变电站系统监控信息传输技术研究

【摘 要】在数字化变电站中，变电站监控信息传输影响着变电站的自动化和电力系统的正常运行。本文对数据传输中的数据帧进行了分析，进而提出几种提高信息传输可靠性的方法，满足当前数字化变电站对信息传输在可靠性方面的技术要求。

【关键字】数字化变电站；信息传输；帧结构；可靠性

变电站属于电网信息的中间站，随着自动化信息系统的迅猛发展，变电站经历了集中式、分散式、集中和分散集合式、数字化变电站等多个阶段。尤其是数字化变电站是通过信息进行相互操作的现代性质的变电站，它实现了用光纤通信代替普通电缆通信同时做到了站内设备间的信息共享。

通信网络对各类报文可靠的传输是数字化变电站实现信息共享和互操作的先决条件和关键因素之一。因此数字化变电站通信网络中报文的传输可靠性受到广泛关注，成为了集中保护等实时技术应用的关键技术。

1 数字化变电站中信息传输对可靠性要求

IEC61850标准定义中的GOOSE快速报文通常对命令和数据等采用简易二进制编码，故障发生时保护设备向断路器发送跳闸命令就是该报文的典型应用；原始数据报文由连续的智能设备数据流组成，内容为数字化传感器和互感器的输出数据。这两类报文是实现变电站系统监控信息传输的关键技术，对传输可靠性要求最高。

在规定条件和规定时间内，完成规定要求功能的能力称为可靠性。信息传输在关键过程层网络的相关规定时间内，将规定的信息准确无误地传输到接收端被称为传输的可靠性。实现监控信息的可靠性传输，需要做到如下几点：

信息的编码效率高。在数字化变电站过程层网络通信中，简单高效的编码可以在尽量窄的带宽中传输尽可能多的信息。一方面可以增大信道的可用率，减小数据错误率；另一方面，可以简化信息的处理流程，增加传输效率，缩短耗时。

信息的传输延时较小。IEC61850-8-1中，将数字化变电站通信网络传输的数据划分为五种结构，不同结构的传输时间不同。但是关键数据传输GOOSE规定在3ms内要求相关接收方对发送方做出响应。而用于保护和控制的原始数据SV要求传输时间低于10 ms。

信息具有差错控制能力。物理链路性能和网络通信环境等因素可能会导致数据通信过程可出现一些错误，为了确保数据通信的准确，需要在链路层配备一种有效的出错信息处理方案，以此来降低报文传输错误时产生的不良影响。

2 数据协议栈和帧结构

在以太网帧的头部有64Bt的前导字符，也就是8个字节。前7个字节称为前同步码，内容固定为0xAA，该数据中0x表示十六进制，第8个字节0xAB表示帧起始标志符，它标识以太网帧的开始。前同步码的作用是使接收节点同步，准备好接收数据帧。

源地址和目标地址各由6个字节数据构成，是帧传送的起点和终点。其中2个字节用来表示帧长度或者帧类型。数据字节由高层协议数据组成。帧校验序列包含4个字节，是接收端网卡判断数据传输是否有误的依据。剩下部分为数据帧，数据帧的字节数为46字节，不足需要进行填充达到46字节。数字化变电站采用和典型以太网帧类似的数据结构实现信息通信都包含协议栈和帧结构等，区别在于构成方式不同。

3 提高数据传输可靠性的技术研究

3.1 优化MAC寻址方式，提高数据传输效率

为了减少无效数据在信道中的传输，实际中需要对数据进行适当的处理，保证传输数据的简单高效。常采用的方法是对传输数据进行地址过滤，主要分为硬件和软件两种方式。目前应用中最为现实并且可靠的方式为硬件执行数据过滤。通常设备厂家会提供基于MAC集成电路哈希算法的目的地址，该地址的前3个字节按照国际标准为01-0C-CD，第4个字节由不同的数据类型决定：GOOSE定义为01，广播定义为04。最后两个字节用来区分不同的使用设备。

3.2 设置优先级，保证关键数据的传输

由于交换机处理帧排队缓冲时的延时具有不确定性，故需要启用分级服务质量提供优先传输机制，保证重要数据信息的优先传输。按照优先级等不同等级代表优先度，可以将高优先级帧设置为4～7，低优先级帧设置为1～3，重要数据应避免使用优先级0，这可能会引起不可预见性的传输时延。关键报文传输优先级的缺省值为4。

3.3 配置以太网类型，保证数据帧的高速传输

关键数据按照特定的映射被封装成数据帧。接收端接收数据帧时，可通过帧地址识别结果快速调用上层协议，进而高效地解析和处理数据帧，减少信息传输总耗时。基于ISO/IEC8802-3MAC子层的以太网类型由IEEE权威机构注册，并且GOOSE及采样值直接映射到保留的以太网类型和以太网类型协议数据单元，

3.4 使用差错控制技术，保证信息传输质量

系统的信息在不同设备间都有分布，其通过两个或多个逻辑节点利用数字网络间的数据传输完成信息交换与共享。但是，实际应用中，某设备往往既是数据发送节点，又是数据接收节点，因此如何保证报文被无差错地接收或转发，是实现信息准确可靠传输的关键。

通常应对该问题，可以采用差错控制编码的方式。该编码方式在信息发送之前将一定的冗余数据位添加到数据信息中，构成新的一个数据帧后再发送。接收端收到该数据帧后，利用冗余位对数据帧的信息位进行检查和确认，以确认传输过程中是否发生误码。当发生误码时，可进而采取丢弃或者重发等处理方式。数字化变电站目前主要应用在局域网，信息传输的可靠性和实时性都很强，因此在实际选择链路层服务的时候可以根据需要再发送端设定一个重发延时保证数据可靠即可。

4 总结

变电站监控系统是变电站安全可靠稳定运行的关键所在。本文对变电站监控系统信息传输技术的可靠性进行分析，有利于大量实时信息的传输，对无人值守变电站实时监控系统的发展有一定的指导意义。

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