區(qū)域保護(hù)與控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲芯糠段?/h1>
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區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)分布式業(yè)務(wù)的對(duì)等通信需求，實(shí)現(xiàn)變電站間保護(hù)業(yè)務(wù)的對(duì)等通信機(jī)制，在現(xiàn)有電力系統(tǒng)多業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上研究基于MSTP的對(duì)等通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/a>實(shí)現(xiàn)方案；同時(shí)研究適用于電力系統(tǒng)分組傳送網(wǎng)的對(duì)等通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)方案；為了彌補(bǔ)MSTP網(wǎng)絡(luò)環(huán)網(wǎng)保護(hù)的缺陷，研究了基于高可靠性無(wú)縫冗余環(huán)網(wǎng)技術(shù)的對(duì)等通信實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)各種方案進(jìn)行對(duì)比，為將來(lái)區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供了有益指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞：
區(qū)域保護(hù)控制；對(duì)等通信；高可靠性無(wú)縫冗余；多業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)；分組傳送網(wǎng)
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)電力的需求和依賴越來(lái)越大，對(duì)供電質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，對(duì)于核心業(yè)務(wù)要求不間斷供電。然而，隨著互聯(lián)電網(wǎng)區(qū)域的擴(kuò)大、交換容量的增加及電網(wǎng)電壓等級(jí)的提高，由互聯(lián)電網(wǎng)故障引起的特大停電事故幾乎成為社會(huì)災(zāi)難，停電造成的損失也越來(lái)越大。保障互聯(lián)電網(wǎng)的運(yùn)行安全性，避免重大停電事故的發(fā)生變得越來(lái)越困難。現(xiàn)有的電力系統(tǒng)三道防線[1，2]已無(wú)法滿足日益提供的供電可靠性要求。為了有效提升電力系統(tǒng)的整體供電可靠性，需要改變現(xiàn)有的后備保護(hù)模式，采用主動(dòng)收集相關(guān)變電站信息的方式加快后備保護(hù)及穩(wěn)定控制動(dòng)作時(shí)間[3]，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)提升供電質(zhì)量的最終目標(biāo)。區(qū)域保護(hù)與控制系統(tǒng)是基于這種目的而誕生的保護(hù)控制系統(tǒng)。
1區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀
在區(qū)域保護(hù)實(shí)施初期借鑒了很多智能變電站站內(nèi)的組網(wǎng)方案和保護(hù)原理，具體可參考文獻(xiàn)[4]了解智能變電站站內(nèi)的實(shí)現(xiàn)方法。區(qū)域保護(hù)與控制系統(tǒng)由變電站間的站間通信為基礎(chǔ)，由控制中心、傳輸網(wǎng)、各變電站的站域保護(hù)控制設(shè)備構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)由區(qū)域保護(hù)控制主站、多個(gè)區(qū)域保護(hù)控制子站、就地采集控制設(shè)備、通信網(wǎng)關(guān)設(shè)備等組成，在每個(gè)變電站布置區(qū)域保護(hù)控制子站,任意一個(gè)變電站布置區(qū)域保護(hù)控制主站、主站與子站之間、子站與子站之間通過(guò)區(qū)域過(guò)程層通信網(wǎng)相互連通，協(xié)調(diào)完成某一區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的所有保護(hù)與控制功能。其中保護(hù)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為對(duì)等通信模型。如圖1所示，保護(hù)系統(tǒng)由各個(gè)變電站內(nèi)的站域保護(hù)設(shè)備構(gòu)成，各個(gè)變電站內(nèi)的站域保護(hù)控制設(shè)備接收相關(guān)變電站內(nèi)站域保護(hù)控制設(shè)備發(fā)送的報(bào)文，并依據(jù)報(bào)文信息完成區(qū)域保護(hù)功能。區(qū)域內(nèi)各個(gè)變電站內(nèi)的信息沒(méi)有統(tǒng)一的接收設(shè)備，各設(shè)備處于對(duì)等的地位。每個(gè)變電站內(nèi)負(fù)責(zé)與其他變電站進(jìn)行信息交互的設(shè)備為站域保護(hù)控制設(shè)備，該設(shè)備負(fù)責(zé)收集站內(nèi)各個(gè)間隔的信息，并將信息發(fā)送給其他變電站的站域保護(hù)控制設(shè)備，同時(shí)接收其他相關(guān)變電站發(fā)送的信息并進(jìn)行保護(hù)功能計(jì)算及動(dòng)作。區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)中的保護(hù)業(yè)務(wù)具有站間對(duì)等通信需求，而現(xiàn)網(wǎng)的通信均采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的主從通信模式，無(wú)法滿足多站間對(duì)等通信需求。如將區(qū)域保護(hù)控制主站當(dāng)作特殊的站域保護(hù)控制設(shè)備，那么整個(gè)區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)可看作一個(gè)完整的對(duì)等通信模型來(lái)建立，文中將以這個(gè)前提來(lái)討論最適合區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)需求的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)類型的不同，要求也有很大的差異，基于目前區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)通道延時(shí)小于10ms，誤碼率小于10-6的要求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)證[3]。
2通信技術(shù)發(fā)展電力系統(tǒng)
目前傳輸網(wǎng)主要由多業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)設(shè)備構(gòu)成[5]，該設(shè)備采用同步數(shù)字體系（synchronousdigitalhierarchy，SDH）作為業(yè)務(wù)的載體，采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸；同時(shí)，為兼容日益增加的IP等其他傳輸機(jī)制業(yè)務(wù)需求，開(kāi)發(fā)了支持IP等不同傳輸機(jī)制的業(yè)務(wù)接入板卡，實(shí)現(xiàn)了多業(yè)務(wù)共平臺(tái)傳輸。SDH采用剛性通道進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸[6]，其具有傳輸延時(shí)相對(duì)固定的特點(diǎn)，非常適合可靠性要求高的保護(hù)等業(yè)務(wù)傳輸。目前，電力系統(tǒng)開(kāi)始嘗試使用分組傳送網(wǎng)設(shè)備組建傳輸網(wǎng)，并進(jìn)行了大量的PTN測(cè)試；PTN設(shè)備采用分組交換的原理進(jìn)行報(bào)文傳輸，非常適合新型IP業(yè)務(wù)的傳輸。PTN設(shè)備采用柔性通道進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸，為確保業(yè)務(wù)的可靠性，必須借助服務(wù)質(zhì)量等輔助手段來(lái)提升業(yè)務(wù)的傳輸可靠性[7]。但是，PTN設(shè)備具有更大的傳輸帶寬，在電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)日益增加、帶寬需求日益變大的情況下，有可能成為未來(lái)電力系統(tǒng)傳輸網(wǎng)的主要組網(wǎng)設(shè)備。針對(duì)區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，需要實(shí)現(xiàn)基于傳輸網(wǎng)的對(duì)等通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在對(duì)等通信技術(shù)方面，目前可用的環(huán)網(wǎng)技術(shù)主要是快速生成樹(shù)協(xié)議和IEC62439-3規(guī)定的高可靠性無(wú)縫冗余環(huán)技術(shù)[8]，其他一些私有環(huán)網(wǎng)技術(shù)也可應(yīng)用在區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)中，但通用性較差，文中不作推薦。為適應(yīng)現(xiàn)網(wǎng)的傳輸網(wǎng)設(shè)備情況和未來(lái)傳輸網(wǎng)技術(shù)的更新，并結(jié)合各種環(huán)網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)，下文的方案論證中將在SDH和PTN2個(gè)平面進(jìn)行對(duì)等通信實(shí)現(xiàn)方式的分析介紹。
3拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究
基于現(xiàn)網(wǎng)SDH的配置情況和目前主流的PTN設(shè)備的配置情況，結(jié)合環(huán)網(wǎng)技術(shù)的支持程度進(jìn)行方案的論證。
3.1基于SDH的RSTP環(huán)網(wǎng)方案如圖2所示，利用SDH設(shè)備SDH承載以太板卡進(jìn)行以太層的接入，開(kāi)通業(yè)務(wù)時(shí)采用相鄰站間根據(jù)業(yè)務(wù)流量開(kāi)通SDH側(cè)的通道帶寬，可以是1個(gè)或幾個(gè)虛擬通道12，當(dāng)業(yè)務(wù)量足夠大時(shí)也可開(kāi)通虛擬通道3。站點(diǎn)業(yè)務(wù)報(bào)文通過(guò)虛擬局域網(wǎng)（VLAN）進(jìn)行隔離，每個(gè)站點(diǎn)接收和發(fā)送的VLAN號(hào)和數(shù)量根據(jù)業(yè)務(wù)情況進(jìn)行配置。該方案采用EoS板卡提供的RSTP功能進(jìn)行環(huán) 保護(hù)，采用該方式需要各站點(diǎn)上傳的組播報(bào)文在SDH通道上均進(jìn)行傳輸，防止單纖故障后組播報(bào)文無(wú)法從另一個(gè)方向傳輸而導(dǎo)致異常業(yè)務(wù)終端。該方式總帶寬使用情況為：N倍的業(yè)務(wù)帶寬N，N為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。該方式較傳統(tǒng)的子網(wǎng)連接保護(hù)（subnetworkconnectionprotection，SNCP）保護(hù)方式具有更好的帶寬利用率。但是，該方式受限于EoS板卡的RSTP功能，目前SDH設(shè)備的EoS板卡雖然支持了RSTP功能，但RSTP無(wú)法有效判斷同步傳輸模塊（synchronoustransfermodule，STM）側(cè)的通道鏈路狀態(tài)，導(dǎo)致環(huán)網(wǎng)恢復(fù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)短暫的通道異常。實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在環(huán)網(wǎng)STM側(cè)鏈路中斷等情況發(fā)生時(shí)，會(huì)出現(xiàn)2～20s的環(huán)路異常狀態(tài)，包括2～10s的短時(shí)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，而該種情況無(wú)法滿足區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)的50ms鏈路恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)要求。
3.2基于SDH的HSR環(huán)網(wǎng)方案如圖3所示，利用支持HSR功能的交換機(jī)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的接入，HSR通過(guò)SDH設(shè)備EoS板卡實(shí)現(xiàn)雙向接入，開(kāi)通業(yè)務(wù)時(shí)采用相鄰站間根據(jù)業(yè)務(wù)流量開(kāi)通SDH側(cè)的通道帶寬，可以是1個(gè)或幾個(gè)VC12通道，當(dāng)業(yè)務(wù)量足夠大時(shí)也可開(kāi)通VC3通道。站點(diǎn)業(yè)務(wù)報(bào)文通過(guò)VLAN進(jìn)行隔離，每個(gè)站點(diǎn)接收和發(fā)送的VLAN號(hào)和數(shù)量根據(jù)業(yè)務(wù)情況進(jìn)行配置。該方案采用HSR交換機(jī)提供環(huán)網(wǎng)保護(hù)功能，通過(guò)EoS板卡實(shí)現(xiàn)HSR雙向接入，并開(kāi)通雙向的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通道。采用該方式實(shí)現(xiàn)各站點(diǎn)上傳的組播報(bào)文在SDH雙向通道上均進(jìn)行傳輸，防止單纖故障后組播報(bào)文無(wú)法從另一個(gè)方向傳輸而導(dǎo)致異常業(yè)務(wù)終端。該方式總帶寬使用情況與3.1節(jié)相同，但環(huán)網(wǎng)恢復(fù)時(shí)間為0ms，優(yōu)于區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)的指標(biāo)要求。
3.3PTN環(huán)網(wǎng)方案如圖4所示，根據(jù)MPLS-TP環(huán)保護(hù)倒換（MPLS-TPringprotocolswitch，MRPS）環(huán)網(wǎng)要求[7]，每個(gè)站點(diǎn)部署2個(gè)分組板卡，每個(gè)分組板卡出1個(gè)GE端口作為環(huán)網(wǎng)的東、西向，業(yè)務(wù)從分組板卡FE端口接入，分組板卡業(yè)務(wù)配置采用MRPS方式將業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)至面板GE端口（作為MPLS-TP環(huán)網(wǎng)的東西向端口，端口類型為NNI）。分組業(yè)務(wù)采用MPLS-TP（MPLS-transportprofile）環(huán)網(wǎng)保護(hù)方式（配置在分組板卡）；保護(hù)倒換時(shí)間小于50ms。假設(shè)組播業(yè)務(wù)按照A→B→C→D方向逐跳轉(zhuǎn)發(fā)，環(huán)網(wǎng)中組播帶寬只占用1份帶寬。在環(huán)網(wǎng)中可設(shè)置阻塞節(jié)點(diǎn)預(yù)防廣播風(fēng)暴的發(fā)生，當(dāng)發(fā)生節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，打開(kāi)阻塞點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)倒換。當(dāng)C—D之間的鏈路故障時(shí)，A—D之間的阻塞點(diǎn)打開(kāi)，保證業(yè)務(wù)不中斷傳輸。當(dāng)C站點(diǎn)的單板故障時(shí)，A—D之間的阻塞點(diǎn)打開(kāi)，確保業(yè)務(wù)不中斷傳輸，受影響的僅是故障單板業(yè)務(wù)。
3.4基于PTN的HSR環(huán)網(wǎng)方案如圖5所示，每個(gè)站點(diǎn)部署2個(gè)分組板卡，每個(gè)分組板卡出1個(gè)GE端口作為HSR環(huán)網(wǎng)的東、西向，業(yè)務(wù)首先接入HSR交換機(jī)，HSR交換機(jī)的2個(gè)環(huán)網(wǎng)端口分別接入到PTN設(shè)備的2個(gè)分組接口板上，分組接口板分別對(duì)應(yīng)東、西分組板卡。PTN設(shè)備不采用任何保護(hù)方式，通過(guò)HSR交換機(jī)實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)保護(hù)功能，環(huán)網(wǎng)倒換時(shí)間為0ms。假設(shè)組播業(yè)務(wù)按照A→B→C→D方向逐跳轉(zhuǎn)發(fā)，環(huán)網(wǎng)中組播帶寬只占用左、右方向各1份帶寬。在HSR環(huán)網(wǎng)中發(fā)生單節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，依然能夠確保組播業(yè)務(wù)正確送達(dá)接收終端。同時(shí)，PTN設(shè)備給出鏈路故障告警，方便用戶進(jìn)行故障定位。
3.5HSR環(huán)網(wǎng)方案如圖6所示，每個(gè)站點(diǎn)部署1臺(tái)HSR交換機(jī)，站點(diǎn)之間通過(guò)專用光纖進(jìn)行HSR交換機(jī)的環(huán)網(wǎng)連接。每個(gè)站點(diǎn)的HSR交換機(jī)分別通過(guò)環(huán)網(wǎng)端口與左、右方向站點(diǎn)的HSR交換機(jī)級(jí)聯(lián)，最終構(gòu)成各站點(diǎn)間的HSR環(huán)網(wǎng)。該組網(wǎng)方式為標(biāo)準(zhǔn)的HSR環(huán)網(wǎng)方式，環(huán)網(wǎng)恢復(fù)時(shí)間為0ms。
3.6方案對(duì)比以上5種不同的業(yè)務(wù)開(kāi)通類型均可滿足對(duì)等通信的理念要求，但是，每種方案均有優(yōu)點(diǎn)和不足，表1從帶寬利用情況、環(huán)網(wǎng)恢復(fù)時(shí)間、保護(hù)業(yè)務(wù)開(kāi)通、延時(shí)特性、安全特性等幾個(gè)最為主要的方面進(jìn)行了比較。從比較結(jié)果來(lái)看，基于SDH平面的方案中RSTP環(huán)網(wǎng)方案具有較好的帶寬利用率和保護(hù)功能，需求業(yè)務(wù)帶寬為（N'-1）倍的每路報(bào)文流量，其中N'為區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)中主子站的總和，開(kāi)啟的環(huán)保護(hù)功能可以保護(hù)到EoS板卡，SNCP保護(hù)僅能保護(hù)到SDH層面；但該方式的環(huán)網(wǎng)恢復(fù)時(shí)間無(wú)法滿足區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)的需求。基于SDH的HSR環(huán)網(wǎng)方案可滿足區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)的需求，在業(yè)務(wù)帶寬需求上與基于SDH的RSTP環(huán)網(wǎng)方案一致，因此，在現(xiàn)網(wǎng)的情況下更適合推廣應(yīng)用。PTN平面上的2種方案中純PTN平面具有更好的傳輸延時(shí)、帶寬利用率和較少的板卡，通道切換時(shí)間也可以滿足區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求。但是與基于PTN的HSR環(huán)網(wǎng)方案比較，無(wú)法做到通道故障時(shí)的無(wú)縫切換。PTN平面解決方案相較SDH平面解決方案，具有傳輸通道非硬通道（非TDM通道）的缺點(diǎn)，在一些重要應(yīng)用場(chǎng)合需要考慮如何確保業(yè)務(wù)安全性的問(wèn)題。從PTN技術(shù)發(fā)展與保護(hù)業(yè)務(wù)的不斷融合來(lái)看，將來(lái)純PTN平面的傳輸網(wǎng)將有可能取代SDH而被大面積采用。因此，現(xiàn)網(wǎng)推薦采用基于SDH平面的VLAN環(huán)網(wǎng)方案，PTN平面建議采用純PTN環(huán)網(wǎng)方案作為區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨浮SR環(huán)網(wǎng)解決方案有效地解決了基于SDH平面的帶寬有限問(wèn)題，同時(shí)也解決了PTN平面的非剛性通道的業(yè)務(wù)串?dāng)_問(wèn)題。不過(guò)該組網(wǎng)方案需要額外通過(guò)光纜構(gòu)成獨(dú)立的HSR站間環(huán)網(wǎng)，局限性較大，不利于大范圍的推廣應(yīng)用。
4結(jié)束語(yǔ)
以現(xiàn)網(wǎng)傳輸設(shè)備的現(xiàn)狀和通信技術(shù)的發(fā)展為出發(fā)點(diǎn)，完成了基于SDH平面、PTN平面和專網(wǎng)等各種滿足對(duì)等通信組網(wǎng)方案的研究。分別提出了利舊的SDH解決方案、符合新技術(shù)的PTN解決方案和HSR組網(wǎng)組網(wǎng)方案，并對(duì)各種組網(wǎng)方案進(jìn)行了對(duì)比，其對(duì)將來(lái)的區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)的業(yè)務(wù)開(kāi)通具有一定的指導(dǎo)意義。隨著技術(shù)的發(fā)展，區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)承載的業(yè)務(wù)不斷完善，需要研究基于SDH平面和PTN平面的站間對(duì)時(shí)技術(shù)和安全防護(hù)等方面的問(wèn)題；甚至為了減少業(yè)務(wù)開(kāi)通時(shí)的配置工作量，需要開(kāi)展基于IP層面的動(dòng)態(tài)路由技術(shù)研究，來(lái)滿足不斷變化的業(yè)務(wù)需求。
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作者：楊貴 彭安 李莉 單位：南京南瑞繼保電氣有限公司
