广域通信网络（共9篇）
广域通信网络 篇1
0 引言
随着广域同步测量和数字化变电站技术的发展与成熟, 在复杂电网环境下部署能够快速识别与隔离故障、简化保护整定计算的广域保护控制装置, 可保障电网安稳运行[1,2,3,4,5]。IEC 61850规范了变电站内保护/控制IED (智能电子设备) 之间的通信行为和相关要求, IEC 61850-90-1-2010《电力应用自动化用通信网络和系统第90-1部分:变电站之间通信对标准IEC 61850的使用》中包含了基于双端量测信息的电流差动、纵联距离和方向保护通信标准。广域继电保护可以此为基础, 建立广域继电保护系统的数据模型和通信服务模型, 制定数据传输和交互机制[6,7,8], 但具体广域信息的数据传输速度、精度和同步性能目前没有明确技术要求, 也无法判断什么样的通信网络能够支撑广域保护控制系统。为此本文具体分析了系统对站间广域通信的各方面要求。
1 广域保护控制系统功能结构
广域保护控制是实现继电保护和自动控制相关功能的二次系统, 它以高效、可靠、实时的网络通信技术为基础, 根据所覆盖区域内电力系统多节点的状态、故障信息, 在电网发生故障或运行方式变化等情况下, 通过实时控制决策, 进行故障精确定位, 并选择最小范围快速隔离故障, 对故障进行的切除;同时可分析故障切除后系统安全稳定状况。广域保护控制系统可分为2类:一类实现电网安全监测、稳定计算和电网控制等功能, 另一类实现继电保护后备保护功能。广域保护控制系统是常规继电保护系统及调度自动化系统之间的系统保护控制手段, 其动作时间范围在0.1~100 s之间。
广域保护控制系统通常有分布式和集中式结构, 对通信的需求不同。分布式系统将保护和控制功能分散到各个广域保护控制终端中完成, 信息一次传送, 通信延时要求不苛刻。集中式系统中, 保护控制主站设备具有决策功能, 保护控制主站通过通信网络传送各子站设备的监测信息, 做出决策后再通过通信网络传送控制命令到执行子站, 这时信息交换的延时会作为系统性能的重要指标[2]。一般广域保护控制系统通信方式会综合二者优点, 各种保护信息为区域内相邻站点互相交换, 区域稳定控制信息由区域控制中心收集信息、决策、下发控制指令。广域保护控制系统结构如图1所示。
对于传输流量大而且实时性要求高的广域保护控制系统而言, 现有的调度数据网络不能满足其通信性能要求, 需要重新组建区域过程层通信网传输广域保护控制的过程层交互信息, 其站间通信模式如图2所示。
2 广域保护控制系统通信需求
2.1 业务覆盖与分类
广域保护控制系统覆盖220 k V以下电网作安全稳定紧急控制及后备保护使用, 节点包括220 k V、110 k V、35 k V变电站、电厂, 通常的区域为片区电网几个乃至十几个站点。
根据广域保护控制功能, 其交互信息分为监测信息类、控制信息类。监测信息类包括采样值信息、状态量信息、故障报告信息等, 信息交互节点主要为线路相邻站点间通信, 部分数据还需要中心站与受控站间通信;控制信息类包括保护跳合闸命令信息、控制命令信息等, 信息交互节点主要为中心站与受控站间通信。
2.2 业务接口与带宽
IEC 61850-90-1中明确了业务类型为IP数据业务, 网络接口支持802.3以太网接口, 包括各类GE/FE光电接口, 装置针对不同通信信息类别, 提供独立的物理接口。
由于广域保护控制系统数据流以采样值信息为主, 根据IEC 61850-9-2-2011《公用电力事业自动化的通信网络和系统第9-2部分:专用通信服务映射 (SCSM) 通过ISO/IEC 8802-3的抽样值》中采样值报文帧相关定义, 按照每帧报文1个ASDU考虑, 每帧采样值数据长度约为169~226 Byte。每台合并单元输出的每周波80点采样值带宽计算式为:采样值数据长度/APDU×8bits/byte×80APDU/周波×50周波/s, 即带宽为5.4~7.2 Mbps。
各类交互信息按照不同报文长度成帧, 根据信息应用需求通信交互频率各不同, 具体信息如表1所示。
以一个110 k V变电站为例。110 k V出线4回, 110 k V主变2台, 35 k V和10 k V共出线28回, 所有电压等级均采用单母分段接线形式, 网络出口流量计算如表2所示。
由表2可知, 上述110 k V变电站出口总带宽需求为43.84 Mb/s。
由于站间交互的变压器、母线采样值信息是重复性信息, 可应用网络组播技术实现节省网络带宽的目的, 即通过向多个接收方传送单信息流方式, 可以减少具有多个接收方同时收听或查看相同资源情况下的网络通信流量。
2.3 业务传输性能
广域保护控制系统要求完成线路保护的后备保护功能, 其启动作时间比线路主保护动作时间慢, 范围在0.1~100 s之间。广域保护典型各元件动作时间分配如图3所示。
从图3可以看出, 为满足广域保护控制系统动作时间要求, 状态量信息以及控制命令信息通信通道端到端时延 (含光缆时延) 不超过15 ms。目前的广域保护控制装置通信缓存容量为64 kbits, 如装置间时延抖动过大, 会造成数据溢出丢失, 故任意2个装置间延时抖动尽量小于0.5 ms。目前, 广域保护控制系统跳合闸命令信息、控制命令信息为TCP协议通信存在丢帧重发机制, 但丢帧重发一次造成时延增加10 ms。采样值信息、状态量信息等为UDP协议通信无丢帧重发机制, 装置要求的总帧数量达到99%, 综合两方面要求通信通道误码率小于10–6, 丢包率小于10–3。
2.4 业务保障要求
根据广域保护控制装置各类信息用途, 业务保障有以下不同。
1) 采样值信息若带有时标信息, 不需要保证收发时延一致性, 可以进行收发通道异步的自愈保护, 并要求在50 ms内进行自愈保护。
2) 若采样值信息不带有时标信息, 则需要保证收发时延一致性, 并严禁使用收发通道异步的自愈保护。
3) 跳合闸命令信息、控制命令信息、状态量信息由于具有操作实时性要求, 要求在50 ms内进行自愈保护。
4) 广域监控信息、故障报告信息传输的故障信息往往为永久故障信息, 对系统暂态影响不大, 故要求在20 s内进行自愈保护。
2.5 业务安全防护
广域保护控制系统业务目前没有包含在电监安全[2006]34号《电力二次系统安全防护方案》中, 但符合其安全Ⅰ区“直接实现对电力一次系统的实时监控”的业务特征, 故应满足电力安全Ⅰ区的业务安全防护规定要求:安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证。
3 广域保护控制系统同步需求
广域保护控制系统要在时间—空间—幅值三维坐标下同时观察电力系统全局的机电动态过程全貌, 就需要所覆盖站点采样值信息同步。其中广域测量系统 (WAMS) 要求同步精度4μs, 否则将不能形成统一状态断面, 无法进行全网暂态分析;电流差动后备保护要求同步精度1μs, 否则会引起保护装置误动。因此, 广域保护控制系统各装置应实现的时间同步的精度要求能够达到1μs。
4 结语
综上所述, 广域保护控制系统对通信网络技术要求为:支持IP传输技术, 满足网络专用、横向隔离的要求, 覆盖110 k V、35 k V变电站/电厂, 区域控制中心站每接入间隔带宽2.3 Mbit/s, 受控站每间隔带宽9.59 Mbit/s, 网络故障支持50 ms自愈保护, 支持数据帧组播, 线路相邻站通道传输时延小于15 ms, 中心站至受控站传输时延小于15 ms, 延时抖动小于0.5 ms, 误码率小于10–6, 丢包率小于10–3, 各站装置要求传输时间同步信号, 同步精度1μs。
将来随着广域保护控制业务的逐步推广, 应利用电力通信网资源组建区域过程层通信网满足以上要求。广域保护控制技术在不断发展, 其通信需求也在不断变化, 只有掌握系统交互信息的作用与约束条件, 才能不断调整网络以适应业务需求的变化。
参考文献
[1]何志勤, 张哲, 尹项根, 等.电力系统广域继电保护研究综述[J].电力自动化设备, 2010, 30 (5) :125–130.HE Zhi-qin, ZHANG Zhe, YIN Xiang-gen, et al.Overview of power system wide area protection[J].Electric Power Automation Equipment, 2010, 30 (5) :125–130.
[2]陈文杰.基于IEC61850的数字化变电站技术的实用化探讨[D].广州:华南理工大学, 2012.
[3]侯艳.广域信息在电力系统继电保护中的应用[D].保定:华北电力大学, 2008.
[4]许学云.广域保护综述[J].电工技术, 2010 (1) :50–51.
[5]杨春生, 周步祥, 林楠, 等.广域保护研究现状及展望[J].电力系统保护与控制, 2010, 38 (9) :147–150.YANG Chun-sheng, ZHOU Bu-xiang, LIN Nan, et al.Research status and prospect of wide-area protection[J].Power System Protection and Control, 2010, 38 (9) :147–150.
[6]刘英亮, 丛伟, 张洁, 等.基于IEC61850的广域保护系统通信服务模型[J].继电器, 2007, 35 (15) :9–13.LIU Ying-liang, CONG Wei, ZHANG Jie, et al.IEC61850 wide area protection system communication service model based on[J].Relay, 2007, 35 (15) :9–13.
[7]殷玮珺, 袁丁, 李俊刚, 等.基于SDH网络的广域保护系统研究[J].电力系统保护与控制, 2011, 39 (5) :120–123, 127.YIN Wei-jun, YUAN Ding, LI Jun-gang, et al.Research on widearea protection system based on SDH network[J].Power System Protection and Control, 2011, 39 (5) :120–123, 127.
[8]汪剑, 韩蕾, 覃琴, 等.广域保护通信网络综述[J].电力系统通信, 2012, 33 (10) :5–8.WANG Jian, HAN Lei, QIN Qin, et al.Summary of wide-area protection communication network[J].Telecommunications for Electric Power System, 2012, 33 (10) :5–8.
广域通信网络 篇2
网络
网络有局域网、城域网和广域网之分的原因：
依据规模和所跨地域的大小，计算机网络可以划分为局域网、城域网和广域网。局域网的规模相对较小，通信线路短，覆盖地域的直径一般为几百米至几千米。城域网是指覆盖一个城市范围的计算机网络，广域网则是指更大范围的网络，覆盖一个国家，甚至整个地球。虽然局域网、城域网和广域网这些词是着眼于网络覆盖范围提出的，但它们更多的是从网络组建技术上被区分。一般认为，用局域网技术组建的是局域网，用广域网技术组建的是广域网，用城域网技术组建的自然是城域网。但城域网技术很少被单独提到。三种技术的主要差别在于所用通信线路和通信协议的不同。
第一台电子计算机
广域通信网络 篇3
1 WAMS仿真子站
WAMS仿真子站是在Windows平台下基于VC++6.0开发的仿真软件系统,用于模拟安装在重要发电厂和变电站的PMU装置或由多个PMU构成的子站系统,其具有6大功能。
a.可灵活配置子站的PMU及PMU包含的通道。通道包括相量通道、模拟量通道、频率通道、频率变化通道、开关量通道;配置的项目包括通道的名称、数值、转换因子、通道幅值和相角变化的规律等。
b.可生成各个通道的实时动态数据,存储动态数据,模拟PMU装置对现场数据的实时采集功能;模拟子站生成子站配置文件、离线数据文件等。
c.基于套接字(socket)的网络通信模式,仿真子站通过以太网接入实际主站,由数据管道实现实时动态数据的传输、命令管道实现命令帧的交互、配置帧的传输;离线数据管道实现离线数据文件的传输。
d.通过对现场WAMS子站或PMU装置的模拟,实现对现场子站的仿真。可接入WAMS主站系统,完成对主站的功能测试、处理能力测试。
e.按电力系统实时动态监测系统技术规范[11,12,13],实现对WAMS主站的通信规约测试、通信功能测试、数据误码率等通信性能测试。
f.可解析COMTRADE格式的故障录波数据,实现COMTRADE波形回放,上送低频振荡数据或扰动数据,测试主站对低频振荡或扰动现象的识别能力。
WAMS仿真子站能够模拟现场的PMU装置对电网参数中的相量数据、模拟量数据、频率、频率变化率以及开关量数据的实时采集和存储功能,并按照规约格式组织数据帧通过以太网上传至WAMS主站系统,可以实现对WAMS主站的功能测试、规约测试、性能和处理能力测试。图1是WAMS仿真子站的实现框图。
2 实时数据通信
WAMS的主要功能是实现电力系统的动态监测和动态稳定控制,主站和子站间实时可靠的数据通信是保证WAMS运行的最基本条件。实际运行过程中,子站将以25、50或100帧/s的速率向主站传送实时动态数据,100帧/s时要求子站以10 ms的时间间隔向主站上传实时数据。
WAMS仿真子站是基于Windows操作系统平台下开发的应用软件系统。由于Windows是非实时操作系统,因此,如何在Windows平台下实现仿真子站向主站上传动态数据达到100帧/s,并且保证数据传输的实时性是仿真子站实现的难点。
按照25、50、100帧/s且连续传送的要求,需要设计一个40、20、10 ms的周期定时器,在定时溢出时刻将一帧数据上传,实时数据传输的常规实现流程如图2所示。
然而,调试结果表明,Windows窗口定时器的定时精度远远达不到要求,定时器消息的处理会出现较大的延时,严重影响了系统的实时性;另外,当数据帧写入socket的发送缓冲区时,若数据帧的帧长较短,TCP传输控制并没有立即将数据帧发送出去,而是出现了数据帧积压,导致多包数据同时到达主站。显然,Windows下的上述的普通实现方案不能满足仿真子站的实时通信要求,必须寻找新的解决方法。
3 实时通信实现
3.1 精确定时与多线程方法
3.1.1 精确定时方法
Windows窗口定时器的定时精度远远达不到要求,每次定时均产生较大的延时,严重影响数据帧发送的实时性和发送时间的准确性。采用Windows的多媒体定时器可以较好地满足精确定时的要求,这种定时器的定时精度可以达到1 ms并且运行在一个独立的线程,当定时时间溢出时,操作系统直接调用该定时器的回调函数,因此它具有较快的响应时间,不会出现普通窗口定时器的延时响应。
3.1.2 多线程技术
基于NT技术的Windows操作系统,采用线程作为基本调度单位,一个多线程应用程序允许多个任务并发执行,因而可以执行某些实时性或随机性很强的操作,提高对CPU和其他资源的利用率,加快信息处理速度。在仿真子站中,采用多媒体定时器的精确定时线程负责处理实时数据帧的发送,而动态数据生成、存储、显示由另一独立线程处理,以提高系统数据通信的实时性。
3.1.3 实现方法
多媒体定时器运行在一个独立的线程,并且具有较高的定时精度,可以满足仿真子站最短10 ms的定时周期。当定时时间溢出时,操作系统调用该多媒体定时器的回调函数,实时响应该定时器的处理函数。
仿真子站开辟发送线程,由多媒体定时器定时,负责周期发送实时数据帧。主线程负责实时动态数据帧的生成,并将实时数据保存至实时数据库。当发送线程执行发送数据帧时,需要访问实时数据库,获取系统当前的数据,因此实时数据库是整个进程的共享资源。为了解决各线程对共享资源访问的竞争问题,采用了互斥对象Mutex做为线程的同步对象,当共享资源正被一个线程占用时,另一线程只有在资源释放后才能使用,避免访问冲突。图3给出了该方案的实现原理图。
3.2 TCP/IP协议层解决方法
仿真子站系统运行中,主站往往一次接收到仿真子站多个数据包,而不是按照仿真子站发送的时间间隔收到数据。经分析,导致主站同时接收多包数据的原因,是仿真子站网络通信套接字socket中的TCP/IP协议层采用了Nagle算法,影响了数据发送。
3.2.1 TCP的时延确认[14]
当TCP收到发自TCP连接另一端的一帧数据时,它将发送一个确认ACK,通常情况下,该确认帧ACK并不是立即发送,而是推迟发送,以便将ACK与需要沿该方向发送的数据一起发送,绝大多数实现采用的时延为200 ms,即TCP将以最大200 ms的时延等待是否有数据一起发送。
3.2.2 TCP的Nagle算法[14]
Nagle算法是Jone Nagle提出的用于减少TCP/IP网络中小分组数过多和提高网络吞吐量的一种算法[15],该算法要求一个TCP连接上最多只能有1个未被确认的未完成的小分组,在该分组的确认到达前不能发送其他的小分组,相反,TCP收集这些少量的分组,并在确认到来时以一个大分组的形式发送出去。
3.2.3 时延确认和Nagle算法产生的问题及解决
WAMS仿真子站通过数据管道向WAMS主站上传实时数据帧,主站的数据管道只负责接收数据帧,而不向子站下发数据帧。在子站上传的数据帧帧长较短时,Nagle算法将不允许子站在收到主站返回上一数据帧的确认前继续发送下一个数据帧。主站方面,由于一直没有数据下发,将等待时延定时器溢出时才向子站返回确认,此延时会达到200 ms左右。另外,在主站延时返回确认帧期间,子站又有多个数据帧需要发送(最大发送数据帧间隔40 ms),故导致了数据帧在子站的发送缓冲区积压。
显然,上述现象严重影响了子站向主站传送数据的实时性,针对WAMS主站和子站数据管道传输的特点(主站只接收实时数据帧,不向子站下发数据帧),解决方法是关闭TCP的Nagle算法,允许TCP交互过程中一个分组的确认未到达前继续发送下一个分组,图4给出了未关闭Nagle算法和关闭Nagle算法时数据管道的TCP交互流程。
4 实验结果与分析
为了验证上述方法的可行性,在实验室环境下将WAMS仿真子站和WAMS仿真主站(模拟主站运行的测试软件)接入到局域网,建立仿真子站与仿真主站的数据管道,由仿真子站向仿真主站传送实时动态数据。在仿真主站中解析数据管道接收的数据,判断接收的数据帧是否实时到达并计算流量(主站数据管道每秒接收的总帧数),进而分析仿真子站数据管道发送数据的实时性。
首先完成了窗口定时器单线程、多媒体定时器结合多线程技术2种方法的对比实验,在给定上传速率下主站数据管道接收流量的对比结果如表1所示。表中,v为仿真子站的上传速率;n1、n2分别为采用普通定时器和单线程及采用多媒体定时器和多线程时主站每秒接收的总帧数。
从表1中的数据可见,采用多媒体定时器的精确定时配合多线程技术,能够实现100帧/s的传送速率,而采用普通定时器和单线程时根本无法达到要求。
其次,在采用多媒体定时器配合多线程技术下,完成TCP/IP协议层中Nagle算法关闭前后的对比实验,设定仿真子站上传动态数据的速率是100帧/s,主站接收数据帧情况的对比结果如表2所示。
注:t为接收时间间隔,理论值为10 ms;仿真子站上传的动态数据帧帧长为38Byte;n3为接收的总字节数;n4为每次接收的总帧数。
从表2可以看出,当仿真子站向主站上传的动态数据帧的帧长较短时,TCP的时延确认和Nagle算法对数据帧传送的实时性有较大的影响,而关闭了Nagle算法后,每个数据帧都实时发送出去,不会出现数据积压。另外,从表2的接收时间间隔数值可以看出,子站以10 ms的定时周期依次上传实时数据帧,定时精度较高,进一步验证了精确定时和多线程方案的可行性。
5 结语
广域实践唯物主义论纲 篇4
与那种把实践作为其首要的基本的观点,而将改造世界仅仅理解为一种功能性特征的(狭义的)实践唯物主义不同,广域实践唯物主义以改造世界作为马克思主义哲学的主题,以价值与真理的`关系问题作为马克思主义哲学的理论主线,以人道主义思想、(狭义)实践唯物主义和科学理性思想作为马克思主义哲学体系的基本理论框架.
作 者：刘晓音 赵庆元 LIU Xiao-yin ZHAO Qing-yuan 作者单位：刘晓音,LIU Xiao-yin(河北交通职业技术学院,政治教研室,河北,石家庄,050091)
赵庆元,ZHAO Qing-yuan(石家庄经济学院,人文社会科学学院,河北,石家庄,050031)
浅析计算机广域网络的设计实施 篇5
广域网也被称为远程网, 又常用英语简称为WAN (Wide Area Network) 。一般来说, 广域网可以跨界很大的物理范围, 覆盖范围多为几十公里到几千公里不等, 其中包含了大量计算机的计算机网络。广域网能够连接不同的地区、城市、国家, 甚至可以横跨几个洲, 提供远距离通信, 形成国际性的远程网络。自二十世纪七十年代中期至今, 广域网发展十分迅速, 如今不仅可以远距离传送计算机数据和信息, 还可以传中各种多媒体信息, 如声音、音像和图片等。
广域网是由多个不同协议、不同结构的局域网连接而成的, 其中包括了各种不同类型的计算机和运行在计算机上的各种不同的业务, 常采用分组点到点的通信方式连接数据收发双方的地址。因此, 广域网往往具有不规则的结构, 而且进行管理和控制时其复杂性也大大提高, 安全性也较低。由于广域网的结构复杂和难于控制, 传输数据的时长较长, 线路稳定性也相对较差, 且其信息的传输速率也没有局域网的高。在使用局域网时, 广域网可连接路由器, 为局域网提供转接服务。
尽管广域网的数据传输速率比局域网慢, 但由于它能够适应大容量突发通信、综合业务服务的要求, 具有烤房设备接口和规范化的协议, 一系列完善的通信服务和网络管理等等着各方面的优点, 广域网还是被很多中小型企业所热衷。
根据广域网传输类型, 广域网主要可以分为以下三种类型:
(1) 公共传输网络。
公共传输网络大致又可以分为两类:电路交换网络和分组交换网络。一般来说, 公共传输网络由政府的电信部门组建、管理和控制的, 公共传输网络里的传输和交换装置可以任意租用或提供给每一个政府部门和工作单位使用。
(2) 专用传输网络
专用传输网络大多是由自由组织或自由团体自己建立、使用、控制和维护的, 是属于私有的通信网络, 常用的网络形式是数字数据网。
(3) 无线传输网络
无线传输网络主要是移动无线网。GSM和GPRS技术就是典型的无线传输网。
2 计算机广域网的设计及其实施效果
由于近数十年计算机广域网的迅速发展, 以计算机为核心的, 在传统经济基础上产生的网络经济也有了飞跃性的发展。
网络经济的发展对现代中、小企业都产生了重大的影响, 从生产、经营到管理等各个环节都离不开计算机广域网的身影。在网络经济的推动下, 企业的生产组织、内部组织、经营和管理方式都发生了巨大的变化, 不断地改变, 最终改变现代企业基本的商业模式。
在网络经济中, 网络安全是最不可忽视的问题, 一旦企业的网络资源和敏感信息被泄露了, 那么后果将会是不堪设想。因此, 构建一个成功的网络安全问题是一个非常重要的问题, 其中涉及到从单机到网络的每个方面。在设计广域网的时候, 要确保网络资源得到足够的保护, 能限制某些不明用户的访问, 否者访问者就能够做授权用户所能做的一切事情。其次, 要注意敏感信息是否被泄露又或者是充当了别人的跳板。曾有某用户的因特网连接被其他人用来在某个站点下载不适宜的内容, 使该用户面临严重的法律问题。
因此, 在设计广域网前必须要先了解用户的计算机情况, 包括大约有多少台运作的电脑主机、分为多少部门又或是Internet的接入点在哪里等等, 这些都是必须要先了解到的情况, 再根据实际情况进行相关配置要求的设备和适宜的设计技术等。其中路由的选择的是不可忽视的。
分组交换网络的由很多个节点经由通信链路所连接而成的任意的网络形状。当数据从一个主机传输到另外一个主机时, 有多种不同的可能路径选择。在这些可能路径选择一条跳数最小、延时最小或最大可用带宽时, 路由的算法就可以轻松确定网络上这两个主机之间的最佳路径。
在进行路由算法时, 必须要随时了解到下列网络状态的各种信息:
(1) 路由器必须知道哪一个外出接口是到达另一个主机的最佳路径;
(2) 路由器必须确定路由是否激活了对这个网络协议组的支持;
(3) 路由器必须要知道目的地的网络的具体位置。
在确认了以上的信息之后, 就可以根据实际得带宽、延时、成本或跳数去确定路由选择算法, 不同的状况有不同路由算法, 如:距离矢量路由算法、链路状态路由算法、扩散法、源路由算法和偏差路由算法, 以及在目前被广泛使用的Bellman-Ford算法和Dijkstra算法
在进行网络设计时, 不仅要根据使用主机及局域网的实际情况开展设计, 还要注意一下几大特点, 以确保广域网的安全性能和易于扩充和升级。
(1) 重点突出技术先进性。广域网络在满足基本的实用性时, 还要突出技术的先进性。一个先进的技术成熟的广域网络, 不仅可以确保产品具有优良的先进性和通用性, 用户也会得到较好的保障。
(2) 具备高安全性和可靠性。对于一个企业来说, 数据和系统的安全性具有极重大的意义, 因此, 设计的网络系统在数据的储存、传递交换和使用的过程都应该要设置有相关的安全机制, 确保数据的安全、可信度。
(3) 考虑经济性和实用性。在设计一个采用成熟的设备、通信技术的网络技术时, 要同时兼顾到企业已有的设备, 充分利用现有的信息资源, 保护原来的已储存的数据, 在满足各种应用需求和网络连接的同时也要为未来可能出现的新要求做好支持的准备。
(4) 具备很强的开放性。为了使网络更易于扩充和升级, 可适当采用开放式的网络体系, 对外界不断改变的环境可以有足够的应变能力, 同时可以因需求而不断进行调整和升级。
为企业设计计算机广域网络时, 应全面考虑到企业的经济承担能力, 通过分层的设计保证运作系统的稳定性、可靠性和高安全性, 节约投资。而最重要的是注意网络系统的实用性, 使网络系统尽快得到充分的发挥, 便于掌握, 当然, 这些都少不了现今社会上先进技术的运用。总而言之, 当真正实施所设计的计算机广域网络时, 要确保该网络可以一直保持稳定运行, 各系统、平台正常使用, 这才是一个成功的计算机广域网络的设计。
3 结语
广域网通常会跨接很大的物理范围, 以便连接多个城市或国家并为其提供远距通信。广域网多彩同点到点连接方法, 可以提供一个比局域网更好更快的传输, 因此多倍企业采用为连接更广泛的获取信息资源。
摘要：随着计算机技术的迅速发展, 计算机技术已经应用到日常生活中的每个细节, 计算机已经成为人们生活中必不可少的工具, 这同时预示着现今社会已经开始步入信息化社会。本文将会详细分析如今在网络经济影响下, 计算机广域网络的设计和实施的相关问题。
关键词：广域网,计算机,网络设计,应用实施
参考文献
[1]陈明, 计算机广域网络教程[M], 北京:清华大学出版社, 2008.
[2]祝振宇, 翟建立, 刘芳, 叶仕通, 计算机基础教程[M], 北京:清华大学出版社, 2010.
广域后备保护原理与通信技术研究 篇6
关键词：广域后备保护原理,通信技术,IEC 61850通信建模
前言:
随着我们国家的经济不断发展, 科技的不断进步, 人们对于电力的的要求越来越高。过量的市场需求对电力运输的安全性和可靠性提出了更高的要求。电网作为电力运输的载体。
对于电力运输稳定、高效、安全起着重要的作用。而继电保护设备又是电网正常运行基础所在, 因此对于电力运输的要求最终将会落在后备保护。传统的后备保护方法已经逐渐暴露出其自身不足的地方, 并且在正常的工作中频频新出现问题。因此, 对广域后备保护原理与通信技术研究有着鲜明的现实意义。
一、广域后备保护研究现状
对于广域后备保护的研究, 我们首先对广域后备保护的结构进行了简要的分析, 经过分析和总结我们将广域后备保护的结果归纳为:合并单元格、智能终端、广域后备保护的终端单元。在合并单元格、智能终端接入广域后备保护的终端单元时, 其将会采用“直采直跳”的方式进行组网。在这个网组中, 每一个变电站都会配置一个广域后备保护的终端单元。并且每个广域后备保护的终端单元都具有相同的功能和效用[1]。
二、基于IEC 61850的广域后备保护通信建模
广域后备保护需要借助一个广域通信系统来获取电网的信息。因此我们需要建立一个可以满足个广域后备保护功能的通信系统。随着科技的发展和时代进步, IEC 61850成为了现阶段智能变电站的唯一标准。但是就目前颁布的IEC61850相关规范条例来看, 并没涉及到广域后备保护领域。通过研究和设计, 我们基于IEC 61850基础, 构建了新的建模标准。
而IEC 61850的建模标准, 采用的是面向对象的建模方式和层层包含的建模方法。其主要包含了以下几个层次:服务器建模、通信信息交换服务建模、逻辑设备建模、逻辑节点和数据、数据属性建模[2]。
三、广域后备保护通信系统的设计及其网络性能评估
3.1广域后备保护通信系统的设计
对于广域后备保护通信系统的设计我们主要利用了“网采网跳”的独立组网形式。其在组网设计中应该遵循以下要求:
1) 过程层SV网络、过程层GOOSE网络宜按电压等级分别组网。
2) 220k V及以上电压等级继电保护系统应遵循双重化配置原则。双重化配置的两套过程层网络应遵循完全独立的原则。110k V过程层网络宜按双网配置。
3) 110k V及以下电压等级宜采用保护测控一体化设备。
4) 任两台智能电子设备之间的数据传输路由不应超过4个交换机[3]。
3.2广域后备保护通信系统的网络性能评估
我们对于广域后备保护通信系统的网络性能评估主要的方法是通过对广域数据流的时延约束来进行分析。对于广域数据流沃恩在研究的时候将其归类周期性数据流、突发性数据流、随机数据流三个方面。
同时, 通信网络性能的好坏也会直接影响广域后备保护的性能, 因此, 对于网络性能的合理性评估也是广域后备保护工作中需要的研究的重点之一。我们要求通信系统要具有传输数据快、传输数据完整、传输数据精确、时延抖动小、带宽利用率高等特点[4]。
四、结论
电力电工行业是我们国家的基础行业, 其为我们国家的经济建设和社会建设提供了必要的原动力。但是随着我们国家经济的不断建设, 我们国家人民对于电力的需求量逐渐的增大, 这在一定程度促使着我们国家的电网需要进行大规模的建设。
而传统的后备保护系统对于现如今大规模且高精尖电网保护已经表现出力不从心。因此, 为保护我们国家电力传输工作的质量, 我们应该基于时代的大背景下, 研究新型工艺技术, 来应对电力行业的迅速发展, 保持电力传输的高效、安全、稳定。
参考文献
[1]何志勤.基于故障元件识别的智能电网广域后备保护关键技术研究[D].华中科技大学, 2012.
[2]董雪源.基于互联网技术的电力系统广域保护通信系统研究[D].西南交通大学, 2012.
[3]阳世荣.基于电网广域测量信息的广域保护研究[D].华中科技大学, 2006.
广域通信网络 篇7
随着智能电网的发展,时钟同步技术、通信技术、计算机技术在电力通信网和基于IEC 61850标准的数字化变电站得到了大力的促进、推广和建设。为了解决现有传统后备保护的保护整定复杂,动作延时长,当电网结构或运行工况发生非预设性变化时保护性能也难以得到保证,可能导致保护拒动、误动等突出问题,近年来提出了一种基于网络通信、广域测量技术的广域继电保护[1,2,3,4]。
根据广域继电保护(WAP)的保护算法和所采用的WAPS结构[5],构建高速、双向、实时、自愈、安全和可靠的通信网络是实现广域继电保护的基础。相对于传统的监测与控制系统,如SCADA/EMS系统、电能计量系统、DTS系统等,WAPS对网络通信提出了更高的要求。
广域继电保护作为电力系统新增业务,如何接入数字化变电站网络和电力通信网,使既能满足广域继电保护功能要求同时又不影响变电站和电力通信网现有其他业务的功能实现。以目前的通信网络技术可逐步实现过程层和变电站层的网络化,因此,适当的设计广域继电保护IED接入方式,可方便得获取站内各IED信息;目前电力通信网主要以SDH光纤环网为主,变电站业务接入SDH主要有IP over SDH和IP over ATM over SDH两种模式。文献[3,6]使用传统SDH技术的设备,分别采用以上两种模式接入SDH环网,实现了广域继电保护的站间通信。随着电网的发展,需广域通信的业务种类越来越多,现有的电力通信网正向新一代SDH技术MSTP(Multi-Service Transport Platform)发展,MSTP支持多种的传输模式。因此需要研究最适合于广域继电保护的接入传输模式及其实现过程。
还需考虑网络通信的可靠性问题,设计高可靠性的变电站和广域网络拓扑结构。当通信网络(如:网络设备、传输线路等)出现故障时,避免信息出现丢失和因故障产生的时延变化对广域继电保护功能的影响。文献[7]分析了全站统一网络的典型冗余结构,提出了集中备用和交叉备用两种改进方案,并对各种冗余结构的可靠性进行分析,指出单重保护系统中采用冗余结构后,可明显提高系统(尤其是母线保护)的可靠性,保护经双重化配置之后,已具有很高的可靠性,从经济性角度考虑无需再对每一单套保护的网络结构进行冗余配置。SDH环网具有自愈功能,文献[8]采用串联系统可靠性计算模型分析了SDH的可靠性,给出了整个光纤环网的失效概率和可用概率。
目前国内外对广域继电保护的接入传输模式、网络拓扑结构鲜有文献研究,因此,本文将对此方面展开研究。本文的主要内容为:首先根据广域继电保护的功能实现提出了广域继电保护的分层系统结构,随后分析了广域继电保护IED接入变电站网络和电力通信网的实现方式,并设计了变电站网络拓扑结构和基于多业务综合传输平台MSTP的广域通信网络组网的拓扑结构,最后介绍了WAPS广域网络的信息传输方式和冗余设计方案。
1 WAPS系统结构
本文采用变电站信息集中与区域集中决策相协调的WAPS总体系统结构如图1所示。图1(a)为变电站及调度中心内部网络结构,其中IED1~IEDn表示智能电子设备,子站中广域继电保护IED定义为TCU(Terminal Centralized Unit),主站中广域继电保护IED定义为DCU(Decision Centralized Unit)。调度中心中广域继电保护IED定义为MU(Monitoring Unit)。目前提出的广域继电保护主要是实现同一电压等级下的线路保护。图1(b)为广域继电保护分层系统结构,从广域通信网络结构的角度看,将同一电压等级的整个电网广域继电保护分为三层,即接入层、汇聚层、核心层。将广域电网视为由若干个有限区域共同组成,每个区域选取其中一个变电站为主站,所有区域主站构成汇聚层,汇聚子站TCU上传的信息,并以主站为中心划分区域,区域内除主站外的其他变电站称为该区域的子站,整个电网所有子站构成接入层。调度中心MU为核心层。
TCU主要分为信息采集单元和跳闸执行单元,信息采集单元的主要功能有:(1)启动元件的判断;(2)测量被保护线路的模拟量(电压、电流量)和开关量(保护动作情况、断路器位置),模拟量在进行预处理(如:数据同步、信息融合等)后,计算其相量值,然后将相量值(周期性传送)和开关量(事件触发传送)经GPS打上同步的时间标记上送到主站;跳闸执行单元主要功能:接受主站的控制命令,并与本地传统主后备保护综合决策后对相应的断路器进行跳合闸操作,并将指令上传主站和调度中心。
DCU主要分为信息采集单元和综合决策单元,信息采集单元主要功能有:(1)承担主站的TCU任务,收集本区域内TCU上传的信息;(2)接收调度中心下发的指令;综合决策单元主要功能:定时根据各子站上送的信息运行广域继电保护算法,当区域内出现故障,形成故障处理策略并下发给子站以执行相关故障切除控制。
MU的主要功能:实时协调和监控各区域广域继电保护系统运行情况、全网的实时拓扑结构、故障记录查询以及主站、子站广域继电保护IED的参数配置等。
2 广域继电保护IED接入变电站网络
文献[9]提出了独立过程网络和全站统一网络两种数字化变电站通信网络的组建方案,指出独立过程网络目前较易实现,而全站统一网络凭借信息高度共享等优势成为数字化变电站通信网络的最终形态。以220 k V两电压等级数字化变电站为例,一般220 k V变电站高压侧部分及变压器部分均采用双套设备,低压侧部分采用单套设备。因此,TCU/DCU在高压侧采用双套设备,在低压侧采用单套设备。采用文献[7]提出的集中备用方案对低压侧的单套设备进行双重网络冗余设计,高压侧则采用每套设备独立一套网络。图2给出TCU/DCU接入220 k V数字化变电站全站统一网络的拓扑结构。限于篇幅,TCU/DCU、变压器和高压侧其他设备的双套配置和双重网络只画出一套。
文献[10]利用马尔可夫状态模型,对环网、双环网和双星型网等冗余结构进行了比较,并建议采用双星型网以获得零故障恢复时间。最新颁布的IEC62439标准定义了两种具有零故障恢复时间的冗余协议[11]:并行冗余协议和高可用无缝环网。因此,图2中低压侧采用集中备用的双星形冗余网络拓扑结构。高压侧每套单一间隔设备(如线路保护)通过间隔交换机与本间隔内的合并单元、断路器智能终端等过程层设备相连,形成一个通信子网,低压侧单一间隔设备通过间隔交换机和集中备用交换机与本间隔内的过程层设备相连;而跨间隔设备(如母线保护,TCU/DCU),高压侧每套保护则通过公共交换机I或II连接各个间隔交换机,低压侧保护通过公共交换机III和IV连接各个集中备用交换机和间隔交换机,从而获取各电压等级相关间隔的信息。由于交换机接口有限,低压侧若干个间隔配置一个集中备用交换机。下面以高压侧的广域继电保护,研究TCU/DCU接入电力通信网的方式。
3 广域继电保护IED接入电力通信网
3.1 MSTP传输平台
传统的SDH技术的设备主要承载面向TDM的E1业务,自身能够提供的标准接口种类有限,难以高效地承载各种速率丰富的宽带业务,在承载10M/100 M/1 G以太网数据业务时,存在各种不足,主要表现在需要外加接口转换路由交换设备,应对突发数据信号时需要配置缺乏动态灵活性,带宽利用率低,无法实现带宽的动态调配功能。
而新一代SDH技术MSTP是基于SDH,同时实现TDM、ATM和IP等业务的接入、处理和传送等功能的多业务平台,并提供统一的网管。采用这种平台,可简化系统的构成,直接提供多种业务的接入,从而减少维护费用。一方面,MSTP保留了固有的TDM交叉能力和传统的SDH/PDH业务接口,继续满足话音业务的需求;另一方面,MSTP提供ATM处理、Ethernet透传以及Ethernet L2交换功能来满足数据业务的汇聚、梳理和整合的需要。MSTP采用VC虚级联能够很好地解决传统SDH网络承载宽带业务时带宽利用率低的问题。第三代MSTP可支持Qo S、多点到多点的连接、用户隔离和带宽共享等功能,能够实现业务等级协定(SLA)增强、阻塞控制以及公平接入等,可以说,第三代MSTP为以太网业务发展提供了全面的支持[12]。
3.2 广域继电保护业务接入电力通信网方式
目前电力通信网按照网络用途大致可以分为:传输网络、数据网络、业务网络及支撑网络等四大类,在传输网络方面,我国已形成以SDH光传输网为通信的核心网络,电力线载波和无线通信作为传输网的应急和备用通道,波分复用DWDM作为SDH的技术的补充。数据网络包含调度数据网和综合数据网,调度数据网接入业务分为安全区I和安全区II业务,综合数据网接入业务分为安全区III和安全区IV。业务网包含调度交换网、行政交换网和会议视频等。支撑网络包含同步网和网管系统。
如图3给出广域继电保护业务和变电站其他业务通过MSTP设备接入电力通信网的传输模型。广域继电保护作为后备保护,其业务时延要求为300ms内,在图3中实现毫秒级业务传输的方式有三种:方式1,接入PDH标准接口直接承载在SDH传输网上,传输方式为IP over SDH;方式2,接入ATM接口,传输方式为IP over ATM over SDH;方式3,接入数据调度网传输实时性业务的安全区I交换机上,传输方式为Ethernet over SDH。
下面对以上三种接入方式进行分析,由于方式1业务接入标准的SDH/PDH接口,在我国为2.048Mbit/s、34.368 Mbit/s、139.264 Mbit/s等三种。根据变电站规模的大小,广域继电保护子站到主站间的业务主要有:模拟量相量值、断路器状态信息、告警信息、监控管理类信息(MMS)等信息流,业务通信量一般介于三者之间,采用方式1并考虑到广域继电保护业务的扩展需选择较大的带宽接口(如:34.368 Mbit/s、139.264 Mbit/s),然后通过MSTP设备的级联技术按广域继电保护的业务设置适当的带宽,SDH/PDH接口能自适应MSTP设备所设置的带宽。但方式1需要以太网和SDH/PDH的接口转换,并且方式1是采用先进先出的发送方式,由于各种业务的优先等级不同,采用方式1不能保证高优先级业务的优先传输,从而影响高优先级业务的时延。
方式2,ATM是面向连接的,有较好的服务质量,能可靠地传送广域继电保护等敏感性数据业务,但由于ATM网络存在开销大、效率低的缺点,目前在电力通信网中已经较少应用,因此广域继电保护业务不适合采用方式2传输。
方式3,由于广域继电保护属于继电保护的范畴,电力行业将继电保护业务的网络传输和其他业务分离,并且由于继电保护自身的特点(速动性,时延要求在毫秒级),广域继电保护业务如果和其他多个业务共享链路带宽,会在一定程序上影响广域继电保护业务的传输时延,同时也会影响原有调度数据网实时性业务(如PMU业务,时延要求20~50 ms内),并且对数据调度网业务的扩展带来困难。
通过以上分析,本文建议将广域继电保护IED单独接入MSTP一个以太网接口,通过MSTP设备级联技术,根据广域继电保护传输业务量大小分配合适的独立带宽,使其独享网络带宽,不受其他业务的影响。同时采用网络服务质量Qos、调度策略和拥塞管理,如:MPLS+Diffserv服务,PQ调度,加权随机先期检测(WRED)等,保证广域继电保护业务端到端传输时延满足广域继电保护功能的要求;采用这种方式同时也满足电力行业将继电保护业务网络传输和其他业务分离的要求。
4 基于MSTP平台的WAPS通信组网
4.1 WAPS分层结构HVPLS网络拓扑结构
图3中接入MSTP设备以太网接口的业务有广域继电保护数据网和调度数据网、综合数据网,三种业务接入不同的以太网接口,各自具有独立的虚拟网桥(VB),各VB之间的数据是隔离的,并为各自分配独立的传输通道VCTRUNK。VCTRUNK为MSTP设备利用相邻级联或虚级联技术将多个VC捆绑在一起构成的逻辑通道。因此,可以为三种业务按各自的功能需求独立进行以太网业务组网。根据ITU-T G.etnsrv,MSTP承载以太网业务的类型有四种:专线特性组网方式的EPL以太专线业务和EVPL以太虚拟专线业务,二层交换特性组网方式的EPLAN以太专用局域网业务和EVPLAN以太虚拟专用局域网业务。
分层系统结构的广域继电保护为集中式业务,区域内各子站的TCU信息流都向主站的DCU汇聚,电网所有主站的DCU信息流汇聚到调度中心MU,实现的组网方式为点到多点(子站到主站,主站到调度中心)和多点到点(调度中心到主站,主站到子站)的形式。四种MSTP以太网业务类型都支持点到多点和多点到点的业务,其中EVPLAN最适合广域继电保护业务实时性和安全性的需求。
EVPLAN也称虚拟网桥服务,实现VPLS业务,VPLS是一种基于MPLS和以太网技术的二层VPN技术,使用EVPLAN组网通过VLAN ID和MPLS标签的双重隔离,达到不同用户的业务隔离,在子站与主站以及主站与调度中心间建立标签交换路径LSP(Label Switch Path),保证信息传输的实时性,还可以有效地避免广播风暴,同时采用二层VPN技术实现子站与主站以及主站与调度中心间的信息传输的安全性,从广域继电保护IED角度看EVPLAN是个大的虚拟局域网。
但在VPLS组网中,无论是以BGP方式,还是LDP方式为信令的VPLS,为了避免环路,其基本解决办法都是在信令上建立所有站点的全连接。如果一个VPLS有N台PE设备,该VPLS就有N(N-1)/2个连接。当VPLS的PE增多时,VPLS的连接数就成N平方级数增加。同时还存在一个缺点是提供VC的PE路由器需要复制数据包,对于第一个报文和广播、组播报文,每个PE设备需要向所有的对端设备广播报文,这样就会浪费带宽。为解决VPLS的全连接问题,增加网络的可扩展性,以及节约网络带宽,产生了HVPLS组网方案,通过分级连接,可以减少信令协议和数据包复制的负担,使得VPLS可以大规模应用,因此适合于电力通信网的应用。本文提出的WAPS分层结构的HVPLS典型组网如图4所示。
图4(a)为WAPS分层结构HVPLS组网物理连接拓扑,图中路由设备UPE、SPE都为MSTP设备,称为PE设备,支持HVPLS功能;广域继电保护IED直接接入PE设备。路由设备UPE表示用户的汇聚设备,即直接连接广域继电保护IED,称为下层PE。UPE支持路由和MPLS封装。SPE表示连接UPE并位于基本VPLS全连接网络内部的核心设备,称为上层PE,SPE也可直接接广域继电保护IED,并且UPE只需要与一台SPE建立连接。
图4(b)为图4(a)的逻辑连接网络拓扑,所有UPE和SPE设置在同一个自治系统AS内,低层次的VPLS因为和高层次的VPLS在同一个AS内,因此可以采用LDP PW方式接入BGP VPLS。因为整个电力通信网SPE数量仍然庞大,因此在调度中心的SPE上采用BGP路由放射器RR(Router Reflector)来减少全连接数量,通过RR反射来间接地达到逻辑上的全连接。广域继电保护IED通过链路AC(Attachment Circuit)接入PE,UPE和SPE通过虚链路PW(Pseudo-Wires)相连,AC为FE(Fiber Ethernet),PW为VCTRUNK。
区域1包括主站1和子站1~子站7,区域n包括主站2和子站6~子站12;其中子站6、7属于区域1和区域n,需与主站1、2交互信息。
4.2 广域网的信息传输方式和过程
MSTP以太网业务处理单板提供了汇聚功能,即以太网口对应多个VCTRUNK的数据都被从同一MAC地址接入或落地。可以为子站到主站或主站到调度中心提供多点到点和点到多点透传业务。
主站的一个以太网口与区域内的其他子站的以太网口进行通信,即主站的DCU接入SPE设备的一个以太网口对应多个VCTRUNK,每个VCTRUNK对应子站TCU接入UPE设备以太网口所配置的VCTRUNK;调度中心的一个以太网口与各区域主站的以太网口进行通信,即调度中心MU接入SPE设备的一个以太网口对应多个VCTRUNK,每个VCTRUNK对应各主站DCU接入SPE设备以太网口所配置的VCTRUNK。
采用这种方式实现了子站、主站、调度中心的互联,保证了业务对通道带宽需求;同时按照这种方式组网后,主站和调度中心的以太网板卡数量将大大减少,不但降低了成本,而且还减少了主站和调度中心SPE的以太网出线,降低了故障率。
以主站1、2和子站6、7为例,采用以上以太网传输方式,HVPLS业务网络传输的实现过程,如图5所示为HVPLS业务的应用示意图。采用虚拟局域网(VLAN)可以实现单播、组播功能并且能有效地降低广播风暴的危险。在各子站UPE设备上建立一个基于MAC地址的VLAN,如:子站6、7分别为VLAN6、VLAN7,将需要发送的主站DCU和调度中心MU的MAC地址加入此VLAN;在主站SPE建立基于MAC地址的VLAN,如:主站1、2分别为VLAN1、VLAN2,将区域内的子站TCU和调度中心MU的MAC地址加入此VLAN;以上所建的VLAN TAG标识可以相同也可以不同,通过MPLS标签来区分。下面介绍子站与主站的数据传输过程。
主站1下发广域继电保护动作指令到子站7的步骤如下:(1)主站1 DCU发送数据帧(源地址为MAC H,目的地址为MAC B)经SPE1设备VLAN封装后,根据报文的目的地址,查找虚拟交换实例VSI(Virtual Switch Instance),得到内层标签20(VC Label,VCTRUNK标识),然后将其转发到相应隧道,打上外层标签2(Tunnel Label,MPLS标识),这样就根据不同的地址得到了已建的LSP2。(2)SPE1与UPE7之间的UPE6对用户报文进行传递和标签交换,最终在倒数第二跳报文的外层标签被剥离。(3)UPE7收到该报文后,去掉内层标签,根据报文的目的MAC,查找VSI的表项,发现该报文应该被发往MAC B,剥离VLAN标识后发送到子站2的TCU。
子站6需同时向主站1、2发送模拟量和开关量信息,因此,子站6的TCU可以采用VLAN组播方式传输信息至两个主站,即TCU向VLAN6发送基于MAC地址广播信息,经UPE6设备VLAN封装,根据报文的目的地址,查找VSI后根据已建的LSP1和LSP4向主站1、2发送信息。
主站与调度中心间的信息传输方式和子站与主站间的信息传输方式相同。子站到调度中心间的信息传输需通过主站的SPE中转。
4.3 WAPS广域网络冗余设计
由于广域继电保护业务具有高可靠性要求,因此,要求基础传输网络具有很强的生存能力,一方面应采用完善的SDH环网和以太网业务保护机制,另一方面应采取设备冗余配置的策略。
由于广域继电保护业务为汇聚型,并且具有严格的时延要求,因此建议采用二纤双向子网连接保护SNCP,保护倒换后相对于二纤双向复用段保护MSP具有较小的时延;在两个相交环互通时,建议采用DNI双节点保护方式。在以太网业务保护方面,MSTP提供MPLS保护,建议采用1+1 LSP保护倒换方式;在MSTP设备中,优先启动SDH保护,然后才是LSP保护。在设备冗余配置的策略方面包括广域继电保护IED设备冗余、网络设备冗余、链路冗余。广域继电保护数据网业务接入冗余方案,如图6所示,图3~图5中只画出了单套设备。
广域继电保护IED和网络设备的冗余方面,图6中子站高压侧TCU为两套配置,网络设备UPE为单套配置,主站和调度中心由于其重要性,对DCU、MU和SPE均进行双套配置。在链路冗余方面,子站的两套TCU接入路由器UPE的一个以太网端口,UPE分别为2台TCU配置不同的VCTRUNK与两台汇聚路由器SPE相连;在主站两台DCU都接入两台汇聚路由器SPE的各1个以太网口,两台SPE间通过FE互连。两台汇聚路由器SPE分别与调度中心两台核心SPE相连,并分别配置不同的VCTRUNK。调度中心两台MU都接入两台核心路由器SPE的各1个以太网口。在以上设备连接中有环路时,网络设备UPE/SPE应启用快速生成树协议(RSTP),避免报文在环路网络中的增生和无限循环。
5 总结
高速、双向、实时、自愈、安全和可靠的网络是实现广域继电保护的基础。本文首先提出了广域继电保护的分层系统结构,分析了广域继电保护IED接入变电站网络和电力通信网的方式,建立了集中备用方式的全站统一网络结构和基于HVPLS广域继电保护分层系统的以太网组网方案,以及站间信息传输方式,最后设计了WAPS冗余方案。本文设计的广域继电保护通信网络不仅适用于IEC61850标准定义的基于TCP/IP的传输方式(MMS服务),而且适用于GOOSE和SV应用层直接映射到链路层的传输方式,为基于IEC61850的广域继电保护通信建模提供了基础。
摘要：广域继电保护为解决现有传统后备保护存在的突出问题提供了一种新的思路。实时、可靠的通信网络是实现广域继电保护的基础,为此,设计了广域继电保护的分层系统结构,将全网分为三层,即接入层、汇聚层、核心层。随后设计了变电站全站统一网络拓扑结构,将广域继电保护IED接入间隔层公共交换机,可收集站内相关间隔的信息。在接入电力通信网方面,将广域继电保护IED单独接入MSTP的一个以太网口的方式,建立了基于HVPLS的广域继电保护分层系统以太网网络拓扑结构、广域网络的信息传输方式和冗余设计方案。
关键词：广域继电保护,分层系统结构,全站统一网络,MSTP平台,HVPLS组网
参考文献
[1]徐岩,刘金生,张亚刚,等.聚类算法在电网故障元件定位应用中的研究[J].电力系统保护与控制,2010,38(12):13-18.XU Yan,LIU Jin-sheng,ZHANG Ya-gang,et al.Study of application of hierarchical cluster analysis in power net fault location[J].Power System Protection and Control,2010,38(12):13-18.
[2]高振兴,郭创新,俞斌,等.基于多源信息融合的电网故障诊断方法研究[J].电力系统保护与控制,2011,39(6):17-23.GAO Zhen-xing,GUO Chuang-xin,YU Bin,et al.Study of a fault diagnosis approach for power grid with information fusion based on multi-data resources[J].Power System Protection and Control,2011,39(6):17-23.
[3]Serizawa Y,Myoujin M.Wide area current differential backup protection employing broadband communications and time transfer systems[J].IEEE Trans on Power Delivery,1998,13(4):1046-1052.
[4]殷玮珺,袁丁,李俊刚,等.基于SDH网络的广域保护系统研究[J].电力系统保护与控制,2011,39(5):120-127.YIN Wei-jun,YUAN Ding,LI Jun-gang,et al.Research on wide-area protection system based on SDH network[J].Power System Protection and Control,2011,39(5):120-127.
[5]徐天奇,尹项根,游大海,等.广域保护系统功能与可行结构分析[J].电力系统保护与控制,2009,37(3):93-97.XU Tian-qi,YIN Xiang-gen,YOU Da-hai,et al.Analysis on functionality and feasible structure of wide area protection system[J].Power System Protection and Control,2009,37(3):93-97.
[6]童晓阳,王晓茹,Kenneth Hopkinson,等.广域后备保护多代理系统的仿真建模与实现[J].中国电机工程学报,2008,28(19):111-117.TONG Xiao-yang,WANG Xiao-ru,Kenneth Hopkinson,et al.Simulation modeling and implements of wide-area backup protection multi-agent system[J].Proceedings of the CSEE,2008,28(19):111-117.
[7]朱林,陈金富,段献忠.数字化变电站冗余体系结构的改进及其可靠性和经济性评估[J].电工技术学报,2009,24(10):147-151.ZHU Lin,CHEN Jin-fu,DUAN Xian-zhong.Improvement of redundant architecture in digital substation and its reliability&economic assessment[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2009,24(10):147-151.
[8]彭静,卢继平,汪洋,等.广域测量系统通信主干网的风险评估[J].中国电机工程学报,2010,30(4):84-90.PENG Jing,LU Ji-ping,WANG Yang,et al.Risk assessment of backbone communication network in WANS[J].Proceedings of the CSEE,2010,30(4):84-90.
[9]窦晓波,胡敏强,吴在军,等.数字化变电站通信网络的组建与冗余方案[J].电力自动化设备,2008,28(1):38-43.DOU Xiao-bo,HU Min-qiang,WU Zai-jun,et al.Configuration and redundancy of communication networks in digital substations[J].Electric Power Automation Equipment,2008,28(1):38-43.
[10]Andersson L,Brand K P,Brunner C,et al.Reliability investigations for SA communication architectures based on IEC61850[C]//2005IEEE Russia Power Tech,St.Petersburg,Rusia,2005.
[11]IEC62439high availability automation networks[S].2008.
广域通信网络 篇8
近年来随着智能电网的不断发展,如分布式电源接入、微网运行等新业务不断涌现,这些业务对继电保护提出了新的要求,基于本地测量信息的传统常规保护方式无法解决这些新问题。同时,各个领域近年来也发展了许多新技术(如光纤通信技术、新型传感器技术、计算机技术、时钟同步技术等)。这些新技术的研究与应用给继电保护提供了巨大的发展空间。在上述因素的共同促进下,基于广域测量信息的广域保护业务得到了越来越多的关注。
为了实现保护数据采集的同步以及各保护装置的信息交互与配合,各个广域保护装置之间需要有一个精确的时钟作为整个广域保护系统的统一时钟源,并通过高精密对时技术实现对数据采集单元和保护装置的时钟进行准确的同步。传统的微机继电保护将采集的各个电流/电压互感器的电气量模拟值通过电缆接入保护装置,由系统时钟通过控制总线驱动各个通道的模数转换器,同步精度很高。但是广域继电保护系统需要采集多个变电站的信息,如何在多个站点保持时间和数据的同步是广域继电保护的研究重点。目前变电站内现有的GPS时间信号可以为广域保护设备授时,但是这种授时方式存在选址困难和安全隐患高的问题。
传统的时间同步领域研究对基于天空源的同步做了大量的研究工作[1,2,3]。基于地面授时实现全网的时间同步的研究还相对较少[4,5]。特别是通过SDH网络给广域保护设备授时的研究尚处于探讨阶段[6]。
1 IEEE 1588v2时钟协议原理及应用分析
传统的时钟协议只能实现频率的同步,IEEE1588v2时钟协议是能够实现频率和相位同步的协议标准。IEEE 1588v2协议用于精确同步分布式网络通信中各个节点的时间同步。通过硬件和软件结合的方式实现从时钟与主时钟的同步。
IEEE 1588v2的基本原理是主从时钟之间周期性交换携带时间信息的握手报文,从时钟根据报文信息计算线路时延和时间偏差,进而校正从时钟的时间,IEEE 1588v2实现原理如图1所示。
图1 IEEE 1588v2实现原理Fig.1 The realization principle of IEEE 1588v2
图中,T1是Master端发送Sync报文的时间,T2是Slave端收到Sync报文的时间,d1是Sync报文从发送到接收所消耗的时间,T3是Slave端发送Request报文的时间,T4是Master端收到Request报文的时间,d2是Request报文从发送到接收所消耗的时间。当3次握手后,Slave端就可以得到完整的T1、T2、T3、T4信息,从而计算出d1和d2。
根据T1、T2、T3、T4,可以求得时间偏差Δ和线路时延d,通过⊿和d调整Slave端的时间:
假设来回报文路径对称,即d1=d2,则可得:
可以看出,⊿、d只与T2和T1差值、T3和T4差值相关,而与T2和T3差值无关,即Slave端处理请求所需的时间不影响时间偏差的计算。Slave端根据时间偏差Δ和线路时延d实时调整以保持和Master端的时钟同步。
由上述1588v2时间同步原理可知,1588v2时间同步是建立在Master和Slave之间的收发链路时延对称的基础上,如果发生路由倒换,就会造成Master和Slave之间的收发链路时延不对称,将引入同步误差,误差的大小为链路时延不对称的二分之一。在实际网络环境中,如果收发链路的长度存在1 m的不对称将引入2.5 ns的时间同步误差,400 m的不对称将引入1μs的时间同步误差。在实际网络中,很难精确控制全网端到端的光纤不对称在400 m以内。为消除保护倒换对授时精度带来的影响,必须研究SDH路由倒换时延补偿,解决路由倒换造成的时延不对称问题。
2 SDH路由倒换监测和时延补偿的方法
SDH网络具有自愈环的特点,当主用链路出现光纤断路故障,通信业务将自动切换到保护链路,以确保通信网络可靠性。由于保护链路光缆长度、SDH设备数量与主用链路不同,以致链路时延发生变化。
SDH路由保护倒换链路时延变化ΔT=ΔN×3×0.125+ΔL×4.89(ms),ΔN、ΔL为主用链路与保护链路设备数量差值、光缆长度差值,单位km。按时延变化小于2μs考虑,ΔN、ΔL的取值范围:{(ΔN,ΔL)|ΔN×3×0.125+ΔL×4.89<0.2},ΔN最大不能超过0.53台设备,ΔL不能超过0.41 km。实际链路情况远不止这些差异,故以2μs为限判定SDH路由保护倒换事件的产生应是合理的。另外,SDH各类路由保护倒换时间需小于50 ms。SDH路由保护倒换具有时延变化大、倒换时间短的特点。
检测地面时间参考源路由变化需有合适的基准时钟,该时钟的噪声应远低于参考噪声基底变化,以便鉴别出参考时延特征值,识别出参考源路由变化。
如果外部频率参考接铯原子钟设备,基准时钟的条件肯定满足,但更多的应用场景,外部频率参考连接SDH设备E1外时钟输出。SDH设备E1外时钟输出溯源上游区域基准时钟源(Local Primary Reference,LPR)或者基准参考时钟(Primary Reference Clock,PRC),在这些措施保障下,时钟性能可达1E-11的准确度。
按ΔT=Δf/f×t(Δf/f为时钟准确度,ΔT为时间偏差,t为观察时间)推导1天内时间偏差,若ΔT=1μs,Δf/f=1E–11,则t=27.78 h。即在Δf/f=1E–11的频率准确度的情况,以该频率守时,1天内时间偏差不会超过1μs。因此,在SDH地面链路时钟同步良好的情况下,外部频率参考也可以作为SDH路由保护倒换的判别基准。
根据以上分析,设备具备大楼综合定时系统(Building Integrated Timing System,BITS)参考时,最有条件判别SDH路由倒换事件。外部频率参考为SDH设备外时钟时,只要SDH地面链路时钟同步良好,外部频率参考也具备SDH路由保护倒换的判别条件。路由倒换时延检测与补偿流程如图2所示。
确定检测基准后,可采用滑动窗口平均法检测路由变化:用基准与参考做相位比对,每秒取1次采样值,按6个点计算滑动平均,100个点为一组,计算100个点内的均值方差。当计算出的均值大于误差限值(或绝对值大于原特征值B′)并稳定15 min后确认为噪声基底发生变化,通过对原特征值B′校准δ值,形成新的时延特征值B,设备本振时间相位时延补偿B值后输出,以实现时间相位误差σ的指标要求,如小于100 ns。路由倒换时延补偿效果示意如图3所示。误差限值δ可以由人工输入指定,一般按2μs误差限值作为SDH路由保护倒换事件判定依据是合适的。
图2 路由倒换时延检测与补偿流程Fig.2 Routing switching delay testing and compensation process
图3 路由倒换时延补偿效果示意Fig.3 Diagram of the routing switching delay compensation effect
3 测试及分析
按照图4搭建测试环境,时间同步设备主端通过SDH传输网络向时间同步设备从端提供地面时间同步参考,时间同步从端设备稳定跟踪卫星参考后断开卫星参考,时间同步分析仪监测时间同步从端设备时间相位输出。
注:基于SDH的多业务传送平台(Multi-Service Transfer Platform,MSTP);秒脉冲(Pulse per Second,PPS);日时间(Time of Day,TOD)。
图4 测试环境示意Fig.4 Schematic diagram of the test environment
通过网管设置,实际产生主从用路径,并进行保护路径倒换测试,验证路由倒换监测和时延补偿方法的应用效果。
本次测试,设置时间同步设备主端跟踪GPS,并接入MSTP1设备。时间同步设备从端接入MSTP4设备,并接收MSTP4传输的精确时间同步协议(Precision Timing Protocol,PTP)报文。倒换前PTP授时路径如图5所示,在网管上设置的PTP授时路径,其中绿色实线为主用授时路径,绿色虚线为备用授时路径,从MSTP2经MSTP1至MSTP4。
图5 倒换前PTP授时路径Fig.5 PTP timing path before switching
测试结果如下。
1)倒换前先通过时间同步分析仪对比时间同步设备主端和时间同步设备从端的时间信息,两者时间偏差6~8 ns。
2)中断MSTP1与MSTP2之间的光纤,SDH设备发生路由倒换,PTP授时链路切换到MSTP1与MSTP3的备用路径,倒换后PTP授时路径如图6所示。时间同步分析仪采集到的数据表明倒换后时间偏差6~9 ns。
3)恢复光纤,在网管上配置路由倒换,PTP授时链路切回到MSTP1与MSTP2的主用路径,采集到的时间偏差为5~10 ns。
图6 倒换后PTP授时路径Fig.6 PTP timing path after switching
由上述测试结果可以看出,倒换前后时间同步设备主端和时间同步设备从端的时间偏差变化很小,远小于广域控制保护业务要求的1μs的要求,本文提出的路由倒换监测和时延补偿的方法可以有效降低SDH网络路由切换对授时精度的影响,满足广域控制保护业务对时间同步的需求。
4 结语
为了提高地面授时的准确度,本文研究了SDH网络的链路保护倒换导致的单向时延变化的问题,提出一种SDH路由倒换监测和时延补偿的方法,并通过测试验证了该方法的有效性。研究结果表明,SDH网络承载时间同步信息的准确度可以满足广域继电保护业务的要求,为广域保护业务在电力系统大规模应用铺平了道路。
参考文献
[1]刘晓刚,吴晓平,张传定.卫星双向共视法时间比对计算模型及其精度评估[J].测绘学报,2009,38(5):415-421.LIU Xiao-gang,WU Xiao-ping,ZHANG Chuan-ding.Computational model and its precision evaluation for time comparison by two-way satellite common-view[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2009,38(5):415-421.
[2]徐瑛丽,周春丰,高翔.时间同步系统在电网二次设备中的应用与探讨[J].电力信息与通信技术,2013,11(9):80-84.XU Ying-li,ZHOU Chun-feng,GAO Xiang.Application and discussion of time synchronization system in power grid secondary equipments[J].Electric Power Information and Communication Technology,2013,11(9):80-84.
[3]苏永春,刘祺.时间同步技术在智能变电站的应用[J].江西电力,2010,34(4):6-8.SU Yong-chun,LIU Qi.Time synchronization and its application in smart substation[J].Jiangxi Electric Power,2010,34(4):6-8.
[4]王玉东,尤天晴.电力系统时间同步组网研究[J].电力系统通信,2009,30(7):64-67.WANG Yu-dong,YOU Tian-qing.Study on time-synchronization networking of power system[J].Telecommunications for Electric Power System,2009,30(7):64-67.
[5]毛婕,丁腾波,赵萌.浙江电网时间同步网建设探讨[J].电力系统通信,2009,30(203):34-41.MAO Jie,DING Teng-bo,ZHAO Meng.Discussion on theconstruction of time synchronization networkof Zhejiang power grid[J].Telecommunications for Electric Power System,2009,30(7):64-67.
广域通信网络 篇9
广域保护作为一个新兴研究课题,得到了国内外电力工作者的广泛关注,并取得了大量研究成果[1,2,3]。但目前大多研究一般都假定通信通道完整健全,一旦通信通道损坏这些研究成果的应用将遇到困难。当发生极端灾变时,如2008年南方的冰雪灾害,电网普遍使用OPGW光缆网络易被损坏,造成通信中断,公用光纤通信网络也可能发生类似故障;灾害还会造成GPRS网络基站出现停电,导致依赖其转发数据的监测功能失效;另外,人为破坏(包括恐怖袭击)也会造成通信系统的中断[4];特别对于不存在任何迂回通路的“信息孤岛”这一问题显得更为严重。灾变发生时尽可能保持线路运行尤为重要,但通信中断将导致线路主保护以至线路被迫退出运行,而且发生灾变时通信通道修复困难而在短时间内难以恢复,会延长线路停运时间。因此,灾变形势下通信通道的紧急重构对于保障(广域)继电保护运行是一个重要和亟需解决的问题。
传统的引导线、电力线载波、光纤等通信方式具有依赖基础设施的缺点,而无线自组织网络的发展为解决紧急通信通道问题提供了契机。无线自组织网络分为移动Ad hoc网络和WSN两种。Ad hoc网络体系结构和Qos保障和应用都较为复杂,而WSN具有高监测精度、高容错性、自组织、自适应、动态拓扑等优点[5,6,7,8],为灾变时(广域)继电保护紧急通信通道的重构提供了一种可行的方案。
1 WSN的网络结构与特点
WSN通常是指由一组具有采集、传输和处理数据功能的节点通过自组织的方式构成的无线网络,通过节点间的协同工作来对网络覆盖区域中的目标信息作应用相关的处理[8]。图1为WSN应用于继电保护通信的网络结构。
如图1所示,WSN在构建继电保护通信通道时主要由四部分组成:(1)数据采集板,用于数据采集;(2)路由节点,用于数据的转发;(3)网关,WSN与保护装置连接的桥梁;(4)保护装置,汇聚、存储、处理数据。
WSN相对于继电保护的传统通信方式具有独特的优势:(1)WSN的节点集成了数据采集、通信和处理等功能,设备装置简单,不需要复杂的通信布线,性价比高;(2)WSN节点分布广,部署密集,减少了盲区,具有较强的容错能力;(3)对于远距离输电线路、偏远或环境恶劣地区的巡线、故障定位以及灾害天气等紧急场合的通信,WSN具有独特优势;(4)针对不同的应用场景,可以配置不同的传感器,搭建基于不同保护方案的WSN;(5)WSN具有自组织、动态拓扑的特性,可以适应网络拓扑结构的快速变化而不需添加设备。WSN的特点使其适用于电力系统紧急通信通道的重构。
2 WSN系统方案设计
2.1 组网方案设计
基于图1的网络结构图,本文在构建通道时主要采用Crossbow公司的无线通信系列产品实现组网研究。组网硬件配置为:(1)数据采集板。采用MDA320CA,具8通道16位模拟输入。(2)路由节点。采用无线模块IRIS XM2110CA,节点间视距离可达500 m,具有250 kbps的数据传输速率。(3)网关。采用具有以太网接口的无线网关MIB600,便于保护装置的接入。(4)装置。为便于测试,本文采用PC机模拟保护装置,实现无线节点的配置、数据的接收和发送以及数据的记录和处理等。
WSN采用如下工作方式:数据采集板安装于感兴趣的位置并与节点连接;路由节点分布在监控区域内,通过自组织的方式构成网络;汇聚节点和网关连接组成基站,与PC机连接,将数据送给客户端。传感器测得数据后通过与其相连的节点将数据广播到传感器网络,数据通过路由节点经多跳的方式传送到基站节点,由汇聚节点将普通节点传来的数据汇聚于PC机上进行处理。
2.2 WSN的关键技术
WSN具有应用相关性,结合广域保护对数据传输快速性和可靠性的要求,本文主要针对WSN数据传输和数据处理等几个关键技术进行研究。
1)路由协议。
路由协议主要有两方面的功能,一是搜索满足条件的从源节点到目的节点的优化路径,二是转发数据。本文采用XMesh路由协议[9]。XMesh是一种多跳的、自组织、自适应的路由协议。它提供了三种通信机制:Upstream负责将节点上的数据包传输给基站;Downstream负责将基站的数据包发送给网络中的节点;Single Hop只能将数据包传送给邻居节点。为保障Upstream的通信质量,使用了一种链路质量评估算法来选择父节点,进而找到最佳路径形成网络。首先定义节点从邻居节点接受数据包的链路质量为RE(Receive Estimate),发送数据包到邻居节点的链路质量为SE(Send Estimate)。对于RE的计算,采用EWMA算法:
其中,alpha是EWMA因素,介于0～1。SE从邻居路由信息中获取。
其次,定义发送数据到邻居节点的消耗LC(Link Cost),邻居节点消耗NC(Neighbor’s Cost),发送消息到基站的消耗OC。NC从路由信息中获取,LC和OC算法如下:
节点选择OC值最低的邻居节点作为父节点,作为路由信息的一部分。路由更新信息每个RUI(Route Update Interval)广播一次,建立路由表,进而形成网络,如图2所示。
2)数据可靠性。
数据可靠性对于电力系统广域继电保护至关重要。本文建立的WSN采用了如下机制对数据的可靠性进行保障。
第一,XMesh路由协议具有动态拓扑组织的能力。当某节点因故障等原因而退出网络时,网络可以通过其他节点快速建立新路径完成数据的传输。
第二,采用链路质量评估算法作为父节点选择的依据,为数据选择最优传输路径,提高了节点间通信的可靠性。
第三,可以选择使用end-to-end确认机制。数据通过网络传到基站后,基站将返回一个确认信息给原始节点。
第四,采用CRC校验算法,通信接收方可以根据帧校验序列判断数据是否正确,从而指示发送方是否重发数据或者继续其他工作。
第五,可以通过健康数据包随时了解网络中节点电池电压、节点信号强度及通信链路的健康状况。如果网络健康出现状况,可以随时对网络进行调整,进而保障了通信的可靠性。
3)数据融合
感知数据常常含有大量的冗余数据,若采取一定的数据融合技术可以有效地减少数据的传输量,减少碰撞冲突现象,降低网络通信开销,节省能量和带宽,降低延时。可以采取如下数据融合技术:对数据设置阈值,只有在有效范围内的数据才进行传输;根据数据特征对数据分类,表示为一系列的特征向量进行传输;对数据进行简单的运算,判断数据的类型,传输保护需求的数据。
4)延时。
速动性是继电保护的基本要求之一,因此,降低WSN数据传输的延时是应用WSN重构继电保护通信通道的关键技术。在多跳网络中,每跳传输的延时包括载波侦听延时、退避延时、休眠延时、传输延时、传播延时、处理延时和排队延时等。本文采取如下方法降低延时:
第一,数据碰撞冲突可能导致数据破坏而被丢弃,随后数据重发增加了传输延时。ZigBee协议采用CSMA/CA算法来避免碰撞冲突,降低退避延时。
第二,取消多数WSN采用的休眠调度机制,网络中所有节点始终处于打开状态,随时可以接收转发数据包,消除了侦听与休眠转换延时。
第三,采用上文介绍的数据融合技术,降低网络载荷流量,减少了排队延时。
第四,接受信号功率随着距离的增大而下降,可以增加网络中节点的密集程度降低延时。
因此,本文搭建的WSN延时主要有两部分:载波侦听延时(tcs)和传输延时(ttx)。其中tcs由竞争窗口大小决定,ttx由信道带宽以及所采用的分组长度和编码方案决定。设n跳的延时为D(n),n跳的平均延时为:E[D(n)]=n(tcs+ttx)。多跳延时随转发节点的增加而线性增大。
另外,针对不用的应用对象和具体条件,路由节点可以采取不同的布置方式:固定安装于线路上或通过临时撒播的方式散布在监控区域内。根据路由协议,路由路径是由发送消息到基站的消耗OC决定的,而OC值的大小主要取决于节点的能量状况和节点间的距离。当节点固定安装于线路上并采用固定取能方式,如太阳能供能或小CT取能[10]时,节点能量状况不会发生变化,路由路径固定,数据传输延迟不会发生变化。当取能装置损坏、供电线路灾变或者采用撒播方式布置节点时,路由节点必须采用电池供能,考虑到节点的最大化供能时间,逐次轮休节点,切换节点路径相当重要,此时链路会发生变化,但链路变化也只限于一个路由节点被相邻OC值较低的节点替换,即载波侦听延时基本不变,而由于节点距离的改变导致传播延迟又较小,因此路径发生变化对网络整体延迟影响很小。
3 WSN实验
3.1 软件设计
无线传感器网络节点的选择决定了其软件平台,平台间的主要区别是采用了不同的处理器、无线通信协议和与应用相关的传感器。本文基于上一节的组网方案,选择MoteWork软件包作为WSN的软件测试平台。
考虑到实验的主要目的是测试传输延时,实验中取消一般的数据采集,周期性的传输预先设定的数据。因此,路由节点程序的设计是系统软件设计的关键环节,图3为其程序流程图。
3.2 实验结果及分析
图4为实验中节点布置示意图,为设置传输距离方便,路由节点采用正方形布置,正方形边长为300 m。数据传输路径由路由协议根据网络中节点通信情况自主选择。
基于图4所示网络,实验测试了不同转发跳数、不同负载率下数据传输的延时,如表1所示。
由表1结果可以看出:a)在实验采用的协议及硬件条件下,单跳延时为3 ms左右,多跳延时随转发跳数的增加而线性增大;b)随着负载的增加,传输延时有一定的增加。
4 基于WSN的继电保护仿真分析
为了更好地说明利用WSN构建广域保护紧急通信通道的可行性,仿真采用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件搭建一条长度为20 km的220 k V输电线路仿真模型,广域继电保护决策中心通过该线路基于WSN重构通信通道实现测量数据的传输。试验选取广域电流差动保护为算例,利用上一节的WSN实验数据来模拟通道数据传输延时。以下就仿真中的关键设置与结果进行说明。
1)无线传感器节点的选型与布点
无线传感器节点采用IRIS,在20 km线路沿线每隔500 m均匀布点。数据传输速率设置为250kbps,每包信息最长为73字节,其中有效数据最大支持46字节(固定27字节的协议开销)。
2)有效数据结构
仿真系统中,采样速率为每周波32点。考虑到无线传感器传输速率与每包信息长度的限制,结合表1中的实验数据,设定线路N侧每隔5 ms向M侧发送一包数据,并采用传输三相电流相量实、虚部的方案。传输有效数据结构如表2。
表2中,保护信息字包括本侧的逻辑量与控制信息;同步信息字为时标;校验码为有效数据的校验值,仿真中采用CRC循环校验码。
3)同步
常规纵联保护的同步是采用基于固定链路延时的点对点同步方案。但广域网络中,不可能采用点对点同步方式实现全网同步。随着广域同步测量技术的发展和北斗同步卫星的民用,基于卫星同步技术的全网同步方案是广域继电保护同步测量的基础。所以,本文研究差动保护不再以点对点同步方式,而是基于广域同步技术,利用两边测量信息的同步时标实现同步测量的保护计算。当然,考虑到卫星同步的可靠性,在失去卫星同步时,则利用故障时刻线路两端保护启动时刻的计数时标作为同步时标的依据。
4)差动保护方案
仿真实验配置了分相电流差动与零序电流差动保护。系统如图5所示。
分相电流差动保护的动作判据为
5)仿真结果
分别在线路的首端、中点和末端模拟不同类型的故障,再由无线传感器仿真系统传输两侧信息到对侧进行计算,以线路出口发生ABC三相短路故障为例,出口发生三相短路时三相的差流与跳闸信号如图6所示。图中线路在0.15 s时发生故障,差动保护大约于200 ms后发出跳令,其他不同类型,不同位置发生金属性故障时的仿真结果也可得到近似的保护出口时间,限于篇幅,此处不再给出其余仿真结果。
差动保护的动作时间与无线传感器的传输速率、有效传输距离、撒播方式以及线路长度等因素有关。从仿真的结果来看,采用本文选用的传感器节点构建的WSN通信通道,作为主保护的通信通道延时稍长,但作为广域继电保护,在主保护退出时,基本能够承担起主保护的任务。特别是随着无线传感技术的发展,目前已出现一些数据传输速率达到1 000 kbps的传感器节点,另外一些节点传输距离可以达到2 km,如果采用这类节点,数据传输时间可以得到进一步缩小,纵联保护动作的时间将会更快。仍以本仿真中20 km线路模型为例,纵联差动保护预计动作时间与无线传感器传输速率及传输距离间的关系如表3所示。
可以预见,随着无线传感器技术的快速发展,传感器节点的性能将得到进一步提高。WSN不仅能够紧急重构广域保护的通信通道,在极端灾变时若允许适当降低主保护动作速度,也能承担线路纵联主保护通信通道的功能。
5 结语
本文为应对电网灾变时,因电网普遍使用的通信通道中断导致主保护以致线路退出运行问题,以及导致广域继电保护无法正常工作的问题,提出并研究了利用WSN构建紧急通信通道,以临时恢复继电保护运行的技术原理和方案。
1)提出基于WSN重构广域保护通信通道的组网方案。文章介绍了WSN组网的路由协议,分析了数据的可靠性,数据融合及延时等关键技术问题,并提出了相应的解决方案。
2)构建WSN试验平台,针对继电保护关心的延时问题进行多方面测试。将测试结果应用于纵联保护仿真中,结果显示本文提出的基于WSN的紧急通信通道重构方案能够满足广域保护的需要。
摘要：电网发生极端灾变时常因OPGW光缆损坏而引起通信中断,导致线路主保护乃至线路被迫退出运行,广域保护也会发生类似问题。基于无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)技术,提出广域保护紧急通信通道的重构方案。介绍了WSN的系统结构和特点,分析了WSN在发生电网灾变时相对于传统通信方式的优势,并探讨了WSN应用于通信通道重构时的路由协议、数据可靠性,数据融合及延时等关键技术。进而结合纵联电流差动保护,测试不同负载率下的WSN传输实验,并将测试结果应用于广域保护的数字仿真中,结果显示基于WSN重构紧急通信通道能够满足广域保护的需要。在极端灾变时若允许适当降低主保护动作速度,上述方案也能为线路纵联主保护提供通信通道。
关键词：广域保护,无线传感器网络,灾变,通信通道重构,纵联保护
参考文献
[1]Novosel D,Bartok G,Henneberg G,et al.IEEE PSRC report on performance of relaying during wide-area stressed conditions[J].IEEE Trans Power Del,2010,25(1):3-16.
[2]Tang J,McLaren P G..A wide area differential backup protection scheme for shipboard application[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2006,21(3):1183-1190.
[3]徐天奇,尹项根,游大海,等.广域保护系统功能与可行结构分析[J].电力系统保护与控制,2009,37(3):93-97.XU Tian-qi,YIN Xiang-gen,YOU Da-hai,et al.Analysis on functionality and feasible structure of wide area protection system[J].Power System Protection and Control,2009,37(3):93-97.
[4]León R A,Vittal V,Manimaran G.Application of sensor network for secure electric energy infrastructure[J].IEEE Trans on Power Delivery,2007,22(2):10-21
[5]王晓芳,李付亮,袁旭龙,等.采用无线传感器网络的分布式母线保护[J].电力系统保护与控制,2010,38(8):76-80.WANG Xiao-fang,LI Fu-liang,YUAN Xu-long,et al.Distributed busbar protection using wireless sensor network[J].Power System Protection and Control,2010,38(8):76-80.
[6]王阳光,尹项根,游大海,等.应用于变电站自动化系统的无线传感器网络技术[J].电网技术,2009,33(2):20-26.WANG Yang-guang,YIN Xiang-gen,YOU Da-hai,et al.Application of wireless sensor networks in substation automation systems[J].Power System Technology,2009,33(2):22-26.
[7]黄绪勇,刘沛,苗世洪,等.无线传感自组网在电力监控中的应用动态[J].电力系统自动化,2007,31(7):99.HUANG Xu-yong,LIU Pei,MIAO Shi-hong,et al.Application of wireless sensor networks in power monitoring system[J].Automation of Electric Power Systems,2007,31(7):99.
[8]孙强,朱海峰,徐晨,等.基于ADF7020和LPC2134的WSN电力抄表系统[J].电力系统保护与控制,2010,38(3):110-113.SUN Qiang,ZHU Hai-feng,XU Chen,et al.WSN electricity meter reading system based on ADF7020and LPC2134[J].Power System Protection and Control,2010,38(3):110-113.
[9]Crossbow XMesh User’s Manual[R].Revision.2007.