基于柔性scada的電力系統(tǒng)通信

基于柔性scada的電力系統(tǒng)通信

0通信系統(tǒng)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中應(yīng)用的必要性近年來，信息技術(shù)、通信技術(shù)和計算機科學技術(shù)的快速發(fā)展對能源系統(tǒng)的生產(chǎn)和管理產(chǎn)生了重大影響。現(xiàn)代的通信網(wǎng)絡(luò)和傳輸手段使大容量、高速度的廣域通信迅速普及。通信系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)運行和控制的中樞神經(jīng),利用現(xiàn)代通信手段改造電力系統(tǒng)通信網(wǎng)的必要性已經(jīng)不再為人們所置疑。原有的通信系統(tǒng)在以下幾個方面制約著電網(wǎng)自動化的進一步發(fā)展:1)EMS功能的擴充和完善。隨著現(xiàn)代電網(wǎng)對運行和服務(wù)水平的更高要求,原有SCADA系統(tǒng)已經(jīng)不能完全滿足許多電網(wǎng)高級應(yīng)用的需求,不能為相應(yīng)的電力系統(tǒng)分析軟件提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)。當前的SCADA為EMS上傳的數(shù)據(jù)主要都是為電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行服務(wù)的,它所傳送的信息對于處理常規(guī)的負荷變化、電壓、頻率小范圍波動等擾動已經(jīng)足夠使用。但現(xiàn)代電力系統(tǒng)必須要能快速準確地處理各種難以預計的故障,才能滿足優(yōu)質(zhì)的供電服務(wù)。長期以來,“決策”是所有EMS開發(fā)人員追求的一個目標,但不能處理故障的EMS就不算是具有決策功能。因此,在EMS中急需加入為故障及暫態(tài)、檢修等服務(wù)的功能模塊。要做到這些,底層的數(shù)據(jù)通信是最基本而又首要的問題。2)電力市場化改革。電力市場是電力體制的一次重大改革,它不僅影響電力系統(tǒng)的運營方式,還給電網(wǎng)分析和控制提出了更高的要求。通信系統(tǒng)同樣面臨著新的問題。發(fā)電側(cè)電力市場要求有強大的信息系統(tǒng)的支持,參與交易的各電廠和交易中心通過信息系統(tǒng)聯(lián)系在一起,各方要能公平、公正、公開地在網(wǎng)上完成電力交易。原有的通信方式無論在容量上,還是在安全性上都存在缺陷。3)新興的各種電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)。生產(chǎn)、管理及辦公等局域網(wǎng)的建設(shè)加速了對局域網(wǎng)廣域互聯(lián)的要求,無人值班、視頻監(jiān)控、會議電視以及各種多媒體業(yè)務(wù)等都要求網(wǎng)絡(luò)帶寬和可靠性的提高。4)配網(wǎng)自動化、需方管理自動化等也都需要更高的帶寬和通信接口的靈活性。目前許多地區(qū)已經(jīng)架設(shè)了大量的光纖網(wǎng),光纖網(wǎng)構(gòu)成了新的電力信息網(wǎng)的主要通信介質(zhì),這為應(yīng)用現(xiàn)代大容量、高速度的通信手段提供了基礎(chǔ)。然而,經(jīng)過對現(xiàn)場多處自動化系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的調(diào)研,我們發(fā)現(xiàn)對于新的通信系統(tǒng)的應(yīng)用卻還不盡如人意。在很多地區(qū)已經(jīng)架設(shè)了大量的光纖,做到了光纖到變電站,但光纖帶寬的利用率卻特別低,其上所傳輸?shù)娜匀粌H是四遙數(shù)據(jù),四遙以外的許多信號調(diào)度和其他遠方終端卻無法得到,調(diào)度用電話也不是通過專用的電力系統(tǒng)通信網(wǎng)聯(lián)系的,更不用說各種電力系統(tǒng)的多媒體、圖象監(jiān)控等新業(yè)務(wù)了。利用光纖所提供的帶寬資源和高速通信特點,可以將現(xiàn)有電力系統(tǒng)中的所有通信業(yè)務(wù)都集中實現(xiàn)和管理,將語音、數(shù)據(jù)、圖象和多媒體等業(yè)務(wù)統(tǒng)一在一個通信平臺上,形成典型的多業(yè)務(wù)綜合和廣域互聯(lián)網(wǎng)。這就是提出“柔性SCADA”的背景與它所要解決的問題。1柔性scada系統(tǒng)的內(nèi)容1.1柔性scda本文提出的“柔性SCADA”就是在高速的廣域網(wǎng)基礎(chǔ)上,利用IP技術(shù)建立起來的一種網(wǎng)絡(luò)化的遠動通信系統(tǒng)?！叭嵝浴敝傅氖荢CADA系統(tǒng)不再是點對點的固定路徑通信,而是能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(或多個)節(jié)點間、在任意時刻的通信;通信結(jié)束后帶寬還可以被釋放,用于其他應(yīng)用;兩點間通信所使用的協(xié)議將在原有的CDT規(guī)約和Polling規(guī)約的基礎(chǔ)上加入靈活的IP協(xié)議,理論上它可以承載任何類型的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)。柔性SCADA的特點是將現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的靈活性和多業(yè)務(wù)能力融入到電力系統(tǒng)遠動中,彌補現(xiàn)有SCADA的不足,實現(xiàn)靈活的交互式通信網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)內(nèi)容也不再限于四遙數(shù)據(jù),原則上可以是任何遠端需要的信息,可以是數(shù)據(jù),也可以是圖像,還可以是傳統(tǒng)的話音。IP技術(shù)則充分發(fā)揮和體現(xiàn)了智能終端在網(wǎng)絡(luò)中的地位和作用,進一步實現(xiàn)了電力系統(tǒng)的分層分布協(xié)調(diào)與控制。1.2數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和圖像業(yè)務(wù)柔性SCADA可以承載3類業(yè)務(wù):數(shù)據(jù)、話音和圖像。1)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是柔性SCADA的核心成分,其提供的應(yīng)用也最為豐富。電力系統(tǒng)中存在大量的運行、保護和監(jiān)控元件,如能做到對這些元件的運行狀況進行遠程監(jiān)控和管理,將使運行人員的工作任務(wù)減輕許多,系統(tǒng)工作的可靠性也會得到改善。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)包括傳統(tǒng)的四遙數(shù)據(jù),還有保護、錄波等的動作信息和日常維護的一些必要信息。后者不同于四遙數(shù)據(jù),這些信息是供運行人員和值班人員維護元件日常運行或有報警發(fā)生時查詢元件狀態(tài)用的,只有在觸發(fā)或有遠方調(diào)用時才需要占用帶寬進行傳輸,平時這些數(shù)據(jù)不參與傳送。2)話音業(yè)務(wù)是指變電站的調(diào)度用電話,這部分帶寬也不必再通過載波或市話得到,完全可以在光纖網(wǎng)中傳輸。3)圖像業(yè)務(wù)是指無人值班變電站的圖像監(jiān)控以及各種會議電視等多媒體業(yè)務(wù)。SCADA系統(tǒng)是EMS的信息平臺,從某種意義上說,SCADA系統(tǒng)所能提供的信息決定了EMS的功能與發(fā)展。現(xiàn)有SCADA數(shù)據(jù)多數(shù)都是為穩(wěn)態(tài)運行服務(wù)的,柔性SCADA的應(yīng)用將為EMS提供比現(xiàn)在豐富得多的數(shù)據(jù)類型,從而在信息源層面上擴展了EMS的應(yīng)用環(huán)境和分析水平,這是提高電網(wǎng)運行自動化水平的首要前提,是實現(xiàn)將來數(shù)字電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)準備。2scada高速網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建2.1ipwelldmm技術(shù),主要是ip于變電站的通信方式無論選擇哪種廣域網(wǎng)連接方式,ATM或SDH,都可以建設(shè)柔性SCADA。柔性SCADA中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是核心部分,它所能提供的服務(wù)是最豐富、最有潛力的。其關(guān)鍵是利用廣域網(wǎng)技術(shù)和IP技術(shù),將各變電站和調(diào)度通過IP網(wǎng)聯(lián)系起來,使變電站和調(diào)度間有可以承載IP的網(wǎng)絡(luò)交互數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的傳輸載體是IP包。IP的承載是一個關(guān)鍵問題,目前幾種較為常見的是IPoverSDH,IPoverATM,IPoverWDM。幾種方式各有優(yōu)缺點,綜合看,IPoverATM更適合在電力通信網(wǎng)中采用。因為ATM的多業(yè)務(wù)綜合能力和良好的服務(wù)質(zhì)量保證對于電力系統(tǒng)通信是很有吸引力的。但ATM的缺點是價錢昂貴,傳輸距離也受限制(40km)。IPoverSDH技術(shù)較為成熟,優(yōu)點是實現(xiàn)簡單,傳輸容量大;但SDH在功能上對應(yīng)于傳輸層,它沒有交換層功能,還必須配以交換機、路由器等設(shè)備才能完成交換業(yè)務(wù),可能會造成設(shè)備的浪費;IPoverWDM的優(yōu)點是帶寬資源,按照摩爾定律和當前光纖的容量,采用DWDM技術(shù)的單根光纖,其容量就幾乎趨于無窮大,但推薦IPoverOptical的距離最好不超過70km。無論采用哪種方式承載IP業(yè)務(wù),其目的都是一樣的,即為我們提供靈活的端到端的通信能力。在第一步只能實現(xiàn)IP到變電站的條件下,應(yīng)先將站中的數(shù)據(jù)有效加以組織、分類,面向應(yīng)用進行信息共享規(guī)劃。由于傳統(tǒng)的四遙數(shù)據(jù)是通過RTU方式傳送到調(diào)度的,這一部分可以占用單獨的通道和調(diào)度端相連,因此這里只討論四遙以外的數(shù)據(jù)以IP方式遠傳到調(diào)度的實現(xiàn)。2.2基于tcp./ip的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)在變電站一種連接拓撲關(guān)系如圖1(綜合自動化站),具體功能如下:1)規(guī)約轉(zhuǎn)換與統(tǒng)一。在變電站當?shù)卦O(shè)置若干臺計算機來負責變電站所有設(shè)備信息的就地收集與管理,并將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成標準的數(shù)據(jù)格式,使之符合IEC有關(guān)變電站自動化類數(shù)據(jù)的標準協(xié)議,又能在廣域網(wǎng)中打包傳輸。2)變電站處加裝網(wǎng)關(guān)/通信服務(wù)器。目前電力系統(tǒng)所能使用的IP地址有限,可能一個變電站只有一個或幾個IP地址,不能完全實現(xiàn)IP到設(shè)備,而且考慮到現(xiàn)有保護、錄波等裝置所能提供的網(wǎng)絡(luò)處理能力還比較有限,無法就地實現(xiàn)TCP./IP協(xié)議應(yīng)付廣域網(wǎng)的信息處理功能,因此在變電站端設(shè)置一臺或幾臺計算機,作為變電站設(shè)備和廣域網(wǎng)間進行通信的網(wǎng)關(guān),并在網(wǎng)關(guān)處設(shè)置通信服務(wù)器,用于自動處理來自站內(nèi)設(shè)備和廣域網(wǎng)上其他節(jié)點的通信調(diào)用請求。3)IP業(yè)務(wù)的廣域網(wǎng)承載。理論計算表明SCADA數(shù)據(jù)也完全可以采用64Kbit/s數(shù)字接口、低速數(shù)據(jù)接口(如V.24/V.28等)或PCM音頻2W/4W接口。4)在調(diào)度端設(shè)置管理主站。按照標準的數(shù)據(jù)格式收集和管理各子站的數(shù)據(jù),存入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫;開發(fā)通信服務(wù)器,向相應(yīng)的應(yīng)用軟件提供通信服務(wù)。5)音頻、圖像等業(yè)務(wù)的綜合接入。利用光纖所提供的豐富的帶寬資源和各種通信技術(shù)所提供的多業(yè)務(wù)綜合能力可以將音頻、圖像和數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載和管理。每臺電力系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備都將變成一個智能終端,具備主動的信息交互和處理的能力?！爸悄芗译姟焙汀皺C頂盒”的嵌入式編程思路可以很好地應(yīng)用于電力元件上,即在二次設(shè)備的芯片上嵌入各種實時或非實時的操作系統(tǒng),在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上完成更為高級、復雜的通信、數(shù)據(jù)處理甚至多任務(wù)等功能。最典型的就是可以利用電力信息網(wǎng)傳輸差動保護的遠方信號,實現(xiàn)真正的全面保護,全程速斷,無死區(qū),無越級。理論計算和模擬實驗都表明利用64Kbit/s的音頻數(shù)據(jù)接口傳輸差動保護的遠方信號其實時性和可靠性都符合部頒標準。IP到設(shè)備以后,每一個電力元件的控制設(shè)備還將能就地完成復雜的信息處理,如進行錄波數(shù)據(jù)的就地分析,進行故障測距、定位、虛擬保護評價等,計算分析后將結(jié)果上送,不僅實現(xiàn)了并行、分布計算,還節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)帶寬,緩解了故障時網(wǎng)絡(luò)阻塞的問題。3故障管理信息系統(tǒng)的管理柔性SCADA可以提供豐富、靈活的通信類型,從而可以在其上建立利用IP技術(shù)、面向非連接的應(yīng)用。當前的故障信息系統(tǒng)對于電力系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)的收集和維護既不能滿足在線故障處理的需要,也不能做到很好的管理和維護。故障信息系統(tǒng)要收集的數(shù)據(jù)主要包括如下幾個方面:廠站所有保護的運行方式、整定值;所有錄波器的數(shù)據(jù)記錄;當有保護動作時,還包括動作的保護和錄波數(shù)據(jù)。和四遙數(shù)據(jù)不同,保護類相關(guān)數(shù)據(jù)并不是時刻都要傳送的,而是有調(diào)用時才向外傳送。平時,這些數(shù)據(jù)都由變電站當?shù)氐挠嬎銠C數(shù)據(jù)庫來就地維護,實行分布式的存儲?？紤]到這些數(shù)據(jù)遠傳的特點,我們決定不讓保護數(shù)據(jù)占用固定的帶寬,而利用柔性SCADA提供的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),采用IP來承載這些數(shù)據(jù),完成非預定式的遠傳。建立故障信息系統(tǒng)包括如下工作:1)由于現(xiàn)有各廠家生產(chǎn)的保護、錄波器等產(chǎn)品使用的是各自不同的規(guī)約和數(shù)據(jù)格式,彼此間無法通信和互聯(lián),需要先將廠站的所有保護、錄波等自動裝置的數(shù)據(jù)格式加以統(tǒng)一,轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一有序的數(shù)據(jù)格式,并由當?shù)毓收闲畔⑾到y(tǒng)的分站來統(tǒng)一收集和就地維護。文獻中的CSFM2002故障管理信息系統(tǒng)中包括了國內(nèi)大部分廠家和部分常見國外廠家的數(shù)據(jù)格式,并將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為一種標準的數(shù)據(jù)格式,已經(jīng)基本上具備了信息當?shù)丶泄芾淼墓δ堋?)設(shè)置變電站設(shè)備和廣域網(wǎng)間通信的網(wǎng)關(guān)機,將故障信息系統(tǒng)分站所收集的數(shù)據(jù)打包,在需要遠傳數(shù)據(jù)時以IP包的形式將數(shù)據(jù)遠傳,完成網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信功能。3)在調(diào)度主站處的故障信息系統(tǒng)總站上,將各種保護、錄波等裝置的數(shù)據(jù)解包,分類存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫,供調(diào)度的各種應(yīng)用軟件查詢故障數(shù)據(jù)使用。并于該處設(shè)置通信服務(wù)器,應(yīng)答本地通信服務(wù)請求:當本地有應(yīng)用或進程需要遠方保護等故障數(shù)據(jù)時,由該通信服務(wù)器負責代替應(yīng)用或完成故障數(shù)據(jù)的遠方采集;相應(yīng)的,當遠方有調(diào)用請求時,通信服務(wù)器負責將查詢調(diào)用上呈給數(shù)據(jù)庫或其他程序。故障信息系統(tǒng)是對現(xiàn)有EMS數(shù)據(jù)庫的有益補充,對于提高電網(wǎng)運行水平尤其是故障處理水平具有非常重要的意義。4建立靈活的故障管理信息系統(tǒng)電力信息網(wǎng)的建設(shè)為我們解決很多問題都提供了幫助,在高速信息網(wǎng)上可以將原有的SCADA通