基于IEC 61850的智能变电站通信网络实时与可靠性研究

智能变电站是智能电网的重要核心节点,而站内通信网络是变电站各类信息交换的物理路径,其实时性、可靠性直接影响着整个变电站的正常运行。因此,对变电站通信网络的实时性和可靠性进行建模分析显得尤为必要。论文分析了采用标准通用传输协议报文的传输时延构成,并对时延的不确定性进行了研究。根据报文数据的发送方和接收方不同,将变电站内存在的数据流分为五类,并就不同类别数据流的传输过程进行了分析。在OPNET平台上建立了智能变电站通信网络的仿真模型以研究其实时性。根据时延构成和不确定性分析,通过典型的变压器间隔模型仿真,研究了过程层网络报文传输的实时性影响因素,包括通信网络带宽、网络负载、交换机包处理速度、通信机制；通过中等规模变电站站层网络模型仿真,研究了正常情况和故障情况下的通信时延以及智能设备的CPU利用率对实时性的影响,发现百兆以太网情况下CPU利用率提高至95%时,报文端到端时延有23%的增加,说明在网络带宽充裕的情形下CPU背景利用率的影响开始显现。通过D2-1变电站统一组网和独立组网模型仿真,研究了不同组网方式以及虚拟局域网技术的应用对变电站通信实时性的影响,发现独立组网的实时性要高于统一组网,VLAN技术减小了站内报文通信延时,并削减了不同组网方式的实时性差距。引入了成功流法这一新颖的可靠性建模技术到智能变电站通信网络可靠性建模中。通过建立D2-1变电站的星型、双星型、环型、双环型结构的通信网络可靠性模型,基于元件可靠性数据,计算分析了不同拓扑结构系统的输出信号可靠性指数。根据计算结果可知：单星型结构可靠性最低,IED全部冗余的双星型结构和双环型结构可靠性最高但元件耗费也最大,核心交换机(主交换机)冗余的双星型结构在可靠性、实时性方面都要优于单环型结构。最后依据成功流法推导得出的全局可靠性参数表达式,分析了不同种类元件的可靠性重要度,为变电站通信网络的合理配置、检修优先级的确定以及提高系统可靠性提供理论依据。