智能变电站监控后台的三层网络架构优化与实时数据流调度策略设计

0引言

随着计算机和通信技术的发展,传统变电站逐步演变为智能变电站, 自动化和智能化程度不断提高。作为电力系统的核心节点和重要组成部分,智能变电站承担着开关、变压、监控、计量和保护功能,负责为消费者提供安全、高效和可靠的电力分配[1—2]。相对于传统变电站信号输入与输出的“单向信号驱动控制”模式,智能变电站实现了“基于网络信息控制”模式,更加注重系统拓扑间的多元耦合[3],其监控后台系统需要处理海量数据流,包括设备状态信息、故障信号、保护动作命令等,对通信网络的实时性、可靠性和安全性提出了极高的要求。在此背景下,不少学者开展了智能变电站监控后台系统的设计研究,实现了数字化、网络化的基本要求,通过系统集成完成信息的输入、存储和输出,实现操作、控制、监视、分析和管理等功能[4—5]。然而,当前智能变电站监控系统由于采用分层独立的通信架构,存在子系统相互独立、数据延迟高、网络拥塞、跨层交互效率低等问题,难以满足智能变电站的高性能需求[6]。特别是在故障发生时,若关键保护信号未能及时传输,可能导致保护装置误动或拒动,威胁电网安全稳定运行。因此,优化智能变电站监控后台的网络架构,并设计高效的实时数据流调度策略,成为当前研究的关键问题。本研究对智能变电站监控后台的三层网络架构进行优化设计,并提出实时数据流调度策略,最后通过阳江市某220 kv智能变电站进行试验验证,优化效果显著,可为未来智能变电站的通信架构设计提供参考,并支持更高级别的自动化应用。

1 三层网络架构优化设计

1.1 典型智能变电站监控后台架构

智能变电站监控后台系统的核心在于其清晰的三层网络架构(图1),该架构严格遵循IEC 61850标准,具有面向对象建模、抽象通信服务接口、面向实时的服务、配置语言、整个电力系统统一建模等特点。通过结构分层(功能→数据→通信)实现信息共享,从而使交互操作性与系统可靠性得以大幅提升,是变电站自动化、智能化运行的网络基础。每一层具有明确的功能定位、设备组成,层间通过高速工业以太网实现标准化通信,共同构建了一个高效、可靠、实时性强的信息采集、处理、传输与执行闭环体系,支撑着变电站从传统人工监控向智能自主决策的演进。

1)站控层(监控与决策中枢)。站控层网络构成智能变电站的顶层管理框架,集成了监控操作设备与数据处理通信设备两大核心模块。监控操作设备包括监控后台主机(运行SCADA/EMS系统,集成实时数据库与图形化界面,实现全站设备状态可视化、告警管理、历史曲线查询和操作票生成)、操作员工作站(提供人机交互接口,执行遥控分合闸、定值修改、压板投退等操作,具备操作权限分级与操作过程记录功能)和工程师站(用于系统配置、程序下装、故障诊断和网络报文分析);数据处理与通信设备则涵盖数据服务器、高级应用服务器和远动通信装置。

2)间隔层(保护控制的执行枢纽)。间隔层作为承上启下的关键层级,以分布式架构部署于各电气间隔,通过交换机互联设备,可分为保护控制设备、监测与网络设备。保护控制设备包括保护装置(实现差动/距离等主保护)和测控装置(采集本间隔电气量、执行遥控和闭锁逻辑);监测与网络设备涵盖故障录波器(记录故障波形)、电能计量装置和间隔层交换机(用于构建本地网络骨架)。

3)过程层(实时数据的采集与执行通道)。过程层作为三层网络架构的最底层,是实现“一次设备数字化”的核心基础。该层是直接面向电力一次设备进行实时数据采集和执行控制命令的关键环节,是数字化、智能化在设备接口层面的具体体现,构成了整个自动化系统的感知神经末梢与执行终端,分为现场感知设备和实时通信设备。现场感知设备包括合并单元MU(同步采集电流/电压信号,打包SV报文)和智能终端IT(执行跳合闸命令);实时通信设备则依托过程层交换机构建低时延通道。

4)跨层实时数据流协同(分层闭环的信息交互体系)。智能变电站的数据流严格遵循“过程层采集→间隔层处理→站控层决策→反向控制”的闭环逻辑,通过上行采集流、下行控制流和全局同步流三类核心流向数据实现跨层协同。上行采集流中,过程层合并单元(MU)生成的C流(SV采样值)直达间隔层保护装置,实现“直采直跳”;间隔层聚合数据后通过B流(测量值、状态/告警等)上传站控层监控系统。下行控制流中,站控层和间隔层下发的D流(MMS/GOOSE控制命令)直达过程层IT执行分合闸操作。A流(状态变化/事件,例如开关变位、异常告警等)和E流(定值参数流,保护定值、测量定值、控制定值等)则实现层与层的整定与同步。全局同步流依赖PTP时间同步,保障全站时钟同步精度。

1.2网络架构协同优化

为解决当前智能变电站监控后台分层独立的通信架构存在的问题,对三层网络架构进行协同优化。

站控层作为智能变电站的监控与决策中枢,其工作效率直接影响系统整体运行效能,通过“数据轻量化—资源弹性化—协议专用化”打造高效中枢。采用智能数据聚合与压缩技术,对监控系统产生的海量信息进行特征提取与冗余消除,显著减轻网络传输压力。实施动态负载均衡机制,依据实时计算资源状态自动分配任务优先级,结合高可用集群设计确保关键服务持续稳定运行。同步推进通信协议升级,融合制造报文规范与面向通用对象的变电站事件协议,划分专用通信通道隔离管理指令与实时事件流,既保障非实时配置操作的可靠性,又实现毫秒级事件的高效传输。最终构建起数据轻量化处理、资源弹性化调度、协议差异化适配的三维协同体系,使站控层从被动监控转向主动智能调度。

间隔层聚焦就地化保护与控制功能的实时性强化,建立多层次优化架构。部署智能数据缓存系统于合并单元和保护装置侧,通过分层存储策略减少跨层数据交互频次,辅以精密时间同步机制保障缓存一致性。创新设计传输优先级模型,依据数据关键程度划分差异化处理等级,在交换设备中配置专用转发通道,确保保护类信号绝对优先通行。构建异构冗余通信网络,采用互补型物理介质组成双通道架构,集成智能路径监测与快速自愈功能,当主通道异常时无缝切换至备用链路。该体系以本地化快速响应为根基,关键数据零延迟传输为核心,双网冗余容错为保障,全面实现间隔层确定性实时控制能力跃升。

过程层直面电力一次设备,着力突破采样、传输与处理的性能瓶颈。革新采样值同步机制,融合高精度时钟源与信号处理技术,有效抑制数据采集过程中的时序偏差。深度优化交换网络架构,启用极简转发模式并精简控制协议,通过流量整形与缓冲区管控策略最大限度削减传输环节时延。引入硬件级加速方案,在智能终端嵌入可编程逻辑器件实现报文透传处理,借助数字信号处理器执行复杂运算,将传统软件处理流程转化为硬件直通操作。这套以微秒级同步采样为起点、纳秒级硬件加速为终端的优化链条,使过程层达到硬实时性能标准,为上层系统提供高可信数据基石。

通过系统优化,过程层高精度采样为间隔层提供可信数据源,间隔层优先级调度保障站控层指令直达,站控层资源分配策略反向优化过程层硬件负载,实现全链路效率提升。

2 实时数据流调度策略与优化成效分析

2.1 实时数据流调度策略

在网络架构优化的基础上,采用分级处理—动态调配机制,实现变电站数据的高效传输管控(图2)。

为合理分配数据传输带宽资源,对系统数据流进行分类和优先级划分。根据安全等级与时效性要求,将变电站通信数据划分为三级:关键数据流承载保护动作信号、跳闸命令等直接关联电网物理安全的指令,任何延迟或中断均可能引发设备损毁乃至系统崩溃,需快速确定性传输,享有最高优先级与网络独占权;准实时数据流允许可控延迟,例如电气测量值、设备状态监测等运行分析基础信息,允许在预设时间内完成传递,通过流量整形保障数据完整性,但需严格限制最大延迟阈值以维持系统可视性;非实时数据流(日志/配置信息等)完全服从带宽动态调配机制,仅当网络空闲时利用碎片资源传输,其进程可被高优先级数据流实时抢占。

根据数据分级标准,一方面实行数据流差异化带宽分配:关键数据流分配70%带宽、准实时数据流分配25%带宽、非实时数据流分配5%带宽;另一方面利用Qos策略引擎动态监测三类数据流负载状态,依据预设比例实时调整带宽配额,确保关键指令快速有效直达执行端。同时,实行“需求驱动—弹性伸缩”的带宽资源供给体系,当监测到高级别数据负载大时,合理压缩低级别数据带宽资源,既能保障关键数据低延时传输,又能最大化网络利用率,实现紧急指令与常规业务合理共生。

2.2优化成效分析

为了分析智能变电站三层网络架构优化与实时数据流调度策略成效,对阳江市某220 kv智能变电站监控后台系统进行优化改造,分析其优化效果(表1)。结果表明,优化后系统在实时性(延迟降幅85%)、可靠性(保护指令成功率从93.5%提升至99.9%)、精度(采样同步误差降至优化前的0.5%)等维度均实现突破性提升,为智能变电站的安全高效运行奠定了网络基础。

3 结束语

当前智能变电站监控后台系统采用分层独立的通信架构,存在子系统相互独立、数据延迟高、网络拥塞、跨层交互效率低等问题,难以满足智能变电站的高性能需求。本文系统分析了典型智能变电站监控后台三层网络架构以及站控层、间隔层、过程层的组成和核心功能,并阐释了各层实时数据流协同模式,提出了“网络架构优化+实时数据流调度”的改进策略。网络架构优化层面,站控层通过“数据轻量化—资源弹性化—协议专用化”打造高效中枢,间隔层聚焦就地化实时控制,过程层攻坚硬实时性能;实时数据流调度层面,采用分级处理—动态调配机制,根据安全等级与时效性要求对数据进行分级,实行差异化带宽分配和数据流负载状态监测,通过“需求驱动—弹性伸缩”的带宽资源供给体系,在保障关键数据低延时传输的基本要求下,又能最大化网络利用率,实现紧急指令与常规业务合理共生。最后,对阳江市某220 kv智能变电站监控后台系统进行“网络架构优化+实时数据流调度”改造实践,结果表明,优化后系统在实时性、可靠性、精度等维度均实现突破性提升,为智能变电站的安全高效运行奠定了网络基础。

[参考文献]

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[5]汪逍炅.多站合一变电站监控系统融合设计方案[J].能源与环境,2023(2):82—84.

[6]王勇,韩少晓,尚力,等.智能变电站监控系统新型体系架构研究与实践[J].电力系统保护与控制,2019,47 (8):145—151.

《机电信息》2025年第19期第6篇