0引言

隨著計算機和通信技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)變電站逐步演變?yōu)?a href="/tags/智能變電站" target="_blank">智能變電站, 自動化和智能化程度不斷提高。作為電力系統(tǒng)的核心節(jié)點和重要組成部分,智能變電站承擔著開關(guān)、變壓、監(jiān)控、計量和保護功能,負責(zé)為消費者提供安全、高效和可靠的電力分配[1—2]。相對于傳統(tǒng)變電站信號輸入與輸出的“單向信號驅(qū)動控制”模式,智能變電站實現(xiàn)了“基于網(wǎng)絡(luò)信息控制”模式,更加注重系統(tǒng)拓撲間的多元耦合[3],其監(jiān)控后臺系統(tǒng)需要處理海量數(shù)據(jù)流,包括設(shè)備狀態(tài)信息、故障信號、保護動作命令等,對通信網(wǎng)絡(luò)的實時性、可靠性和安全性提出了極高的要求。在此背景下,不少學(xué)者開展了智能變電站監(jiān)控后臺系統(tǒng)的設(shè)計研究,實現(xiàn)了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的基本要求,通過系統(tǒng)集成完成信息的輸入、存儲和輸出,實現(xiàn)操作、控制、監(jiān)視、分析和管理等功能[4—5]。然而,當前智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)由于采用分層獨立的通信架構(gòu),存在子系統(tǒng)相互獨立、數(shù)據(jù)延遲高、網(wǎng)絡(luò)擁塞、跨層交互效率低等問題,難以滿足智能變電站的高性能需求[6]。特別是在故障發(fā)生時,若關(guān)鍵保護信號未能及時傳輸,可能導(dǎo)致保護裝置誤動或拒動,威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。因此,優(yōu)化智能變電站監(jiān)控后臺的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),并設(shè)計高效的實時數(shù)據(jù)流調(diào)度策略,成為當前研究的關(guān)鍵問題。本研究對智能變電站監(jiān)控后臺的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,并提出實時數(shù)據(jù)流調(diào)度策略,最后通過陽江市某220 kv智能變電站進行試驗驗證,優(yōu)化效果顯著,可為未來智能變電站的通信架構(gòu)設(shè)計提供參考,并支持更高級別的自動化應(yīng)用。

1 三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1.1 典型智能變電站監(jiān)控后臺架構(gòu)

智能變電站監(jiān)控后臺系統(tǒng)的核心在于其清晰的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(圖1),該架構(gòu)嚴格遵循IEC 61850標準,具有面向?qū)ο蠼?、抽象通信服?wù)接口、面向?qū)崟r的服務(wù)、配置語言、整個電力系統(tǒng)統(tǒng)一建模等特點。通過結(jié)構(gòu)分層(功能→數(shù)據(jù)→通信)實現(xiàn)信息共享,從而使交互操作性與系統(tǒng)可靠性得以大幅提升,是變電站自動化、智能化運行的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。每一層具有明確的功能定位、設(shè)備組成,層間通過高速工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)標準化通信,共同構(gòu)建了一個高效、可靠、實時性強的信息采集、處理、傳輸與執(zhí)行閉環(huán)體系,支撐著變電站從傳統(tǒng)人工監(jiān)控向智能自主決策的演進。

1)站控層(監(jiān)控與決策中樞)。站控層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成智能變電站的頂層管理框架,集成了監(jiān)控操作設(shè)備與數(shù)據(jù)處理通信設(shè)備兩大核心模塊。監(jiān)控操作設(shè)備包括監(jiān)控后臺主機(運行SCADA/EMS系統(tǒng),集成實時數(shù)據(jù)庫與圖形化界面,實現(xiàn)全站設(shè)備狀態(tài)可視化、告警管理、歷史曲線查詢和操作票生成)、操作員工作站(提供人機交互接口,執(zhí)行遙控分合閘、定值修改、壓板投退等操作,具備操作權(quán)限分級與操作過程記錄功能)和工程師站(用于系統(tǒng)配置、程序下裝、故障診斷和網(wǎng)絡(luò)報文分析);數(shù)據(jù)處理與通信設(shè)備則涵蓋數(shù)據(jù)服務(wù)器、高級應(yīng)用服務(wù)器和遠動通信裝置。

2)間隔層(保護控制的執(zhí)行樞紐)。間隔層作為承上啟下的關(guān)鍵層級,以分布式架構(gòu)部署于各電氣間隔,通過交換機互聯(lián)設(shè)備,可分為保護控制設(shè)備、監(jiān)測與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。保護控制設(shè)備包括保護裝置(實現(xiàn)差動/距離等主保護)和測控裝置(采集本間隔電氣量、執(zhí)行遙控和閉鎖邏輯);監(jiān)測與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備涵蓋故障錄波器(記錄故障波形)、電能計量裝置和間隔層交換機(用于構(gòu)建本地網(wǎng)絡(luò)骨架)。

3)過程層(實時數(shù)據(jù)的采集與執(zhí)行通道)。過程層作為三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的最底層,是實現(xiàn)“一次設(shè)備數(shù)字化”的核心基礎(chǔ)。該層是直接面向電力一次設(shè)備進行實時數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行控制命令的關(guān)鍵環(huán)節(jié),是數(shù)字化、智能化在設(shè)備接口層面的具體體現(xiàn),構(gòu)成了整個自動化系統(tǒng)的感知神經(jīng)末梢與執(zhí)行終端,分為現(xiàn)場感知設(shè)備和實時通信設(shè)備?，F(xiàn)場感知設(shè)備包括合并單元MU(同步采集電流/電壓信號,打包SV報文)和智能終端IT(執(zhí)行跳合閘命令);實時通信設(shè)備則依托過程層交換機構(gòu)建低時延通道。

4)跨層實時數(shù)據(jù)流協(xié)同(分層閉環(huán)的信息交互體系)。智能變電站的數(shù)據(jù)流嚴格遵循“過程層采集→間隔層處理→站控層決策→反向控制”的閉環(huán)邏輯,通過上行采集流、下行控制流和全局同步流三類核心流向數(shù)據(jù)實現(xiàn)跨層協(xié)同。上行采集流中,過程層合并單元(MU)生成的C流(SV采樣值)直達間隔層保護裝置,實現(xiàn)“直采直跳”;間隔層聚合數(shù)據(jù)后通過B流(測量值、狀態(tài)/告警等)上傳站控層監(jiān)控系統(tǒng)。下行控制流中,站控層和間隔層下發(fā)的D流(MMS/GOOSE控制命令)直達過程層IT執(zhí)行分合閘操作。A流(狀態(tài)變化/事件,例如開關(guān)變位、異常告警等)和E流(定值參數(shù)流,保護定值、測量定值、控制定值等)則實現(xiàn)層與層的整定與同步。全局同步流依賴PTP時間同步,保障全站時鐘同步精度。

1.2網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)協(xié)同優(yōu)化

為解決當前智能變電站監(jiān)控后臺分層獨立的通信架構(gòu)存在的問題,對三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行協(xié)同優(yōu)化。

站控層作為智能變電站的監(jiān)控與決策中樞,其工作效率直接影響系統(tǒng)整體運行效能,通過“數(shù)據(jù)輕量化—資源彈性化—協(xié)議專用化”打造高效中樞。采用智能數(shù)據(jù)聚合與壓縮技術(shù),對監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生的海量信息進行特征提取與冗余消除,顯著減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力。實施動態(tài)負載均衡機制,依據(jù)實時計算資源狀態(tài)自動分配任務(wù)優(yōu)先級,結(jié)合高可用集群設(shè)計確保關(guān)鍵服務(wù)持續(xù)穩(wěn)定運行。同步推進通信協(xié)議升級,融合制造報文規(guī)范與面向通用對象的變電站事件協(xié)議,劃分專用通信通道隔離管理指令與實時事件流,既保障非實時配置操作的可靠性,又實現(xiàn)毫秒級事件的高效傳輸。最終構(gòu)建起數(shù)據(jù)輕量化處理、資源彈性化調(diào)度、協(xié)議差異化適配的三維協(xié)同體系,使站控層從被動監(jiān)控轉(zhuǎn)向主動智能調(diào)度。

間隔層聚焦就地化保護與控制功能的實時性強化,建立多層次優(yōu)化架構(gòu)。部署智能數(shù)據(jù)緩存系統(tǒng)于合并單元和保護裝置側(cè),通過分層存儲策略減少跨層數(shù)據(jù)交互頻次,輔以精密時間同步機制保障緩存一致性。創(chuàng)新設(shè)計傳輸優(yōu)先級模型,依據(jù)數(shù)據(jù)關(guān)鍵程度劃分差異化處理等級,在交換設(shè)備中配置專用轉(zhuǎn)發(fā)通道,確保保護類信號絕對優(yōu)先通行。構(gòu)建異構(gòu)冗余通信網(wǎng)絡(luò),采用互補型物理介質(zhì)組成雙通道架構(gòu),集成智能路徑監(jiān)測與快速自愈功能,當主通道異常時無縫切換至備用鏈路。該體系以本地化快速響應(yīng)為根基,關(guān)鍵數(shù)據(jù)零延遲傳輸為核心,雙網(wǎng)冗余容錯為保障,全面實現(xiàn)間隔層確定性實時控制能力躍升。

過程層直面電力一次設(shè)備,著力突破采樣、傳輸與處理的性能瓶頸。革新采樣值同步機制,融合高精度時鐘源與信號處理技術(shù),有效抑制數(shù)據(jù)采集過程中的時序偏差。深度優(yōu)化交換網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),啟用極簡轉(zhuǎn)發(fā)模式并精簡控制協(xié)議,通過流量整形與緩沖區(qū)管控策略最大限度削減傳輸環(huán)節(jié)時延。引入硬件級加速方案,在智能終端嵌入可編程邏輯器件實現(xiàn)報文透傳處理,借助數(shù)字信號處理器執(zhí)行復(fù)雜運算,將傳統(tǒng)軟件處理流程轉(zhuǎn)化為硬件直通操作。這套以微秒級同步采樣為起點、納秒級硬件加速為終端的優(yōu)化鏈條,使過程層達到硬實時性能標準,為上層系統(tǒng)提供高可信數(shù)據(jù)基石。

通過系統(tǒng)優(yōu)化,過程層高精度采樣為間隔層提供可信數(shù)據(jù)源,間隔層優(yōu)先級調(diào)度保障站控層指令直達,站控層資源分配策略反向優(yōu)化過程層硬件負載,實現(xiàn)全鏈路效率提升。

2 實時數(shù)據(jù)流調(diào)度策略與優(yōu)化成效分析

2.1 實時數(shù)據(jù)流調(diào)度策略

在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上,采用分級處理—動態(tài)調(diào)配機制,實現(xiàn)變電站數(shù)據(jù)的高效傳輸管控(圖2)。

為合理分配數(shù)據(jù)傳輸帶寬資源,對系統(tǒng)數(shù)據(jù)流進行分類和優(yōu)先級劃分。根據(jù)安全等級與時效性要求,將變電站通信數(shù)據(jù)劃分為三級:關(guān)鍵數(shù)據(jù)流承載保護動作信號、跳閘命令等直接關(guān)聯(lián)電網(wǎng)物理安全的指令,任何延遲或中斷均可能引發(fā)設(shè)備損毀乃至系統(tǒng)崩潰,需快速確定性傳輸,享有最高優(yōu)先級與網(wǎng)絡(luò)獨占權(quán);準實時數(shù)據(jù)流允許可控延遲,例如電氣測量值、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等運行分析基礎(chǔ)信息,允許在預(yù)設(shè)時間內(nèi)完成傳遞,通過流量整形保障數(shù)據(jù)完整性,但需嚴格限制最大延遲閾值以維持系統(tǒng)可視性;非實時數(shù)據(jù)流(日志/配置信息等)完全服從帶寬動態(tài)調(diào)配機制,僅當網(wǎng)絡(luò)空閑時利用碎片資源傳輸,其進程可被高優(yōu)先級數(shù)據(jù)流實時搶占。

根據(jù)數(shù)據(jù)分級標準,一方面實行數(shù)據(jù)流差異化帶寬分配:關(guān)鍵數(shù)據(jù)流分配70%帶寬、準實時數(shù)據(jù)流分配25%帶寬、非實時數(shù)據(jù)流分配5%帶寬;另一方面利用Qos策略引擎動態(tài)監(jiān)測三類數(shù)據(jù)流負載狀態(tài),依據(jù)預(yù)設(shè)比例實時調(diào)整帶寬配額,確保關(guān)鍵指令快速有效直達執(zhí)行端。同時,實行“需求驅(qū)動—彈性伸縮”的帶寬資源供給體系,當監(jiān)測到高級別數(shù)據(jù)負載大時,合理壓縮低級別數(shù)據(jù)帶寬資源,既能保障關(guān)鍵數(shù)據(jù)低延時傳輸,又能最大化網(wǎng)絡(luò)利用率,實現(xiàn)緊急指令與常規(guī)業(yè)務(wù)合理共生。

2.2優(yōu)化成效分析

為了分析智能變電站三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化與實時數(shù)據(jù)流調(diào)度策略成效,對陽江市某220 kv智能變電站監(jiān)控后臺系統(tǒng)進行優(yōu)化改造,分析其優(yōu)化效果(表1)。結(jié)果表明,優(yōu)化后系統(tǒng)在實時性(延遲降幅85%)、可靠性(保護指令成功率從93.5%提升至99.9%)、精度(采樣同步誤差降至優(yōu)化前的0.5%)等維度均實現(xiàn)突破性提升,為智能變電站的安全高效運行奠定了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

當前智能變電站監(jiān)控后臺系統(tǒng)采用分層獨立的通信架構(gòu),存在子系統(tǒng)相互獨立、數(shù)據(jù)延遲高、網(wǎng)絡(luò)擁塞、跨層交互效率低等問題,難以滿足智能變電站的高性能需求。本文系統(tǒng)分析了典型智能變電站監(jiān)控后臺三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及站控層、間隔層、過程層的組成和核心功能,并闡釋了各層實時數(shù)據(jù)流協(xié)同模式,提出了“網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化+實時數(shù)據(jù)流調(diào)度”的改進策略。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化層面,站控層通過“數(shù)據(jù)輕量化—資源彈性化—協(xié)議專用化”打造高效中樞,間隔層聚焦就地化實時控制,過程層攻堅硬實時性能;實時數(shù)據(jù)流調(diào)度層面,采用分級處理—動態(tài)調(diào)配機制,根據(jù)安全等級與時效性要求對數(shù)據(jù)進行分級,實行差異化帶寬分配和數(shù)據(jù)流負載狀態(tài)監(jiān)測,通過“需求驅(qū)動—彈性伸縮”的帶寬資源供給體系,在保障關(guān)鍵數(shù)據(jù)低延時傳輸?shù)幕疽笙?又能最大化網(wǎng)絡(luò)利用率,實現(xiàn)緊急指令與常規(guī)業(yè)務(wù)合理共生。最后,對陽江市某220 kv智能變電站監(jiān)控后臺系統(tǒng)進行“網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化+實時數(shù)據(jù)流調(diào)度”改造實踐,結(jié)果表明,優(yōu)化后系統(tǒng)在實時性、可靠性、精度等維度均實現(xiàn)突破性提升,為智能變電站的安全高效運行奠定了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

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《機電信息》2025年第19期第6篇