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输变电设备物联网通信网络结构及拓扑分析

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资料介绍

为了满足输变电设备物联网复杂信息流传输需求,提出了一种信息通信网络结构.信息结构上采用IEC61850分布式结构,实现主备倒换;在通信网络中,采用2级分层网络结构分别实现接入控制和流量控制.设计输变电设备网络拓扑结构,采用有线、无线异构网络方案来提升网络系统可靠性并为资产巡检提供业务通道.结果表明:选择异构冗余的双星型网络作为汇聚层的组网方案,可支持由15个智能传感器与3个主智能电子设备(IED)构成的变电站监测网络;该组网支持主IED设备之间的主备倒换且倒换时间≤18 s.因此,以IEC 61850为基础分层的双网异构网络结构可满足全景信息等应用要求.

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第41卷第12期：3922．3928

2015年12月31日

高电压技术

High Voltage

V01．41，No．12：3922-3928

December

Engineering

31，2015

DOI：10．13336／j．1003-6520．hve．2015．12．007

输变电设备物联网通信网络结构及拓扑分析

黄天聪1，邓礼力1，薛武2，虞洁1，曹

敏2，胡致远1

(1．重庆大学通信工程学院，重庆400044；2．云南电网有限责任公司，昆明650217)

摘要：为了满足输变电设备物联网复杂信息流传输需求，提出了一种信息通信网络结构。信息结构上采用IEC

61850分布式结构，实现主备倒换；在通信网络中，采用2级分层网络结构分别实现接入控制和流量控制。设计

输变电设备网络拓扑结构，采用有线、无线异构网络方案来提升网络系统可靠性并为资产巡检提供业务通道。结

果表明：选择异构冗余的双星型网络作为汇聚层的组网方案，可支持由15个智能传感器与34"主智能电子设备(roD)

构成的变电站监测网络；该组网支持主lED设备之间的主备倒换且倒换时间<18 S。因此，以1EC 61850为基础分

层的双网异构网络结构可满足全景信息等应用要求。

关键词：物联网；输变电设各：信息通信；双网异构网络：变电站；智能电子设备

CommunicationNetwork Structureand

ofInternet of

for Power

TopologyAnalysis

Things

Transmission andTransformation

Equipment

HUANG_{Tiancon91，DENG}

Lilil，XUE Wu2，YU Jiel，CAOMin2，HIdZhiyuanl

_(1。CollegeofCommunication

Engineering，Chongqing University,Chongqing400044，China；

2．Yunnan PowerGrid

Co．，Ltd．，Kunming 650217，China)

information transmission of internet transmission and transfer-

^forpower

the demands of

Abstract：To

sarisfy

complex

network

forward

architecture of information and communication．IEC 61850 distributed

marion

equipment，we put

to achieve

the information structure

switchoven

network WaS used in the

a network

topology

architecture was

standby

Two—layer

adopted

communication network to

implement

transmission and transformation

access control and flow contr01．Then we

and

designed

power

used wired

wireless

network solutions

heterogeneous

the

improve

equipment，and

ofnetwork and

service channel for asset

solution of

results show that

the dual-star net-

selecting

reliability

inspection．The

provide

scheme as the

work

network can

the substation

convergence layer

support

the

monitoring

switchover with

standby

redundancy

networking

network

offifteen smart sensorfl and three main IEDs．And the network

supports

consisting

the

time ofless than

the maSter IED

the IEC 61850 as baSeddouble

switching

^18samong

equipment．Therefore，taking

requirements ofpanorama

network Can

the

information

application．

architecture

layered

ofheterogeneous

satisfy

transmission

words：intemet

network；

things；power

electronic device

equipment；information communication；heterogeneous

Key

substation；intelligent

理空间和信息空间实现充分的互联互通，构建高可

靠性、低复杂度的通信网络pJ。

0引言

智能电网与物联网研究成为目前国内外广泛

关注的热点【l也J。输变电设备物联网技术可实现输变

电设备的在线监测、故障诊断、状态评估、状态维

修与资产优化管理等功能Lj圳。由于输变电设备种类

多，设备信息构成复杂，电网的安全运行与设备状

态信息联系紧密，因此输变电设备物联网需要在物

目前变电站在线监测系统设备一般在变电站

或远端主站完成集中处理。这种工作模式导致现场

设备之间不能有效地共享信息，且未经过预处理的

“生数据”对主站侧的信息存储、处理和通信都带来

极大的负担；现场信息采集设备也是按照独立的监

测对象、地理位置设计，进而导致在线监测设备种

类和布置数量不断增加睁7I，不利于提升可靠性和降

低成本；通信网络的建设未充分考虑通信设备之间

的差异性，难以保障通信通道之间的可靠性和网络

IAA05A120)；

基金资助项目：国家高技术研究发展计划(863计划)(201

2013年重庆高校创新团队建设计划资助项目(K丌D201331)。

Research and Pro。。

National

Projea supported by

High· -tech

Development

Team

Innovative

61850

易用性。IEC

V2版本修改或增加了大量状态

China(863 Program)(2011AA05A120)，2013

gram

Construction

Proj∞t ofChongqing University(KJTD201331)．

万方数据

3923

黄天聪，邓礼力，薛武，等：输变电设备物联网通信网络结构及拓扑分析

监测和传感器逻辑节点峭。1 ，国内外学者对输变电

站控躁

远方控制f⑩

f⑦技术服务

功能A俐功能B

设备状态监测系统的设计以及物联网和无线技术在

信息流

变电站在线监测中的应用等方面进行了探讨¨ 。“1，

但目前输变电设备状态监测仍然存在监测装置性能

国＼@

⑧

不高、数据采集与数据传输不规范、通信网络信息

间隔层

I堕革翼l②

接入能力受限及信息共享能力等不足。为此，本文

在云南电网公司承担的国家高技术研究发展计划课

——硫再磊诲

过程层

玺蓦圃区囝f

61850标准下的信息结构

(a)IEC

园一匹f

题“基于物联网技术的输变电设备智能监测与全寿

命周期管理”研究中，以IEC 61850协议为基础，

开展了信息通信结构以及网络拓扑设计研究。

簪一

々二箩设弩二

站控层

1输变电设备物联网信息和通信网络结构

1．1输变电设备物联网信息结构

61850定

输变电设备物联网信息结构是在IEC

义的模型及其接口定义基础上扩展得到的，如图l

所示。IEC

间隔层

过程层

61850标准将变电站内功能层分为站控

层、间隔层和过程层¨ 引。图1(a)中，间隔层与过程

层之间通过接口4、5完成跨层之间的数据交换；分

别通过接口8或3完成间隔层内部数据交换：通过

接口1、6完成站控层与间隔层之间的数据交换；变

电站内的站控层内部通过接口9实现数据交换：而

接口7、10用于与远程控制、人机接口的数据交换。

在输电线路上由于输电线路通信带宽受限，大量监

测设备目前仍采用101、104等轻量级通信规约。

传统的在线监测系统中的信息主要实现跨功

能层之间信息的纵向流动，即过程层的智能传感器

只与间隔层中某一个智能电子设备(IED)¨ 钏互通，而

间隔层lED也只与站控层的某个在线监测主站服务

器互通。虽然结构简单，但阻碍了同层之间的信息

交互、也不利于提高可靠性。

(b)输变电设备物联网信息结构

图1信息通信结构

Structure ofinformation communication

Fig．1

在传统的在线监测系统中，现场信息采集设备

是按照独立的监测对象和地理位置设计【l川。变电站

内同一间隔装有不同的在线监测IED装置、不同间

隔之间重复使用相同功能的在线监测lED装置，进

而导致在线监测设各种类和布置数量的不断增加，

不利于提升可靠性和降低成本。为此，本项目研发

了通用的lED装置(一体化智能监测装置，主IED)，

该设备布置在间隔层中以统一不同间隔、不同监测

项的设备。

“广泛采集、方便应用”是物联网的显著特征。

随着lED装置计算处理能力的不断提升以及信息量

的增加，在间隔层实现IED设各之间充分互联增强

了物联网采集信息的本地处理效率，减少了主站侧

的计算、存储、通信压力；且在线监测设备还可以

根据本地采集信息的相关性，自主调整采集信息种

类和频度以提升在线监测能力。

1．2输变电设备物联网通信网络结构

1．2．1通信接口协议栈

IEC

61850抽象通信服务接口(ACSO定义了与

实际通信协议无关的通信模型，而ACSI所描述的

服务、对象和参数则通过特定通信服务映射(SCSM)

对应到不同的通信应用服务IJ6|。输变电设备物联网

主要业务是在线监测和资产管理，因此主要采用通

用性高、协议栈较完备的应用层协议与制造报文

为了实现间隔层信息共享，输变电设备物联网

需要将IEC61850中的接口3、8改进为全互联结构，

如图1fb)所示。结构中在间隔层间增加了人机接口

(HMI)以支持现场巡检等人机交换业务；为了提高

过程层采集信息传输通道的可靠性，在通信结构中

为采集设备提供了备份的上行传输通道。

61850数据包协议栈和映射过程分别

(MMS)。IEC

如图2(a)和(b)所示，实际的在线监测设备先映射为

包含多个逻辑节点的虚拟在线监测设备，虚拟设备

将IEC 61850信息映射为MMS报文，再封装为

MMS格式报文后承载到IP网络的传输控制协议

万方数据

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