基于IEC61850的变电站融合通信系统设计

所属分类：电子论文阅读次时间：2021-10-25 10:21

本文摘要：摘要：为提升变电站一体化智能运维水平，提出了一种基于IEC61850的变电站融合通信系统。概述了IEC61850规约的结构和信息模型;设计了基于IEC61850的电力通信网络系统架构，说明了报文种类和具体需求;以集成式混合光网络为例说明了变电站通信网络的融合形式和

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　　摘要：为提升变电站一体化智能运维水平，提出了一种基于IEC61850的变电站融合通信系统。概述了IEC61850规约的结构和信息模型;设计了基于IEC61850的电力通信网络系统架构，说明了报文种类和具体需求;以集成式混合光网络为例说明了变电站通信网络的融合形式和方法，并分析了融合过程中的流量情况。

　　关键词：IEC61850;变电站通信网络;融合系统;集成式混合光网络

变电站

　　0引言

　　智能电表的运用与完善，使得用户侧计量体系更加完善，丰富了用户侧用电信息的实时特性以及用户侧数据维度。随着智能计量自动化系统(或用电信息采集系统)不断完善，用户侧计量点的用电量、电压、电流和功率等数据信息分别上送到主站系统或营销计量系统，不断上送的实时数据形成了海量的数据集合。针对变电站融合通信技术，文献[1]针对融合通信技术在电力行业的应用进行了研究;文献[2]提出了基于IMS的AMI融合通信网;文献[3]提出了电力光纤与无线融合通信专网中的基带池资源规划方法;文献[4]提出了基于IP融合通信技术在电力通信网的应用;文献[5]研究了智能配用电网多介质融合通信模式。

　　电力工程师论文：智能变电站运维管理中的危险点和控制措施

　　针对IEC61850在变电站中的应用，文献[6]研究了基于IEC61850的智能变电站电流差动保护通信机制;文献[7]针对基于IEC61850变电站过程总线的设计目标和时延进行了分析;文献[8]建立了基于IEC61850的智能变电站高压线路保护模型;文献[9]设计了一种基于SCD文件的智能变电站监控系统数据库自动生成方法。可见针对IEC61850的变电站融合系统设计还有待深入。

　　为此，本文提出了一种基于IEC61850的变电站融合通信系统。首先概述了IEC61850规约的结构和信息模型;然后设计了基于IEC61850的电力通信网络系统架构，说明了报文种类和具体需求;最后以集成式混合光网络为例，说明了变电站通信网络的融合形式和方法，并分析了融合过程中的流量情况。

　　1IEC61850规约及信息模型

　　1.1IEC61850规约

　　变电站在电能的实时传输中起到重要作用，因此变电站需要良好的控制手段。目前变电站级别的监控体系主要是百年电站自动化系统，通过智能电子表计实现对信息量的采集。IEC61850规约对这些信息的采集和传输起到规范和导则的作用。由于变电站内含有大量一次和二次设备，信息量巨大，因此需要提高系统的可操作性。IEC61850可以将复杂的智能电子表计建模为功能简单的集合，即逻辑节点。不同功能和通信服务之间的数据通信利用信息模型实现。

　　IEC61850标准定义了变电站自动化系统的构架。变电站总线包括SCADA系统、变电站运维人员和继电保护，该总线用于监测和控制。过程总线连接变压器、合并单元和保护装置等。该规约使用采样值信息和GOOSE报文，并且运行于发布者和订阅者模块，在通信堆栈的应用层、数据链路层和物理层执行。

　　其中，GOOSE用于传输监控信息，如断路器状态等;采样值信息用于传输电压电流等量测数值。采样值报文基于周期信息传输模型，以固定速率发送消息。对于保护系统，默认速率为4000～8000个/s。另一方面，GOOSE协议运行于零散信息传输模型，通过逻辑节点中的连续数据流来提升通信可靠性。GOOSE报文中的传输序列具有允许生存时间的属性，用于通知信息接收者等待下一个信息的最大时长。

　　GOOSE和SV报文在以太标准层上运行。IEC61850也提出了利用IEEE802.1Q来处理总线应用中的时间约束。IEEE802.1Q能够处理优先调度报文，以及将处理总线接入虚拟局域网络，从而满足广播和多重扩散域的约束。

　　1.2IEC61850信息模型IEC61850是面向应用的、可以在所有IED平台上统一数据结构定义的数据组织管理方法。IEC61850可以生成配电系统配置描述语言(sub-stationconfigurationlanguage，SCL)的文件，以定义在配电系统拓扑结构和其相应的在IED上的配电自动化系统逻辑节点之间的关系。IEC61850的信息模型如图2所示。目前，IEC61850已广泛应用于智能变电站自动化。

　　2基于IEC61850的变电站通信系统设计

　　2.1系统说明

　　本文设计了基于软件定义的通信网络，该网络具有可靠性高等特点。利用软件定义网络的结构可以提高网络抵御黑客攻击的能力。变电站和调控中心通过OpenFlow交换机网络连接，OpenFlow控制器包含4个组件：资源监视模块、资源配置模块、威胁检测模块和威胁缓冲模块。资源监视模块和资源配置模块采取手拉手工作方式对网络资源流量进行持续监控。当检测到潜在的威胁时，威胁缓冲模块读取网络核心资源的安全状态以及网络性能状态。电力系统通信关系到保护系统的正常动作，需要保证通信系统的稳定性。

　　IEC61850规约的用途就是保证变电站之间信息交互和通信的，因此本文考虑利用IEC61850构建标准化通信网络。信道故障、延时、冗余、可靠性、数据同步、交换频率、数据带宽和数据规模均会对通信系统的选择产生影响。站对站通信的模式是指变电站自动化系统中2个变电站之间的通信方式，或者一个变电站向另一个变电站获取信息的方式。保护功能和应用均定义在相应的接口部件，该接口可以提供相应功能的数据传输。

　　2.2报文种类和需求

　　变电站之间的通信功能可以有所差异，IEC61850的报文可以归类为报文性能类(MPC)，MPC1型为高速报文，包含短消息的二进制变量，如跳闸、启动等信息。这些报文的类型对应用的功能十分关键，智能电子装置需要对这类报文立即做出响应，1A型的报文发送跳闸命令则是最快的指令。

　　1A型的报文传输时间取决于支持的应用类型，在3～10ms之间。1B型的报文相比1A，在需求方面严格程度有所降低，但是在速度和报文的响应性方面也较好，传输时间在40～100ms之间。类型4的MPC为包括SV报文的生数据，传输时间在3～10ms。2型、3型和6型的MPC分别对应中速、低速和文件传输，可以用作指令和报告的传输，这类报文的传输时间在100～1000ms之间。

　　2.3基于IEC61850的融合通信网络

　　电力系统的保护需要可靠的通信系统作为支撑，并且通信系统的信道要有固定的时延和恒定的带宽，在传输速率过程中不发生延时畸变。SDH和PDH均可以用于构建变电站之间通信的网络。以太技术具有统计时分复用的特点，并且使用基于需求的带宽来满足性能的要求。IEC61850部署于以太局域网LAN。流量可靠性问题是网络路径中数据包竞争导致阻塞产生的。利用优先队列方式可以降低高优先级流量的延时，或者通过以太网络避免GOOSE数据包在广域网络中引起洪泛。利用虚拟区域网络配置流量限制可以解决这一问题，因此可以利用多种不同的虚拟局域网络构建变电站之间的内部流量和站内的通信。网络融合技术能够解决数据包在网络中的延迟问题，通过网络切换技术来实现这一功能。该技术基于集成式混合光交换网络架构。

　　3电力融合通信系统

　　3.1IHON集成式混合光网络(IHON)

　　能够将数据包和电路网络域名进行结合，该网络形式支持2种主要的服务类型，即以高服务质量为特征的保障传输服务和服务质量较低的统计复用，2种服务形式共用相同的物理波长资源。保障传输服务的数据流量包括数据包零抖动、数据包零丢失和数据包低延迟。

　　配置相应波长的颗粒度电路能够降低光交换网络中以及波长路由光网络中的资源利用率，其原因在于统计复用无法实现。因此为优化波长容量，集中式混合光网络需要构建保障传输服务波长来传输统计复用报文流量，并且统计复用流量仅仅加载在未被保障传输服务数据包占用的空间中。利用传输包H1原生节点来实现2种流量类型在以太网中的传输，形成网络融合。TranspacketH110Gbit以太网能够提供10×1Gbit的信道密度，并具有低延时和零丢包的特点。

　　3.2基于融合的变电站间通信方式2个变电站间的通信方式。考虑2站之间是以太网连接，故利用信道实现通信。信道是2个变电站之间的直接连接，适用于较远的2站之间，可以通过提高带宽获得较低时延。对于数据量较低的GOOSE流量，高带宽也可以对应低延时。信道通过交换机或者路由器构成。利用10Gbit/s的以太波长的光纤链路连接2个变电站，融合节点为变电站边缘节点，与2个变电站的局域网进行耦合。变电站边缘节点能够汇集不同变电站的流量。

　　本文采用IEC91850规约，用于传输变电站之间的流量。汇聚节点的报文标记为保障传输服务或统计复用，需要根据时间需求进行区别标记。GOOSE1A和4类SV报文在进入融合节点接口时为保障传输服务。GOOSE1B类报文和控制报文以及其他报文进行交互，遵循的协议为TCP/IP。

　　融合过程中，高优先级流量的延时为固定值，采用统计复用帧时长最大化的方法。延时能够检测高优先级流量之间的时间差，将其插入最大的1个统计复用包。在这种配置下，1.21μs的时延能够容纳最大长度为1518B的低优先级包，经过这样的设置，高优先级流量可以实现较高的服务质量，包括低延时、无丢包等。4结束语变电站融合通信系统是一种新型技术，利用相应的软件和硬件实现了变电站通信系统的高度融合，基于IEC61850的变电站融合通信系统是本文研究的重点。通过对IEC61850规约的应用，能够实现电力通信网络数据和业务流之间的协调，实现资源的最大化利用。

　　参考文献：

　　[1]刘博.融合通信技术在电力行业的应用研究[J].信息与电脑，2018(6)：148149.

　　[2]王羿，梁蓉，程细海.基于IMS的AMI融合通信网研究[J].电力信息与通信技术，2016，14(2)：5561.

　　[3]蔡昊，曹晶，李沛，等.电力光纤与无线融合通信专网中的基带池资源规划方法研究[J].电力信息与通信技术，2015，13(4)：3034.

　　[4]田靖臣，于俊兵，刘宝柱.基于IP融合通信技术在电力通信网的应用[J].天津电力技术，2011(3)：13.

　　[5]林轩竹.智能配用电网多介质融合通信模式研究[D].保定：华北电力大学，2013.

　　作者：徐羊，刘磊