障、延時、冗余、可靠性、數據同步、交換頻率、數據帶寬和數據規模均會對通信系統的選擇產生影響。站對站通信的模式是指變電站自動化系統中2個變電站之間的通信方式，或者一個變電站向另一個變電站獲取信息的方式。保護功能和應用均定義在相應的接口部件，該接口可以提供相應功能的數據傳輸。

　　2.2報文種類和需求

　　變電站之間的通信功能可以有所差異，IEC61850的報文可以歸類為報文性能類(MPC)，MPC1型為高速報文，包含短消息的二進制變量，如跳閘、啟動等信息。這些報文的類型對應用的功能十分關鍵，智能電子裝置需要對這類報文立即做出響應，1A型的報文發送跳閘命令則是最快的指令。

　　1A型的報文傳輸時間取決于支持的應用類型，在3～10ms之間。1B型的報文相比1A，在需求方面嚴格程度有所降低，但是在速度和報文的響應性方面也較好，傳輸時間在40～100ms之間。類型4的MPC為包括SV報文的生數據，傳輸時間在3～10ms。2型、3型和6型的MPC分別對應中速、低速和文件傳輸，可以用作指令和報告的傳輸，這類報文的傳輸時間在100～1000ms之間。

　　2.3基于IEC61850的融合通信網絡

　　電力系統的保護需要可靠的通信系統作為支撐，并且通信系統的信道要有固定的時延和恒定的帶寬，在傳輸速率過程中不發生延時畸變。SDH和PDH均可以用于構建變電站之間通信的網絡。以太技術具有統計時分復用的特點，并且使用基于需求的帶寬來滿足性能的要求。IEC61850部署于以太局域網LAN。流量可靠性問題是網絡路徑中數據包競爭導致阻塞產生的。利用優先隊列方式可以降低高優先級流量的延時，或者通過以太網絡避免GOOSE數據包在廣域網絡中引起洪泛。利用虛擬區域網絡配置流量限制可以解決這一問題，因此可以利用多種不同的虛擬局域網絡構建變電站之間的內部流量和站內的通信。網絡融合技術能夠解決數據包在網絡中的延遲問題，通過網絡切換技術來實現這一功能。該技術基于集成式混合光交換網絡架構。

　　3電力融合通信系統

　　3.1IHON集成式混合光網絡(IHON)

　　能夠將數據包和電路網絡域名進行結合，該網絡形式支持2種主要的服務類型，即以高服務質量為特征的保障傳輸服務和服務質量較低的統計復用，2種服務形式共用相同的物理波長資源。保障傳輸服務的數據流量包括數據包零抖動、數據包零丟失和數據包低延遲。

　　配置相應波長的顆粒度電路能夠降低光交換網絡中以及波長路由光網絡中的資源利用率，其原因在于統計復用無法實現。因此為優化波長容量，集中式混合光網絡需要構建保障傳輸服務波長來傳輸統計復用報文流量，并且統計復用流量僅僅加載在未被保障傳輸服務數據包占用的空間中。利用傳輸包H1原生節點來實現2種流量類型在以太網中的傳輸，形成網絡融合。TranspacketH110Gbit以太網能夠提供10×1Gbit的信道密度，并具有低延時和零丟包的特點。

　　3.2基于融合的變電站間通信方式2個變電站間的通信方式。考慮2站之間是以太網連接，故利用信道實現通信。信道是2個變電站之間的直接連接，適用于較遠的2站之間，可以通過提高帶寬獲得較低時延。對于數據量較低的GOOSE流量，高帶寬也可以對應低延時。信道通過交換機或者路由器構成。利用10Gbit/s的以太波長的光纖鏈路連接2個變電站，融合節點為變電站邊緣節點，與2個變電站的局域網進行耦合。變電站邊緣節點能夠匯集不同變電站的流量。

　　本文采用IEC91850規約，用于傳輸變電站之間的流量。匯聚節點的報文標記為保障傳輸服務或統計復用，需要根據時間需求進行區別標記。GOOSE1A和4類SV報文在進入融合節點接口時為保障傳輸服務。GOOSE1B類報文和控制報文以及其他報文進行交互，遵循的協議為TCP/IP。

　　融合過程中，高優先級流量的延時為固定值，采用統計復用幀時長最大化的方法。延時能夠檢測高優先級流量之間的時間差，將其插入最大的1個統計復用包。在這種配置下，1.21μs的時延能夠容納最大長度為1518B的低優先級包，經過這樣的設置，高優先級流量可以實現較高的服務質量，包括低延時、無丟包等。4結束語變電站融合通信系統是一種新型技術，利用相應的軟件和硬件實現了變電站通信系統的高度融合，基于IEC61850的變電站融合通信系統是本文研究的重點。通過對IEC61850規約的應用，能夠實現電力通信網絡數據和業務流之間的協調，實現資源的最大化利用。

　　參考文獻：

　　[1]劉博.融合通信技術在電力行業的應用研究[J].信息與電腦，2018(6)：148149.

　　[2]王羿，梁蓉，程細海.基于IMS的AMI融合通信網研究[J].電力信息與通信技術，2016，14(2)：5561.

　　[3]蔡昊，曹晶，李沛，等.電力光纖與無線融合通信專網中的基帶池資源規劃方法研究[J].電力信息與通信技術，2015，13(4)：3034.

　　[4]田靖臣，于俊兵，劉寶柱.基于IP融合通信技術在電力通信網的應用[J].天津電力技術，2011(3)：13.

　　[5]林軒竹.智能配用電網多介質融合通信模式研究[D].保定：華北電力大學，2013.

　　作者：徐羊，劉磊

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