ENSURINGPOWERSYSTEMSECURITYBYNETWORKINGTRANSMISSIONOF
ELECTRICPOWERINFORMATION

QIYu-lin，LIUWen-ying，YANGYi-han，JIHong-quan

（NorthChinaElectricPowerUniversity，Baoding071003，HebeiProvince，China）
ABSTRACT:Electricpowerinformationconsistsofremote-controldata,protectiondataandrecordedfaultdata.Thenetworkingtransmissionofinformationisakindofhigh-speedcommunicationbasedonTCP/IPprotocol.AccordingtothepracticalsituationofdispatchingdecisionmakingsupportingsystemforLanzhoupowersupplycompanyandfromtheviewpointofensuringpowersystemsecurity,thetransmissionmodesofelectricpowerinformationareanalyzed,therelevantdesignapproachandtechnologicalschemeofpowerinformationtransmissionnetworkarepresentedandtheassessmentofitsperformanceisgiven.
　　KEYWORDS:Electricpowerinformationnetwork；Accessmentofperformance；Remote-control；Datacommunication
　　摘　要：電力信息包括遠(yuǎn)動數(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)的實際情況，從保證電網(wǎng)安全運行的要求出發(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)計方法和技術(shù)方案。后給出了電力信息傳輸網(wǎng)絡(luò)性能評價。
　　關(guān)鍵詞：電力信息網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)性能評價；遠(yuǎn)動；數(shù)據(jù)通信


1引言
　　在信息化時代的今天，電力系統(tǒng)的安全可靠運行離不開現(xiàn)代化的電力信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。電力信息或電力系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的傳輸已經(jīng)超出了目前遠(yuǎn)動系統(tǒng)的范疇。常規(guī)遠(yuǎn)動系統(tǒng)必將被融合計算機、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)行的分工，引起遠(yuǎn)動系統(tǒng)設(shè)計的一場革命^[1]。
　　當(dāng)然，電力信息網(wǎng)絡(luò)也存在安全問題。但在當(dāng)前情況下，相對于電力系統(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為“黑客”攻擊互聯(lián)網(wǎng)而造成的^[2]。
　　但是，連接每個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)效益是一對古老的矛盾。就電力信息網(wǎng)絡(luò)來說，要解決好這一矛盾必須分兩步走：近期目標(biāo)和長遠(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)備來組建電力信息網(wǎng)絡(luò)。
　　電力信息網(wǎng)是連接變電站及調(diào)度中心的，以傳輸遠(yuǎn)動、保護(hù)、故障錄波、語音、圖像等數(shù)據(jù)為目的的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
　　按照這樣的定義，我國電力信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)還處于初級階段，其特點是實時數(shù)據(jù)以獨立的數(shù)據(jù)通道傳輸為主。顯然并沒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非綜合自動化變電站的信息采集
　　非綜合自動化變電站的特點是RTU所采集的數(shù)據(jù)量少，數(shù)據(jù)不全，不能滿足調(diào)度決策系統(tǒng)的要求，與電力信息網(wǎng)絡(luò)強大的功能不匹配。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)器由工控機和多路串行通信卡組成，軟件在Windows環(huán)境下用VC  語言完成；路由器分兩種情況。對于星形網(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，從而實現(xiàn)電力信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸。
2.2綜合自動化變電站的信息采集
　　綜合自動化變電站的特點是總控管理機已經(jīng)對電力信息進(jìn)行了比較全面的采集，因此對于這類變電站只要接收總控管理機送給后臺機的信息即可。對于綜合自動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)的綜合自動化變電站；二是總控管理機至后臺機只有普通串口的綜合自動化變電站。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)備的型號是POFIS100。這些數(shù)據(jù)采集設(shè)備對保護(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。對于這類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)計方案
3.1概述
　　某座城市中，覆蓋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)類型的地理分類法，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)。這是因為主干光纖通信系統(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，但并非的變電站都具備這樣的條件。在我國大城市，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)交換機接收星形網(wǎng)信號。　　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)，因為這些變電站沒有高速通道。對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)計兩個令牌環(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)度中心都需要一臺令牌環(huán)網(wǎng)的路由器。路由器的配置應(yīng)具備兩個2M接口和至少一個RJ45接口。由于若干座變電站共用一個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。不過組建環(huán)形網(wǎng)絡(luò)是折中的方案，它比其它方式的獨立通道的通信質(zhì)量要好得多。

4電力信息網(wǎng)絡(luò)的性能評價
4.1星形網(wǎng)性能評價
　　星形網(wǎng)的傳輸延遲由3部分組成：變電站端數(shù)據(jù)包排隊等待時間t₁、數(shù)據(jù)傳輸時間t₂和調(diào)度中心排隊等待時間t₃。
　　設(shè)：某座變電站的數(shù)據(jù)包生成率為l包/s，每個數(shù)據(jù)包的長度為Lbit/包（數(shù)據(jù)包不等長時取平均值)，通道容量為cbit/s，則
　
　　變電站端數(shù)據(jù)包排隊等待時間為[4]
　
式中t_p為數(shù)據(jù)傳播時間。
　　當(dāng)調(diào)度中心的網(wǎng)絡(luò)速度為c_cbit/s，星形網(wǎng)內(nèi)變電站數(shù)量為n時，有
網(wǎng)絡(luò)服務(wù)率（單位為包/s）為

　　則調(diào)度中心排隊等待時間為
　
　
　　根據(jù)統(tǒng)計分析，變電站的數(shù)據(jù)包生成率λ一般小于20包/s，每包長度L小于1500bit/包，星形網(wǎng)通道容量c_c=2Mbit/s中心站網(wǎng)絡(luò)速度c_c=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，后星形網(wǎng)的總延遲小于1.3ms。能滿足電力系統(tǒng)的實時要求。
4.2環(huán)形網(wǎng)性能評價
　　環(huán)形網(wǎng)的傳輸延遲由3部分組成：變電站端數(shù)據(jù)包排隊等待時間τ₁、數(shù)據(jù)傳輸時間τ_i和調(diào)度中心排隊等待時間τ₃。
　　其中τ₁和τ₃的的分析方法同4.1節(jié)。數(shù)據(jù)傳輸時間τ_i由4部分組成：報文時寬τi₁、報文傳播時間τ_ib、工作站延遲τ_id和令牌通過工作站時的延遲τ_ik。顯然，當(dāng)每座變電站的數(shù)據(jù)包生成率為λ_i時，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)τ_i1＜τ_ib τ_id，即報文時寬小于報文傳播時間與工作站延遲之和時，則數(shù)據(jù)傳輸時間τ_i為常數(shù)D，即
　
　　當(dāng)τ_i1＞τ_ib τ_id時，即報文時寬大于報文傳播時間與工作站延遲之和。則數(shù)據(jù)傳輸時間τ_i為
　
　　根據(jù)統(tǒng)計分析，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，報文傳播時間τ_ib<2π×100×5=3.14ms,工作站延遲τ_id<2ms,令牌通過工作站時的延遲τ_ik<2ms，報文時寬τ_i1<0.75ms。由4.1節(jié)的結(jié)論，有τ₁<10μs，τ₃<60μs。
后環(huán)形網(wǎng)的總延遲小于43.1ms。基本能滿足電力系統(tǒng)的實時要求。

5結(jié)論
　　電力信息網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案是在按重要、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)。通過論證，得出了星形網(wǎng)和環(huán)形網(wǎng)都能滿足電力系統(tǒng)實時數(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)和樹形網(wǎng)的可能性。該系統(tǒng)的建成不僅可以滿足決策支持系統(tǒng)的需求，作為2M的計算機網(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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