张文涛 于琦
（锡林郭勒电业局信息通信处 内蒙古自治区锡林郭勒盟锡林浩特市 026000）
摘要：为了满足输变电设备物联网复杂信息流传输需求，提出了一种信息通信网络结构，依照IEC61850 标准测试了通信系统的性能和功能，结果表明：在广播风暴场景中，传统网络近于瘫痪；而在该网络结构和组网实现方案中，广播风暴场景下的网络时延最大87.93 ms，因此在满足IEC61850 标准所规定的时延和带宽要求前提下，比传统方法更有效地保障了重负载网络性能和网络容错能力，满足输变电设备物联网信息采集和处理的通信质量保障需求。
关键词：物联网；输变电设备；信息通信
在智能电网的框架下，智能输变电网建设及其通信支撑被赋予了重要意义，多种智能电网的重要功能体现在智能输变电网中。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段，利用物联网技术，可提高对输变电设备的智能感知和物物互联能力，并充分结合信息通信网络，实现远程数据传输及自治处理、综合判断、智能决策等功能，可以整体地提高电网的技术水平和智能化水平，因此输变电设备物联网建设势在必行，有必要对输变电设备物联网的信息通信网络进行深层次研究。
一、输变电设备物联网信息结构
输变电设备物联网信息结构是在IEC 61850 定义的模型及其接口定义基础上扩展得到的，IEC 61850 标准将变电站内功能层分为站控层、间隔层和过程层。如图。
间隔层与过程层之间通过接口4、5 完成跨层之间的数据交换；分别通过接口8 或3 完成间隔层内部数据交换；通过接口1、6 完成站控层与间隔层之间的数据交换；变电站内的站控层内部通过接口9 实现数据交换；而接口7、10 用于与远程控制、人机接口的数据交换。在输电线路上由于输电线路通信带宽受限，大量监测设备目前仍采用101、104 等轻量级通信规约。
为了实现间隔层信息共享，输变电设备物联网需要将IEC 61850 中的接口3、8 改进为全互联结构，结构中在间隔层间增加了人机接口（HMI）以支持现场巡检等人机交换业务；为了提高过程层采集信息传输通道的可靠性，在通信结构中为采集设备提供了备份的上行传输通道。在传统的在线监测系统中，现场信息采集设备是按照独立的监测对象和地理位置设计。变电站内同一间隔装有不同的在线监测IED 装置、不同间隔之间重复使用相同功能的在线监测IED 装置，进而导致在线监测设备种类和布置数量的不断增加，不利于提升可靠性和降低成本。
二、输变电设备物联网通信网络结构
1、通信接口协议栈。IEC 61850 抽象通信服务接口（ACSI）定义了与实际通信协议无关的通信模型，而ACSI 所描述的服务、对象和参数则通过特定通信服务映射（SCSM）对应到不同的通信应用服务。从通信应用角度（即IEC 61850 协议S 子集）来看，输变电设备物联网信息通信网络接口交互的信息是采集处理设备传输的MMS 报文；而从通信传输网络角度（即IEC 61850 协议T 子集）来看，输变电设备物联网信息通信网络接口交互的信息为通信网络设备传输的IP 报文。为了区分2者，文本分别称之为信息接口和通信接口。
2、输变电设备物联网通信网络，传统变电站通信网络设备只具备完成简单的信息接入与传输管道的功能，主站与终端之间的数据流只是简单的纵向传输，未考虑通信设备和网络功能的差异性。实际建设中只能采用大容量高端通信装置解决通信流带宽与可靠性问题，没有考虑输变电设备物联网带来的全景信息来源广、种类多、海量增长等问题。为了满足输变电设备物联网信息通信的需求[1]，本文提出在变电站采用“接入+汇聚”的分层、分布网络结构以实现物联网通信的可管、可控。接入网实现过程层设备之间以及间隔层与过程层设备之间的互通；汇聚网实现间隔层设备之间以及站控层与间隔层设备之间的互通，并引入了通信流的控制监管功能。与传统的变电站接入网单级结构相比，该结构便于管控通信流。主IED 作为通信网络关口设备（电信网络中无此结构）隔离了通信网络的汇聚网与接入网，将广播风暴限制在过程层内，从而降低了过程层装置对通信网络的冲击。当传输视频业务时不需要主IED 处理，就可直接通过接入交换机透传到汇聚网汇聚层和接入层由不同功能的交换机组成，从而降低设备成本。汇聚交换机的功能为：汇聚接入层的业务流量，进行路由、过滤、流量均衡、优先级管理、组播管理等处理。接入交换机功能为：实现智能传感器的接入认证、端口虚拟局域网（VLAN）标记等功能。
三、组网验证及分析
为了满足在线监测与设备资产管理应用需求，在该变电站中开展组网验证工作，提出的通信网络结构构建了输变电设备在线监测系统。
1、通信网络拓扑及设备选择。为满足输变电设备物联网应用扁平化的要求，通信网络需要具备逻辑网络隔离、终端业务标识、流量控制、数据包监管、过滤、多播、时钟同步、ARP 广播限制和透传、QoS 保障等功能，本设计首次采用了有线与无线双通道异构组网方式，本地网络采用接入交换机加汇聚交换机组成的二级网络结构。变电站过程层IED 及状态监测装置以有线网络为主连接到接入交换机，实现在线监测数据采集，间隔层多个主IED 通过点对多点的拓扑连接至汇聚交换机；备用网络是无线接入访问点和无线站点组成的无线网络，网络拓扑为点对多点，当有线网络发生故障的时，可以自动切换到无线网络，实现可靠性的增加及流量分担。设备选择上，汇聚交换机采用具备BRAS 功能的三层交换机（1000 Mb/s），接入交换机采用以太网交换机（10/100 Mb/s），无线接入点和无线站点采用2.4 GHz WIFI 无线路由器（54 Mb/s）。
2、网络性能分析。通常输变电通信网络带宽为1-2 Mb/s，由于物联网技术的引入，使本地流量急剧上升，所以设定业务层20 Mb/s 为重负荷。IEC61850-5：2003 规约中，测试了单个100 Mb/s 交换机在低负载（<1 Mb/s）时的网络时延为0.04 ms。在此基础上参考IEC61850 规约对其承载网络的通信需求，分别对单节点网络，点对多点树状网络和多点对多点网状网络进行时延、时延抖动的补充测试，分别在多个通信流量冲击某一交换机端口的情况下，为有线网络及有线与无线混合网络时延测试。随着负载增大，网络的时延均增加，其中混合组网时延大于有线网络时延；相比于单节点网络和树状网络而言多点对多点网状网络时延增加幅度最大。当业务层负载为20 Mb/s 时，多点对多点网状网络传输时延最大且为20 ms。通信网络中，时延抖动对通信网络时钟同步影响较大[2]。多组数据测试结果有线网络和无线网络混合组网中的多点对多点通信时延抖动最明显，最大达到约1.1 ms，从数量级上不会影响CAC/CMA 对时误差要求（不超过5 s）。
随着输变电物联网智能终端数量增加，通信设备及其接口的故障概率随之增大，为此需要检测故障情况下通信网络在处理业务流量时的稳定性。在利用ARP 包模拟广播风暴故障产生的场景中进行数据连通性测试，传统网络近于瘫痪，而所提出的组网环境中，网络时延最大87.93 ms，依然满足IEC61850 实时性要求。
结论
1）本文研究物联网技术在输变电设备在线监测和设备资产管理应用中出现的海量数据分布式处理等新需求。
2）提出通信网络解决方案，该方案在传统网络结构中增加汇聚层功能实体，从而实现了通信设备及通信流的有效管控，以解决输变应用系统出现的感知终端的数量增加、地理位置分散以及现场信息处理的分布式数据流传输等通信问题。
3）在验证系统中对通信网络进行功能和性能测试，得出主要参数指标均满足应用系统要求，尤其是在通信流量显著增加条件下实现通信网络稳定工作。
参考文献：
[1] 张军永，朱玉生.智能输电网分析管控系统开发与应用[J].中国电机工程学报，2013，31（21）：50~54.
[2] 王伟，金建新，潘克勤.基于物联网的输变电设备状态监测及其智能化管理研究[J].机电一体化，2013，19（4）：42~46.
[3] 李宏涛，郭光华，栗丽英.EPC 物联网技术在通信网络设备管理中的应用[J].数字技术与应用，2013（2）：41~42.
论文作者:张文涛,于琦
论文发表刊物:《河南电力》2018年16期
论文发表时间:2019/1/24
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