戚宇林，劉文穎，楊以涵，及洪泉
（華北電力大學，河北省 保定市 071003）
ENSURING POWER SYSTEM SECURITY BY NETWORKING TRANSMISSION OF
ELECTRIC POWER INFORMATION
QI Yu-lin，LIU Wen-ying，YANG Yi-han，JI Hong-quan
（North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei Province，China）
ABSTRACT: Electric power information consists of remote-control data, protection data and recorded fault data. The networking transmission of information is a kind of high-speed communication based on TCP/IP protocol. According to the practical situation of dispatching decision making supporting system for Lanzhou power supply company and from the viewpoint of ensuring power system security, the transmission modes of electric power information are analyzed, the relevant design approach and technological scheme of power information transmission network are presented and the assessment of its performance is given.
KEYWORDS: Electric power information network；Accessment of performance；Remote-control；Data communication
摘 要：電力信息包括遠動數據、保護數據以及故障錄波數據等。網絡化傳輸是基于TCP/IP技術實現信息的高速通信。作者結合蘭州供電公司調度決策支持系統的實際情況，從保證電網安全運行的要求出發，分析了電力信息的傳輸模式，給出了電力系統信息傳輸網絡的設計方法和技術方案。最后給出了電力信息傳輸網絡性能評價。
關鍵詞：電力信息網；網絡性能評價；遠動；數據通信
1 引言
在信息化時代的今天，電力系統的安全可靠運行離不開現代化的電力信息傳輸網絡。電力信息或電力系統實時數據的傳輸已經超出了目前遠動系統的范疇。常規遠動系統必將被融合計算機、保護、控制、網絡、通信等技術于一體的網絡化電力信息傳輸系統所代替，并終將打破現行的專業分工，引起遠動系統設計的一場革命[1]。
當然，電力信息網絡也存在安全問題。但在當前情況下，相對于電力系統本身的安全性而言，它的預防要容易一些。在2003年發生的“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”攻擊互聯網而造成的[2]。
但是，連接每個變電站的電力信息網絡的建設不是一朝一夕能完成的，需要大量投入人力物力。事實上，電力系統的安全可靠性和良好的經濟效益是一對古老的矛盾。就電力信息網絡來說，要解決好這一矛盾必須分兩步走：近期目標和長遠目標。本文主要研究電力信息網絡建設的近期目標。即在現有設備的基礎上或增加少量設備來組建電力信息網絡。
電力信息網是連接所有變電站及調度中心的，以傳輸遠動、保護、故障錄波、語音、圖像等數據為目的的計算機網絡系統。
按照這樣的定義，我國電力信息網絡的建設還處于初級階段，其特點是實時數據以獨立的數據通道傳輸為主。顯然并沒有形成真正意義上的電力信息網絡。
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所采集的數據量少，數據不全，不能滿足調度決策系統的要求，與電力信息網絡強大的功能不匹配。因此需要增添信息采集設備。
非綜合自動化變電站信息的采集如圖1所示。其中，信息采集服務器由工控機和多路串行通信卡組成，軟件在Windows環境下用VC++語言完成；路由器分兩種情況。對于星形網，路由器可由100M-2M接口轉換器代替，以節省投資。對于環形網，需要性能良好的路由器；通信網是指本文設計的星形網或環形網。
通信規約分兩種情況考慮。從保護設備、故障錄波設備和RTU至信息采集服務器的通信規約采用設備中已經運行的規約；從數據采集服務器至調度中心的通信規約可以選擇。這里用IEC61850規約。數據在TCP/IP的應用層傳輸，從而實現電力信息的網絡化傳輸。
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對電力信息進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分兩種情況考慮：一是具備以太網、LonWorks網或CAN網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。其數據采集方案如圖2所示。圖2中，總控管理機至信息采集服務器的接口可能是以太網、LonWorks網或CAN網接口，也可能是RS232接口。
2.3 已經具備數據采集設備的變電站
已經具備數據采集設備的變電站并不多，如蘭州只有三座變電站具備數據采集設備，該數據采集設備的型號是POFIS100。這些數據采集設備對保護、故障錄波、RTU的數據已經采集的得非常全面，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直接接收POFI100的輸出數據即可。如圖3所示。
3 電力信息網絡設計方案
3.1 概述
某座城市中，覆蓋所有變電站的電力信息網絡的直徑大于200kM。因此，按網絡類型的地理分類法，電力信息網應屬于廣域網（WAN）[3]。
電力信息網近期能夠實現的目標是具有2Mb/s傳輸速率的廣域網。目前，電力系統通信的主干網絡是光纖通信。經過大量細致的調研，包括與光終端設備的生產廠家的共同論證，證明了電力信息網絡幾乎不可能采用總線式結構。這是因為主干光纖通信系統都是環形結構，不支持總線式通信方式。當然，由于光纖通信系統采用環形結構，電力信息網也不可能采用樹形結構。因此，電力信息網只能考慮星形和環形結構相結合的折中方案。
3.2 星形網設計方案
在星形網絡結構下，每座變電站與調度中心之間都分配一條2M的光纖通道，但并非所有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。星形網的變電站端需要接口轉換器，將2M同軸接口轉換為100M的RJ45接口。在調度中心用網絡交換機接收星形網信號。
有些變電站既不能納入2M星形網，也不能納入環形網，因為這些變電站沒有高速通道。對于這些變電站至少應提供一條64kb/s的數字通道，以便納入星形網絡。
3.3 環形網設計方案
能被納入環形網的變電站是那些不能直接提供2M通道，而又在光纖通信網環上的變電站。在這些變電站中，按地理分布間隔地取出若干組成令牌環網。以蘭州供電公司為例，能組建成2M環形的變電站有很多。環內的變電站數量要根據實際情況而定。一般的原則是：將環內能提供的2M通道數與通信質量進行折中。如蘭州供電公司在東環網能提供兩個2M通道，而環內有14座變電站需要進入電力信息網，因此在東環網設計兩個令牌環網。如圖5和圖6所示。
令牌環網中的變電站端和調度中心都需要一臺令牌環網的路由器。路由器的配置應具備兩個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，因此環形網通信質量要低于星形網。主要體現在數據的延遲上。不過組建環形網絡是折中的方案，它比其它方式的獨立通道的通信質量要好得多。
4 電力信息網絡的性能評價
4.1 星形網性能評價
星形網的傳輸延遲由3部分組成：變電站端數據包排隊等待時間t1、數據傳輸時間t2和調度中心排隊等待時間t3。
設：某座變電站的數據包生成率為l包/s，每個數據包的長度為Lbit/包（數據包不等長時取平均值)，通道容量為cbit/s，則
變電站端數據包排隊等待時間為[4]
式中 tp為數據傳播時間。
當調度中心的網絡速度為ccbit/s ，星形網內變電站數量為n 時，有
網絡服務率（單位為包/s）為
則調度中心排隊等待時間為
根據統計分析，變電站的數據包生成率λ一般小于20包/s，每包長度L小于1500bit/包，星形網通道容量cc=2Mbit/s中心站網絡速度cc= 100Mbit/s，光纖傳播速度為5μs/km，網絡半徑為100kM，變電站數小于100座。所以τ1<10μs，τ2<1.2μs，τ3<60μs，最后星形網的總延遲小于1.3ms。完全能滿足電力系統的實時要求。
4.2 環形網性能評價
環形網的傳輸延遲由3部分組成：變電站端數據包排隊等待時間τ1、數據傳輸時間τi和調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。數據傳輸時間τi由4部分組成：報文時寬τi1 、報文傳播時間τib、工作站延遲τid和令牌通過工作站時的延遲τik。顯然，當每座變電站的數據包生成率為λi時，系統的穩定條件是
式中 N是環內變電站數量。
當τi1＜τib+τid，即報文時寬小于報文傳播時間與工作站延遲之和時，則數據傳輸時間τi為常數D，即
當τi1＞τib+τid時，即報文時寬大于報文傳播時間與工作站延遲之和。則數據傳輸時間τi為
根據統計分析，光纖傳播速度為5μs/km，網絡半徑為100Km ，環內變電站數小于10座，報文傳播時間τib<2π×100×5=3.14ms, 工作站延遲τid<2ms, 令牌通過工作站時的延遲τik<2ms，報文時寬τi1<0.75ms。由4.1節的結論，有τ1<10μs，τ3<60μs。
最后環形網的總延遲小于43.1ms。基本能滿足電力系統的實時要求。
5 結論
電力信息網絡的設計方案是在按重要、主要、次要將變電站分層，并充分考慮了現有通信網絡的容量和可行性的基礎上設計的。如在通道容量允許的情況下采用2M星形網絡結構，而在通道容量緊張的地區則采用令牌環網絡方式或64K星形網絡結構。通過論證，得出了星形網和環形網都能滿足電力系統實時數據傳輸要求的重要結論。否定了在電力系統中應用總線網和樹形網的可能性。該系統的建成不僅可以滿足決策支持系統的需求，作為2M的計算機網絡系統，還可以支持其它網絡業務和電力系統數據共享。
參考文獻
[1] 洪憲平（Hong Xianping）．走向網絡化的遠動系統（Telecontrol system tending towards network）[J]．電力系統自動化（Automaton of Electric Power System），2001，25(6)：1-3．
[2] 甘德強，胡江溢，韓禎祥（Gan Deqiang，Hu Jiangyi，Han Zhenxiang）．2003年國際若干停電問題思考[J]，電力系統自動化（Automaton of Electric Power System），2004，28(3)：1-4．
[3] 精英科技．網絡協議大全[M]．北京：中國電力出版社，2001．
[4] 毛京麗，張麗，李文海．現代通信網[M]．北京：.北京郵電大學出版社，1999．
