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智能变电站通信网络可靠性研究.pdf

智能变电站通信网络可靠性研究

cwhawk
2012-02-05 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《智能变电站通信网络可靠性研究pdf》,可适用于工程科技领域

胡长金讲师关键词Keywords智能变电站·工业以太网·可靠度·平均无故障运行时间·通信网络·电力系统|PowerSystem·电力电气·年第卷第期智能变电站通信网络可靠性研究智能变电站建设对通信系统的可靠性提出了更高的要求。本文依照电子产品可靠度的一般分析方法得出了变电站内单环形网、单星形网和双星形网的可靠度及平均无故障运行时间的计算公式。计算结果表明环形网络结构的可靠度优于星形。为提高变电站通信网络的可靠性宜选用性能优良的标准工业以太网交换机尽量减少交换机台数缩短信息传输距离合理划分VLAN并采取有效措施抑制广播风暴。胡长金陕西省地方电力(集团)有限公司智能变电站是利用现代传感技术和先进通信信息技术通过变电站数据全息共享实现变电站继电保护、故障录波、测量、控制、计量和监视等基本功能并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动及高级继电保护等高级功能的变电站[]达到提高供电安全可靠性、提高变电站资产利用率之目的。智能变电站区别于传统变电站的显著特征是:①应用非常规互感器替代常规互感器使测量量数字化便于通信传输。②应用工业以太网取代现场总线真正实现变电站内互操作甚至实现站间互操作。③利用光缆取代二次电缆使得二次回路大为简化避免了电缆带来的电磁干扰、传输过电压等问题且使用通信校验和自校验技术可提高信息的可靠性[]。④实现IEC标准对一、二次设备进行统一建模变电站内及变电站与控制中心之间实现了无缝连接从而简化系统维护、配置和工程实施。可见智能变电站技术进步主要体现在通信信息技术的现代化其任何功能的实现(例如继电保护、控制及计量等)都离不开通信为保证变电站内设备安全乃至整个系统的安全稳定性要求变电站站内通信系统具备很高的可靠性而通信网络拓扑结构是影响通信可靠性的重要因素之一。变电站站内通信网络主要有星形、双星形、环形三种结构本文基于电子产品可靠度的分析方法推导出了这三种通信网络结构可靠度及平均无故障运行时间(MTBF)的计算公式比较了这三种网络通信结构的可靠性并提出了提高变电站通信网络可靠性的技术措施。智能变电站通信网络结构按照相关标准的要求智能变电站二次系统宜采用开放的分层分布式结构由站控层、间隔层和过程层构成。作为已经被变电站自动化领域广泛使用的一种通信手段工业以太网成为了IEC标准推荐的模式考虑到站控层设备一般不需要直接和过程层设备通信从变电站逻辑拓扑结构上分析在三层设备之间需要有两层以太网来实现连接即连接站控层和间隔层的站控层网络以及连接间隔层和过程层的过程层网络构成智能变电站三层两网的结构如图所示。图智能变电站通信网络结构智能变电站通信网络可靠性研究PowerSystem|电力系统wwweagecomcn年月上·电力电气·网络拓扑形式与可靠性分析一般地智能变电站通信网络的组态形式有环形和星形两种如图、图所示。对于站控层网络国外采用单环网较多国内采用单双星形网较多。从图、图中可以看出单环形拓扑网络和单星形拓扑网络的主要区别有两点:一是星形网络有核心交换机二是星形网络中连接智能电子设备(IED)的交换机之间不连接。因此在星形网络中所有间隔层IED与站控层设备及其他IED之间的信息交换都通过核心交换机转发单环形网络中间隔层IED设备与站控层设备及其他IED之间的信息交互依靠快速生成树协议(RSTP)寻找最短路径实现同时应注意到星形网络没有备用通道而单环形网络可以采用RSTP实现备用连接。一般情况下电子产品的失效率与时间的关系符合“浴盆曲线”在其正常服役期失效率可以用常数表示且电子产品的可靠度服从指数分布。设在同一变电站内网络接口的失效率为λ单位长度链路的失效率为μ如果假定单环网络IEDi与IEDj之间进行信息交换按最短路径需通过m个交换机链路长度为Lij不难得到备用通道需经过n-m个交换机(交换机总个数为n)链路长度为Lij链路总长L=LijLij则其可靠度可由式()表示Rij(单环)=e-(Lijμmλ)te-[Lijμ(n-m)λ]t-e-[Lμ(n)λ]t()其平均无故障工作时间MTBF单环为MTBF单环=LijμmλLij(n-m)λ-Lμ(n)λ()单星形网络IED之间的通信路径通过交换机的台数m与星形拓扑结构的层数v有关m=(v-)设IEDi与IEDj之间进行信息交换的链路长度为Lij则其可靠度可由式()表示Rij(单星)=e-[Lijμ(v-)λ]t()其平均无故障工作时间MTBF单星为MTBF单星=Lijμ(v-)λ()可以证明双星形网络的可靠度可由式()表示Rij(双星)=e-[Lijμ(v-)λ]t-e-[Lijμ(v-)λ]t()考虑冗余有效率为其平均无故障工作时间MTBF双星为MTBF双星=Lijμ(v-)λ()网络拓扑结构可靠性的比较由式()可知单环路网络的可靠度主要与链路长度以及环路中交换机的个数有关链路越长、交换机个数越多则其可靠度越低。由式()可知单星形网络的可靠度主要与链路长度以及星形结构的层数有关链路越长、结构层数越多则其可靠度越低。对比式()和式()可知双星形网络结构的平均无故障工作时间约为单星形网络的倍。为更清晰地对比环形网络和星形网络拓扑结构对可靠度的影响可不考虑链路长度对通信可靠度影响则单环形网络、单星形网络及双星形网络平均无故障工作时间可分别由式()~式()表示。电力系统|PowerSystem·电力电气·年第卷第期MTBF'单环=mλ(n-m)λ-(n)λ()MTBF'单星=(v-)λ()MTBF'双星=(v-)λ()依据式()~式()计算得到结果如表所示从表可以看出环形网络结构的可靠度明显高于星形网络结构的可靠度。表单环形、单星形以及双星形网络结构可靠度比较单环形单星形双星形交换机台数MTBF'单环·λ结构层数MTBF'单星·λ结构层数MTBF'双星·λn=v=v=n=v=v=n=v=v=n=v=v=提高智能变电站通信网络可靠性的技术措施选择性能合格的标准工业以太网交换机用于智能变电站的工业以太网交换机其性能应满足如表所示的要求。表工业以太网交换机性能要求技术性能技术指标环境温度℃-~工作电压VDC~抗机械振动g抗静电干扰kV抗射频干扰(Vm)平均无故障时间h电源环节是交换机可靠性的薄弱环节为保证其可靠性要求对网络交换机采用相互独立的双电源供电。合理配置交换机台数和安装位置根据变电站各IED分布地理位置综合考虑间隔、电压等级、业务功能以及IED之间的信息传输流量和频度等因素做到同一间隔内的IED设备接入同一网络交换机同一电压等级的IED设备或同一业务相关的各IED设备尽量接入同一网络交换机合理配置交换机台数和安装位置并保证信息链路路径趋于最简单传输长度趋于最短。采用光纤作为通信介质智能变电站内电磁干扰强IED设备分布广并有大量的合并单元、智能终端分布在环境恶劣的户外信息传输路径长度有的超过m为保证信息在传输的过程中不受干扰并保证交换机及变电站其他IED设备的安全光纤是变电站内用于通信传输的最佳介质之一。结合智能变电站各项功能要求合理划分VLAN在智能变电站业务中由于IED的不移动性完全可以在交换机端口设置静态虚拟局域网(VLAN)不同业务接入的端口划分到不同的VLAN中实现业务之间的隔离例如主变保护VLAN、线路保护VLAN、母差保护VLAN及故障录波VLAN等。由于VLAN工作在二层交换机上数据包传输通过芯片交换实现因此业务之间在数据链路层也实现了隔离而且由于隔离措施处于网络的更底层这种隔离被破坏的可能性非常低。严格划分各类实时数据优先级实时数据优先级技术支持IEEE协议[]能对各种应用及信息流进行优先级分类确保关键应用和时间信息流进行优先传输。针对关键业务通信在网络中实施QoS机制将关键业务设置为高优先级交换机将优先处理高优先级的数据包减少帧排队延时加快数据的转发。例如采用GOOSE报文传递跳闸及相互之间的启动闭锁信号确保重要信息的实时性。抑制广播风暴一般来说以太网中的广播风暴来源有以下三种:①网络回路造成的广播包循环发送。②病毒或者攻击造成的广播风暴。③设备的网络接口物理故障导致的广播风暴。采用与STPRSTP完全兼容的环网冗余协议可以防止因为回路形成的广播风暴采用端口流量控制可防止病毒或者攻击造成的广播风暴另外交换机需具备端口保护功能一旦侦测到端口的频繁通断会采取相应(下转第页)在线处理专家告警系统在江苏县级电网的应用PowerSystem|电力系统wwweagecomcn年月上·电力电气·同一数据集进行并发访问并保证在并发方式下数据的完整性和一致性。结束语在线处理专家告警系统实现了电网能量管理系统集中监控运行告警信号的实时在线处理将传统的时序显示信号告警方式升级为分类、分单元显示信号告警方式取得了很好的效果。该系统应用后已具备如下成效:①提高调控人员工作效率。②保证准确、迅速处理异常事故。③有利于普遍提高调控值班员的技术业务素质。④节省调控值班员人员工资成本。专家告警系统经过江苏县级电网调度的成功运行后充分证明该系统完全适合在各级调度自动化主站推广使用但在实际运行过程中仍需注意以下几点:①专家告警系统需要对告警信号的重要性进行严格分类告警信号等级的分类确定该系统如何发挥最大效用因此各单位在运行过程中应根据自身的实际情况制订详细的告警信号分类规范。②在实际运行中专家告警系统应仍保留时序告警模块作为辅助告警手段。③大力加强调控人员的培训力度积极征求调控人员使用建议使专家告警系统在电网调控中发挥其积极的效用。下一步将在专家告警系统中研究以下两点内容:①调控人员对实际电网调度自动化告警信号较为熟悉但专家告警系统往往由自动化主站人员维护。自动化主站人员对信号重要性理解能力决定了系统精确运行度今后将在系统中增加权限责任区设置功能信号等级设置交由调控人员直接维护而不逾越电网能量管理系统的其他权限。②结合GPRS技术在专家告警系统中增加短信告警模块将电网能量管理系统中重要信息以第一时间发送到预先设定的调控人员手机上以便调控人员及时了解系统运行情况。参考文献[]张永健.电网监控与调度自动化[M].北京:中国电力出版社.[]杨以涵唐国庆.专家系统及其在电力系统中的应用[M].北京:水利电力出版社.[]马韬韬郭创新等.电网智能调度自动化系统研究现状及发展趋势[J].电力系统自动化().(收稿日期:)櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌EA(上接第页)措施保证CPU始终具有处理数据交换的能力防止因网络接口物理故障导致的广播风暴。结束语本文通过对变电站通信网络可靠性的分析和比较推导出了变电站通信网络可靠度和MTBF的计算公式得到如下结论:)环形网络结构的可靠度优于星形。)为提高变电站通信网络的可靠性宜选用性能优良的标准工业以太网交换机尽量减少交换机的台数缩短信息传输距离合理划分VLAN并应采取有效抑制广播风暴的措施。在进行变电站通信网络结构设计的过程中还需要考虑实时性、安全性及可扩展性等如何将先进的工业以太网技术充分应用到智能变电站的建设中还需要不断地研究和探索。参考文献[]国家电网公司.QGDW智能变电站技术导则[S].北京:中国电力出版社.[]国家电网公司.QGDW()kV~kV智能变电站设计规范[S].北京:中国电力出版社.[]国家电网公司.QGDW智能变电站继电保护技术规范[S].北京:中国电力出版社.[]高翔.数字化变电站应用技术[M].北京:中国电力出版社.[]高浩清康科飞米雪松.基于智能数字化变电站进程通信组网技术应用[J].中国高新技术企业().(收稿日期:)EA

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