戚宇林，劉文穎，楊以涵，及洪泉
（華北電力大學(xué)，河北省 保定市 071003）
ENSURING POWER SYSTEM SECURITY BY NETWORKING TRANSMISSION OF
ELECTRIC POWER INFORMATION
QI Yu-lin，LIU Wen-ying，YANG Yi-han，JI Hong-quan
（North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei Province，China）
ABSTRACT: Electric power information consists of remote-control data, protection data and recorded fault data. The networking transmission of information is a kind of high-speed communication based on TCP/IP protocol. According to the practical situation of dispatching decision making supporting system for Lanzhou power supply company and from the viewpoint of ensuring power system security, the transmission modes of electric power information are analyzed, the relevant design approach and technological scheme of power information transmission network are presented and the assessment of its performance is given.
KEYWORDS: Electric power information network；Accessment of performance；Remote-control；Data communication
摘 要：電力信息包括遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)、保護(hù)數(shù)據(jù)以及故障錄波數(shù)據(jù)等。網(wǎng)絡(luò)化傳輸是基于TCP/IP技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的高速通信。作者結(jié)合蘭州供電公司調(diào)度決策支持系統(tǒng)的實(shí)際情況，從保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的要求出發(fā)，分析了電力信息的傳輸模式，給出了電力系統(tǒng)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)方案。最后給出了電力信息傳輸網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)。
關(guān)鍵詞：電力信息網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)；遠(yuǎn)動(dòng)；數(shù)據(jù)通信
1 引言
在信息化時(shí)代的今天，電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行離不開(kāi)現(xiàn)代化的電力信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。電力信息或電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸已經(jīng)超出了目前遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的范疇。常規(guī)遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)必將被融合計(jì)算機(jī)、保護(hù)、控制、網(wǎng)絡(luò)、通信等技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò)化電力信息傳輸系統(tǒng)所代替，并終將打破現(xiàn)行的專(zhuān)業(yè)分工，引起遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一場(chǎng)革命[1]。
當(dāng)然，電力信息網(wǎng)絡(luò)也存在安全問(wèn)題。但在當(dāng)前情況下，相對(duì)于電力系統(tǒng)本身的安全性而言，它的預(yù)防要容易一些。在2003年發(fā)生的“9.28”意大利大停電、“9.23”瑞典-丹麥大停電和“8.14”美加大停電都不是因?yàn)椤昂诳汀惫?a class="channel_keylink" href="/search.asp">互聯(lián)網(wǎng)而造成的[2]。
但是，連接每個(gè)變電站的電力信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)不是一朝一夕能完成的，需要大量投入人力物力。事實(shí)上，電力系統(tǒng)的安全可靠性和良好的經(jīng)濟(jì)效益是一對(duì)古老的矛盾。就電力信息網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，要解決好這一矛盾必須分兩步走：近期目標(biāo)和長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。本文主要研究電力信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的近期目標(biāo)。即在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上或增加少量設(shè)備來(lái)組建電力信息網(wǎng)絡(luò)。
電力信息網(wǎng)是連接所有變電站及調(diào)度中心的，以傳輸遠(yuǎn)動(dòng)、保護(hù)、故障錄波、語(yǔ)音、圖像等數(shù)據(jù)為目的的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
按照這樣的定義，我國(guó)電力信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)還處于初級(jí)階段，其特點(diǎn)是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道傳輸為主。顯然并沒(méi)有形成真正意義上的電力信息網(wǎng)絡(luò)。
2 電力信息采集方案
2.1 非綜合自動(dòng)化變電站的信息采集
非綜合自動(dòng)化變電站的特點(diǎn)是RTU所采集的數(shù)據(jù)量少，數(shù)據(jù)不全，不能滿(mǎn)足調(diào)度決策系統(tǒng)的要求，與電力信息網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的功能不匹配。因此需要增添信息采集設(shè)備。
非綜合自動(dòng)化變電站信息的采集如圖1所示。其中，信息采集服務(wù)器由工控機(jī)和多路串行通信卡組成，軟件在Windows環(huán)境下用VC++語(yǔ)言完成；路由器分兩種情況。對(duì)于星形網(wǎng)，路由器可由100M-2M接口轉(zhuǎn)換器代替，以節(jié)省投資。對(duì)于環(huán)形網(wǎng)，需要性能良好的路由器；通信網(wǎng)是指本文設(shè)計(jì)的星形網(wǎng)或環(huán)形網(wǎng)。
通信規(guī)約分兩種情況考慮。從保護(hù)設(shè)備、故障錄波設(shè)備和RTU至信息采集服務(wù)器的通信規(guī)約采用設(shè)備中已經(jīng)運(yùn)行的規(guī)約；從數(shù)據(jù)采集服務(wù)器至調(diào)度中心的通信規(guī)約可以選擇。這里用IEC61850規(guī)約。數(shù)據(jù)在TCP/IP的應(yīng)用層傳輸，從而實(shí)現(xiàn)電力信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸。
2.2 綜合自動(dòng)化變電站的信息采集
綜合自動(dòng)化變電站的特點(diǎn)是總控管理機(jī)已經(jīng)對(duì)電力信息進(jìn)行了比較全面的采集，因此對(duì)于這類(lèi)變電站只要接收總控管理機(jī)送給后臺(tái)機(jī)的信息即可。對(duì)于綜合自動(dòng)化變電站的信息采集應(yīng)分兩種情況考慮：一是具備以太網(wǎng)、LonWorks網(wǎng)或CAN網(wǎng)的綜合自動(dòng)化變電站；二是總控管理機(jī)至后臺(tái)機(jī)只有普通串口的綜合自動(dòng)化變電站。其數(shù)據(jù)采集方案如圖2所示。圖2中，總控管理機(jī)至信息采集服務(wù)器的接口可能是以太網(wǎng)、LonWorks網(wǎng)或CAN網(wǎng)接口，也可能是RS232接口。
2.3 已經(jīng)具備數(shù)據(jù)采集設(shè)備的變電站
已經(jīng)具備數(shù)據(jù)采集設(shè)備的變電站并不多，如蘭州只有三座變電站具備數(shù)據(jù)采集設(shè)備，該數(shù)據(jù)采集設(shè)備的型號(hào)是POFIS100。這些數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)保護(hù)、故障錄波、RTU的數(shù)據(jù)已經(jīng)采集的得非常全面，其總輸出為RS232接口。對(duì)于這類(lèi)變電站的信息采集只需在變電站內(nèi)直接接收POFI100的輸出數(shù)據(jù)即可。如圖3所示。
3 電力信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案
3.1 概述
某座城市中，覆蓋所有變電站的電力信息網(wǎng)絡(luò)的直徑大于200kM。因此，按網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型的地理分類(lèi)法，電力信息網(wǎng)應(yīng)屬于廣域網(wǎng)（WAN）[3]。
電力信息網(wǎng)近期能夠?qū)崿F(xiàn)的目標(biāo)是具有2Mb/s傳輸速率的廣域網(wǎng)。目前，電力系統(tǒng)通信的主干網(wǎng)絡(luò)是光纖通信。經(jīng)過(guò)大量細(xì)致的調(diào)研，包括與光終端設(shè)備的生產(chǎn)廠家的共同論證，證明了電力信息網(wǎng)絡(luò)幾乎不可能采用總線式結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)橹鞲晒饫w通信系統(tǒng)都是環(huán)形結(jié)構(gòu)，不支持總線式通信方式。當(dāng)然，由于光纖通信系統(tǒng)采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，電力信息網(wǎng)也不可能采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)。因此，電力信息網(wǎng)只能考慮星形和環(huán)形結(jié)構(gòu)相結(jié)合的折中方案。
3.2 星形網(wǎng)設(shè)計(jì)方案
在星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，每座變電站與調(diào)度中心之間都分配一條2M的光纖通道，但并非所有的變電站都具備這樣的條件。在我國(guó)大城市，能分配出2M通道的變電站也只占20%。而中小城市只占10%。以蘭州供電公司為例，能組建成2M星形的變電站共有9座，如圖4所示。星形網(wǎng)的變電站端需要接口轉(zhuǎn)換器，將2M同軸接口轉(zhuǎn)換為100M的RJ45接口。在調(diào)度中心用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)接收星形網(wǎng)信號(hào)。
有些變電站既不能納入2M星形網(wǎng)，也不能納入環(huán)形網(wǎng)，因?yàn)檫@些變電站沒(méi)有高速通道。對(duì)于這些變電站至少應(yīng)提供一條64kb/s的數(shù)字通道，以便納入星形網(wǎng)絡(luò)。
3.3 環(huán)形網(wǎng)設(shè)計(jì)方案
能被納入環(huán)形網(wǎng)的變電站是那些不能直接提供2M通道，而又在光纖通信網(wǎng)環(huán)上的變電站。在這些變電站中，按地理分布間隔地取出若干組成令牌環(huán)網(wǎng)。以蘭州供電公司為例，能組建成2M環(huán)形的變電站有很多。環(huán)內(nèi)的變電站數(shù)量要根據(jù)實(shí)際情況而定。一般的原則是：將環(huán)內(nèi)能提供的2M通道數(shù)與通信質(zhì)量進(jìn)行折中。如蘭州供電公司在東環(huán)網(wǎng)能提供兩個(gè)2M通道，而環(huán)內(nèi)有14座變電站需要進(jìn)入電力信息網(wǎng)，因此在東環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)兩個(gè)令牌環(huán)網(wǎng)。如圖5和圖6所示。
令牌環(huán)網(wǎng)中的變電站端和調(diào)度中心都需要一臺(tái)令牌環(huán)網(wǎng)的路由器。路由器的配置應(yīng)具備兩個(gè)2M接口和至少一個(gè)RJ45接口。由于若干座變電站共用一個(gè)2M通道，因此環(huán)形網(wǎng)通信質(zhì)量要低于星形網(wǎng)。主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的延遲上。不過(guò)組建環(huán)形網(wǎng)絡(luò)是折中的方案，它比其它方式的獨(dú)立通道的通信質(zhì)量要好得多。
4 電力信息網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)價(jià)
4.1 星形網(wǎng)性能評(píng)價(jià)
星形網(wǎng)的傳輸延遲由3部分組成：變電站端數(shù)據(jù)包排隊(duì)等待時(shí)間t1、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間t2和調(diào)度中心排隊(duì)等待時(shí)間t3。
設(shè)：某座變電站的數(shù)據(jù)包生成率為l包/s，每個(gè)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度為L(zhǎng)bit/包（數(shù)據(jù)包不等長(zhǎng)時(shí)取平均值)，通道容量為cbit/s，則
變電站端數(shù)據(jù)包排隊(duì)等待時(shí)間為[4]
式中 tp為數(shù)據(jù)傳播時(shí)間。
當(dāng)調(diào)度中心的網(wǎng)絡(luò)速度為ccbit/s ，星形網(wǎng)內(nèi)變電站數(shù)量為n 時(shí)，有
網(wǎng)絡(luò)服務(wù)率（單位為包/s）為
則調(diào)度中心排隊(duì)等待時(shí)間為
根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，變電站的數(shù)據(jù)包生成率λ一般小于20包/s，每包長(zhǎng)度L小于1500bit/包，星形網(wǎng)通道容量cc=2Mbit/s中心站網(wǎng)絡(luò)速度cc= 100Mbit/s，光纖傳播速度為5μs/km，網(wǎng)絡(luò)半徑為100kM，變電站數(shù)小于100座。所以τ1<10μs，τ2<1.2μs，τ3<60μs，最后星形網(wǎng)的總延遲小于1.3ms。完全能滿(mǎn)足電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求。
4.2 環(huán)形網(wǎng)性能評(píng)價(jià)
環(huán)形網(wǎng)的傳輸延遲由3部分組成：變電站端數(shù)據(jù)包排隊(duì)等待時(shí)間τ1、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間τi和調(diào)度中心排隊(duì)等待時(shí)間τ3。
其中τ1和τ3的的分析方法同4.1節(jié)。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間τi由4部分組成：報(bào)文時(shí)寬τi1 、報(bào)文傳播時(shí)間τib、工作站延遲τid和令牌通過(guò)工作站時(shí)的延遲τik。顯然，當(dāng)每座變電站的數(shù)據(jù)包生成率為λi時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定條件是
式中 N是環(huán)內(nèi)變電站數(shù)量。
當(dāng)τi1＜τib+τid，即報(bào)文時(shí)寬小于報(bào)文傳播時(shí)間與工作站延遲之和時(shí)，則數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間τi為常數(shù)D，即
當(dāng)τi1＞τib+τid時(shí)，即報(bào)文時(shí)寬大于報(bào)文傳播時(shí)間與工作站延遲之和。則數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間τi為
根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，光纖傳播速度為5μs/km，網(wǎng)絡(luò)半徑為100Km ，環(huán)內(nèi)變電站數(shù)小于10座，報(bào)文傳播時(shí)間τib<2π×100×5=3.14ms, 工作站延遲τid<2ms, 令牌通過(guò)工作站時(shí)的延遲τik<2ms，報(bào)文時(shí)寬τi1<0.75ms。由4.1節(jié)的結(jié)論，有τ1<10μs，τ3<60μs。
最后環(huán)形網(wǎng)的總延遲小于43.1ms。基本能滿(mǎn)足電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求。
5 結(jié)論
電力信息網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案是在按重要、主要、次要將變電站分層，并充分考慮了現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的容量和可行性的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。如在通道容量允許的情況下采用2M星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而在通道容量緊張的地區(qū)則采用令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)方式或64K星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過(guò)論證，得出了星形網(wǎng)和環(huán)形網(wǎng)都能滿(mǎn)足電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸要求的重要結(jié)論。否定了在電力系統(tǒng)中應(yīng)用總線網(wǎng)和樹(shù)形網(wǎng)的可能性。該系統(tǒng)的建成不僅可以滿(mǎn)足決策支持系統(tǒng)的需求，作為2M的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，還可以支持其它網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享。
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