摘要：我国能源需求的提升以及科学技术的进步，对变电站的通信网络提出了更高地要求。本文分析并提出了改进基于IEC61850的智能变电站通信网络实时性能的措施。
关键词：变电站；通信网络；实时特性
引言
随着网络通信技术发展脚步的加快和IEC61850标准的引入，为智能变电站的推行提供了强大的技术支持。但在目前，针对基于IEC61850数字化变电站通信系统实时性与可靠性研究还存在不足。因此，加强对智能变电站通信网络的实时性进行分析具有重大的现实意义。
1.智能变电站通信网络模型
智能变电站是由数字化变电站演变而来的新一代变电站，其网络结构按功能可以分为三层：变电站层、间隔层和过程层。变电站由主机、远动接口等设备构成，主要负责汇总全站数据并且执行对全站的各种控制功能。间隔层由测控、继电保护等二次设备等构成，主要负责汇总本间隔的过程层数据、执行操作闭锁以及一些承上启下的功能。过程层包含合并单元、智能断路器和智能终端等一次设备，主要负责对电压电流等电气量进行采集和执行一些分合闸的功能。与传统变电站的区别主要体现在一次设备实现了智能化，二次设备实现了网络化，并且使用以太网替代了传统电缆进行全站的数据传输，具有高度的信息化水平。而通信网络的实时性对于智能变电站就显得尤为重要，为此，IEC61850定义了一套量化标准，对于智能变电站通信网络的实时性作了十分详尽的规定，将变电站通信网络中的所有报文根据紧急程度的不同分为七类，并分别定义了各类报文的网络延时要求，其中对于快速报文和原始数据报文的实时性要求最高，端到端延时不能超过3ms。
图1 D2－1型智能变电站的网络结构
图2 D2－1型智能变电站总线型、星型和环型通信网络模型
以典型的D2－1型中等配电变电站为例，其网络结构如图1所示，它有两回进线和两个变压器，在低压侧有两条母线和6条出线。因此在对该变电站进行通信网络的组网时将其通信网络分成9个间隔，包含2个变压器间隔，分别是T1，T2，1个母线间隔S1，以及6个馈线间隔，分别是F1～F6。其中每个变压器间隔包含1个合并单元，2个智能断路器和2个保护控制设备；母线间隔包含1个合并单元，1个智能断路器和1个保护控制设备；每个馈线间隔包含1个合并单元，1个智能断路器和2个保护控制设备。网络中的通信介质全部采用100M全双工以太网链路，中央交换机连接着站级监控主机和服务器。在组网时，间隔交换机与中央交换机之间的连接方式有很多种，最普遍的链接方式有总线型、星型和环型结构，将每个间隔内的网络封装为子网，利用OPNET建立的三种拓扑的完整通信网络模型如图2所示。
在总结了许多前人的相关研究文献之后，本文配置以下几种报文用来比较全面地模拟智能变电站通信网络中的数据流。假设仿真时间为30s，每个间隔内的合并单元都向本间隔的保护控制设备以广播的形式周期性发送电压电流采样值报文。网络中所有保护控制设备和智能断路器从5s时开始向变电站层服务器周期性发送设备运行状态信息。馈线间隔F1在10s时发生故障，F1内的保护控制设备向母线间隔内的智能断路器周期性地发送跳闸信号，持续3s。智能断路器在接收到跳闸信号之后，将会向F1内的保护控制设备持续地返回开关动作信息，持续10s。故障发生后，所有保护控制设备向服务器以及服务器向监控主机发送故障录波数据等大型文件，持续5s。其中采样值信息属于原始数据报文，跳闸信号和开关动作信息属于快速报文，这三种报文实时性要求最高，故本文重点观测这三种报文的实时性，并以3ms作为衡量智能变电站通信网络实时性的指标，其余实时性要求不高的报文则可视为背景负载。
2.智能变电站通信网络实时性仿真
图3 F1间隔内的采样值报文的端到端延时对比
分别对星型、总线型和环型三种拓扑结构的通信网络进行仿真并对比其实时性，即可从实时性角度选出最适合案例变电站的通信网络拓扑结构。图3为三种网络拓扑的馈线间隔F1内的采样值报文端到端延时对比，观察发现星型网络中F1间隔内的采样值报文平均端到端延时约为0．094ms且相对稳定，总线型网络和环型网络中该报文平均端到端延时约为0．101ms和0．086ms，并且在故障发生后产生持续5s左右高达30%的网络延时抖动，这是由于故障发生后有大量数据流在间隔交换机之间的公用链路上传输。可以发现三种网络拓扑的采样值报文延时都远远低于3ms的原始数据报文的实时性指标。
图4 跳闸信号报文的端到端延时对比
图4为三种网络拓扑的跳闸信号报文的端到端延时对比。星型网络的跳闸信号报文平均端到端延时最低且最稳定，为0．032ms，环型网络约为0．049ms，总线型网络则达到0．178ms，但三种网络拓扑的平均延时都远远满足3ms的实时性要求。
图5是三种网络拓扑的开关动作信息报文的端到端延时对比，环型网络中开关动作信息报文平均端到端延时最低，约为0．044ms。星型网络该报文延时约为0．082ms，其原因是此环型网络中该报文无需经过中央交换机，直接从S1间隔发送到F1间隔，省去了通过中央交换机的接收、转发时延。总线型网络中该报文的传输则需经过网络中所有交换机，因此导致延时最高且抖动最大，平均值达到0．180ms，但三种拓扑结构的网络中该报文的平均端到端时延也都满足3ms的实时性要求。
图5 开关动作信息报文的端到端延时对比
综上所述，基于100M交换式以太网的总线型网络、星型网络和环型网络都远远满足IEC61850对于智能变电站通信网络的实时性要求。其中：星型网络提供了相对较低并且最稳定的平均端到端延时，适合实时性要求较高的变电站；环型网络和总线型网络由于具有较多的交换机公用链路，在发生故障时由于带宽拥塞将会引起整个网络产生较大的延时抖动，但环型网络提供了较高的可靠性，环路中任意一条链路发生故障都不会影响该通信网络的正常运行，适合可靠性要求较高的变电站；总线型网络延时高、抖动大、可靠性低，不适用于变电站通信网络。
3.智能变电站通信网络实时性优化方案
以上仿真并没有考虑大规模的采样值报文在全网范围内泛滥而占用大量网络带宽对网络性能造成的影响。图6是星型网络中服务器与中央交换机之间的链路利用率，从图中可以看出该以太网链路平均利用率达到了50%以上，故障发生后甚至达到了70%以上。研究表明，当链路利用率平均值达到40%以上或者有短时间持续达到70%以上时，网络性能就会急剧下降。导致延时增加和数据丢失等一系列严重问题。那么为了控制数据流量，合理调配网络资源，提高网络实时性，可以采用虚拟局域网技术以及为报文增加优先级标签的方法来优化通信网络。采用优化方案后，链路利用率平均值从50%以上降低到10%以下，发生故障后的持续峰值也从70%以上降低到25%以下，属于以太网链路利用率的正常范围。
图6 优化前后星型网络中服务器到中央交换机的链路利用率对比
图7为采用优化方案前后F1间隔内采样值报文与开关动作信息报文的端到端延时对比，可以看出采用优化方案后，采样值报文的平均端到端延时降低了70%以上，实时性的提高效果十分显著。开关动作信息报文优化效果也很明显，端到端延时降低了45%左右，而跳闸信号报文的端到端延时前后变化不大，如图8所示。这是由于跳闸信号报文的数据流相比于其他报文的数据流十分渺小，并且途经的链路网络带宽资源又比较充足，所以该报文的缓冲队列很短，不存在拥塞现象，因此导致优化效果不明显。
图7 优化前后F1间隔内采样值报文
与开关动作信息报文的端到端延时对比
综上所述，采用虚拟局域网和报文优先级技术的网络优化方案确实能够显著提高D2－1型智能变电站通信网络的性能。通过合理配置虚拟局域网，可以避免采样值广播报文在网络中的泛滥，从而节省大量的网络带宽，有效降低链路利用率，降低了网络拥塞发生的风险，同时也一定程度上保障了网络信息安全。而根据报文重要程度为其设置恰当的优先级标签，可以使得在发生故障等引起网络资源紧张的情况下，实时性要求比较高的重要报文的传输不会被次要报文耽误，在网络中优先发送和接收，并且优先通过交换机，起到了合理配置网络资源的作用，从而有效降低了采样值报文、开关动作信息报文等数据流量较大的重要报文的端到端延时，提高了网络的实时性。对跳闸信号报文等数据流较小的报文则没有起到明显的实时性优化作用。
图8优化前后跳闸信号报文的端到端延时对比
4.结束语
综上所述，本文以D2－1型中等配电智能变电站作为研究对象，利用OPNET仿真软件，从不同报文的角度分析对比了三种通信网络拓扑的实时性。并基于仿真结果提出了网络优化方案，有效提升了智能变电站的通信网络实时性。
参考文献：
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论文作者:陆位宁
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
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