变电站自动化系统通信网络可靠性研究综述

摘 要：通信网络技术作为变电站自动化实现的关键，其可靠性关系到整个系统的安全稳定运行。文章在总结了变电站综合自动化系统通信网络可靠性领域研究现状的基础上，指出其今后研究的方向。

关键词：变电站自动化技术；通信网络；可靠性

中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）15-0096-02

当前，网络通信等相关技术的快速发展正在持续促进电力自动化与信息化向深层次及更大集成度发展，以更有效的支撑电网的可靠、经济运行。变电站自动化作为电力自动化中的一个重要内容倍受人们的关注，变电站自动化系统将变电站内的控制设备、保护、远动、安全稳定控制、站内监控等部分通过网络连接起来，实现了外设和信息的共享以及控制的自动化。

变电站自动化技术的关键是通信技术的实现，通信网络技术的应用影响到变电站自动化系统的结构、功能、性能的改善和提高。通信网络规模庞大，行为复杂，通信网络的可靠性便成为通信网络分析和应用中必须考虑的重要因素。

1 研究现状

从20世纪60年代开始，人们已经在通信网络的可靠性指标和可靠性评估方法上取得了一定的成果，因此，积极借鉴通信领域的相关研究成果应用于电力通信网络的可靠性分析中很有必要。

1.1 可靠性评估指标

抗毁性是最早提出的通信网络可靠性评估指标。抗毁性是军用网可靠性评估的一项重要指标，但是对于受人为破坏的可能性较小的民用网络来说，网络抗毁性的地位则显得不是非常突出。

考虑到网络部件的随机失效的影响，人们提出了生存性这一网络可靠性指标。网络生存性描述了随机破坏以及网络拓扑结构对通信网络可靠性的影响，它是通信网络最基本的特性，也是通信网络可靠性研究领域内研究最多的课题。

网络的有效性是基于网络业务性能（包括网络的服务质量）的可靠性测度，是描述通信网络传输能力的一个重要指标，包括网络理论吞吐量、呼叫成功率、报文传输成功率、报文传输延时等。目前由于其定义和算法还不够成，问题十分复杂，因此对网络有效性的测度可行性较差。

1.2 可靠性评估方法

通信网络的抗毁性研究只是从网络的拓扑结构层面进行分析，应用图论的有关理论和算法能够基本满足抗毁性评估的需要。对于网络的生存性分析，比较简单的通信网络可以利用故障树模型和故障树分析法或建立相应的数学模型进行可靠性分析评估。考虑到部件具有多种工作模式和失效模式时，描述通信网络的模型的状态数将非常巨大，给网络可靠性的计算带来了很多困难。Chiou等提出了一种减少计算量的方法，克服了模型规模的限制。

在采用数学建模法来评估网络的可靠性时，通常会遇到难以对系统进行精确的建模，或者虽然能够建立相应的数学模型，但是模型过于庞大复杂难以进行求解的情况。利用计算机对通信网络进行仿真，可以模拟和处理网络运行中的一些模糊因素和不可知因素，弥补了单纯的数学建模法的不足。计算机仿真是通信网络可靠性评估的一种重要方法。

1.3 变电站自动化系统通信网络可靠性

在电力领域，很多学者针对变电站自动化系统通信网络的可靠性进行了研究。何卫等针对高电压等级的变电站通信系统信息交换量大和数据实时性高的特点，建议采用双网结构以实现冗余备用。除此之外，也有研究认为根据变电站自动化系统通信的特点，选用某种通信结构和网络形式能够有效提高通信的可靠性。

例如，林建等提出模块化配合以太网通信方式的设计方案，以主模块实现控制和通信管理，通过以太网联系其他模块。认为以太网本身的性能足以满足变电站通信的要求。应该指出的是，上述关于通信网络可靠性的研究，只是针对所采用的系统网络结构的可靠性做出定性分析论述，缺乏量化的评判指标和方法理论上的论证。

徐立子根据变电站自动化系统的可靠性分析提出了相应的评估指标，并分类为硬件指标和软件指标，在此基础上对硬件设备的可靠性作了简单评估。这使得变电站自动化系统的通信网络可靠性研究大大的迈进了一步。

2 研究的方向

目前，人们对于通信网络的可靠性还缺乏一个统一的概念。因此，有必要对通信网络的可靠性概念进行深入地研究。

在对现有通信网络可靠性分析的研究基础之上，可以大致总结出分析的一般途径：选择一个合适的网络可靠性指标，以此指标作为评估的基础；对具体的网络进行分析，结合数学理论建立模型，并由此模型计算出网络的可靠性测度，或者对网络进行仿真从而求出网络的可靠性指标。

对于变电站综合自动化系统通信网络的可靠性研究也应该遵循这样一条思路。

结构复杂的变电站自动化系统通信网络的可靠性评估，可以采用仿真的方法进行分析，这基于两方面的判断：其一，当网络结构趋于复杂时，难以对系统做出精确的数学描述，而且即使能够建立起数学模型，其计算也相当困难。

其二，对于涉及变电站通信网络性能的一些数据，目前还比较缺乏，无法对通信网络进行完整的描述。

通常网络可靠性的仿真分析可以按如下方式进行：首先确立网络性能的某种评估指标，此种指标应该能够反映网络的功能有效性，例如，网络部件失效时对网络吞吐量的影响，传输延时引起网络性能的变化等。然后依据上述过程对网络的行为进行编程模拟，在考虑网络部件失效引起网络性能下降的情况下，得到与指标相关的网络性能数据，并对这些数据进行数理统计，根据统计结果计算出网络的功能有效性。

谷米等选择了在变电站自动化系统中较多应用的LonWorks网络进行仿真，编程模拟了报文在网络中的传输过程，从而得到不同发送节点数目情况下网络的性能参数，并依此对网络的性能做出大致的评定。

变电站自动化系统的通信网络具有较强的随机性，根据概率论的相关原理，当抽样次数足够多时，抽样的均值与期望的均值比较一致。在仿真过程中，有必要选择合理的时间长度，以满足精度要求。

另外，在电力系统发生故障情况下，网络的信息量激增，在正常运行情况下满足可靠性要求的网络此时的表现也需要重新评估。此种情况在网络可靠性仿真中必须有所考虑，从某种意义上来说，故障时网络的性能更具有评估的价值。对网络的所有状态进行仿真分析在理论上显然不可行，此时可以考虑选取一定的精度，对满足此精度要求的网络状态进行分析，进而得到需要的结果。

3 结 语

随着信息技术和计算机技术的发展，变电站自动化技术的应用更加深入，作为变电站自动化实现关键的通信网络技术，地位更加突出。结合网络的有效性指标对网络进行仿真，可以得到网络的功能评估结果。如何对变电站自动化系统中的通信网络的信息传输过程进行准确的模拟，使得仿真结果能够真实反映网络的实际状况；如何在仿真时考虑电网故障情况下网络性能的变化。这些都是接下来的研究工作中所应该解决的问题。

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