區域保護與控制系統網絡拓撲研究范文

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摘要：

為解決區域保護控制系統分布式業務的對等通信需求，實現變電站間保護業務的對等通信機制，在現有電力系統多業務傳輸平臺組網結構基礎上研究基于MSTP的對等通信網絡拓撲實現方案；同時研究適用于電力系統分組傳送網的對等通信網絡拓撲實現方案；為了彌補MSTP網絡環網保護的缺陷，研究了基于高可靠性無縫冗余環網技術的對等通信實現方案，并對各種方案進行對比，為將來區域保護控制系統的網絡建設提供了有益指導。

關鍵詞：

區域保護控制；對等通信；高可靠性無縫冗余；多業務傳輸平臺；分組傳送網

隨著社會經濟的發展，人們對電力的需求和依賴越來越大，對供電質量的要求也越來越高，對于核心業務要求不間斷供電。然而，隨著互聯電網區域的擴大、交換容量的增加及電網電壓等級的提高，由互聯電網故障引起的特大停電事故幾乎成為社會災難，停電造成的損失也越來越大。保障互聯電網的運行安全性，避免重大停電事故的發生變得越來越困難?，F有的電力系統三道防線[1，2]已無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的整體供電可靠性，需要改變現有的后備保護模式，采用主動收集相關變電站信息的方式加快后備保護及穩定控制動作時間[3]，從而達到實現提升供電質量的最終目標。區域保護與控制系統是基于這種目的而誕生的保護控制系統。

1區域保護控制系統現狀

在區域保護實施初期借鑒了很多智能變電站站內的組網方案和保護原理，具體可參考文獻[4]了解智能變電站站內的實現方法。區域保護與控制系統由變電站間的站間通信為基礎，由控制中心、傳輸網、各變電站的站域保護控制設備構成。整個系統由區域保護控制主站、多個區域保護控制子站、就地采集控制設備、通信網關設備等組成，在每個變電站布置區域保護控制子站,任意一個變電站布置區域保護控制主站、主站與子站之間、子站與子站之間通過區域過程層通信網相互連通，協調完成某一區域電網內的所有保護與控制功能。其中保護系統的拓撲結構為對等通信模型。如圖1所示，保護系統由各個變電站內的站域保護設備構成，各個變電站內的站域保護控制設備接收相關變電站內站域保護控制設備發送的報文，并依據報文信息完成區域保護功能。區域內各個變電站內的信息沒有統一的接收設備，各設備處于對等的地位。每個變電站內負責與其他變電站進行信息交互的設備為站域保護控制設備，該設備負責收集站內各個間隔的信息，并將信息發送給其他變電站的站域保護控制設備，同時接收其他相關變電站發送的信息并進行保護功能計算及動作。區域保護控制系統中的保護業務具有站間對等通信需求，而現網的通信均采用點對點的主從通信模式，無法滿足多站間對等通信需求。如將區域保護控制主站當作特殊的站域保護控制設備，那么整個區域保護控制系統可看作一個完整的對等通信模型來建立，文中將以這個前提來討論最適合區域保護控制系統需求的網絡拓撲結構。區域保護控制系統根據業務類型的不同，要求也有很大的差異，基于目前區域保護控制系統通道延時小于10ms，誤碼率小于10-6的要求進行網絡方案設計及驗證[3]。

2通信技術發展電力系統

目前傳輸網主要由多業務傳輸平臺設備構成[5]，該設備采用同步數字體系（synchronousdigitalhierarchy，SDH）作為業務的載體，采用時分復用技術進行業務傳輸；同時，為兼容日益增加的IP等其他傳輸機制業務需求，開發了支持IP等不同傳輸機制的業務接入板卡，實現了多業務共平臺傳輸。SDH采用剛性通道進行業務傳輸[6]，其具有傳輸延時相對固定的特點，非常適合可靠性要求高的保護等業務傳輸。目前，電力系統開始嘗試使用分組傳送網設備組建傳輸網，并進行了大量的PTN測試；PTN設備采用分組交換的原理進行報文傳輸，非常適合新型IP業務的傳輸。PTN設備采用柔性通道進行業務傳輸，為確保業務的可靠性，必須借助服務質量等輔助手段來提升業務的傳輸可靠性[7]。但是，PTN設備具有更大的傳輸帶寬，在電力系統業務日益增加、帶寬需求日益變大的情況下，有可能成為未來電力系統傳輸網的主要組網設備。針對區域保護控制系統的特點，需要實現基于傳輸網的對等通信網絡架構。在對等通信技術方面，目前可用的環網技術主要是快速生成樹協議和IEC62439-3規定的高可靠性無縫冗余環技術[8]，其他一些私有環網技術也可應用在區域保護控制系統中，但通用性較差，文中不作推薦。為適應現網的傳輸網設備情況和未來傳輸網技術的更新，并結合各種環網技術的特點，下文的方案論證中將在SDH和PTN2個平面進行對等通信實現方式的分析介紹。

3拓撲結構研究

基于現網SDH的配置情況和目前主流的PTN設備的配置情況，結合環網技術的支持程度進行方案的論證。

3.1基于SDH的RSTP環網方案如圖2所示，利用SDH設備SDH承載以太板卡進行以太層的接入，開通業務時采用相鄰站間根據業務流量開通SDH側的通道帶寬，可以是1個或幾個虛擬通道12，當業務量足夠大時也可開通虛擬通道3。站點業務報文通過虛擬局域網（VLAN）進行隔離，每個站點接收和發送的VLAN號和數量根據業務情況進行配置。該方案采用EoS板卡提供的RSTP功能進行環 保護，采用該方式需要各站點上傳的組播報文在SDH通道上均進行傳輸，防止單纖故障后組播報文無法從另一個方向傳輸而導致異常業務終端。該方式總帶寬使用情況為：N倍的業務帶寬N，N為節點個數。該方式較傳統的子網連接保護（subnetworkconnectionprotection，SNCP）保護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設備的EoS板卡雖然支持了RSTP功能，但RSTP無法有效判斷同步傳輸模塊（synchronoustransfermodule，STM）側的通道鏈路狀態，導致環網恢復時會出現短暫的通道異常。實驗測試發現，在環網STM側鏈路中斷等情況發生時，會出現2～20s的環路異常狀態，包括2～10s的短時網絡風暴，而該種情況無法滿足區域保護控制系統的50ms鏈路恢復網絡指標要求。

3.2基于SDH的HSR環網方案如圖3所示，利用支持HSR功能的交換機實現業務的接入，HSR通過SDH設備EoS板卡實現雙向接入，開通業務時采用相鄰站間根據業務流量開通SDH側的通道帶寬，可以是1個或幾個VC12通道，當業務量足夠大時也可開通VC3通道。站點業務報文通過VLAN進行隔離，每個站點接收和發送的VLAN號和數量根據業務情況進行配置。該方案采用HSR交換機提供環網保護功能，通過EoS板卡實現HSR雙向接入，并開通雙向的點對點通道。采用該方式實現各站點上傳的組播報文在SDH雙向通道上均進行傳輸，防止單纖故障后組播報文無法從另一個方向傳輸而導致異常業務終端。該方式總帶寬使用情況與3.1節相同，但環網恢復時間為0ms，優于區域保護控制系統的指標要求。

3.3PTN環網方案如圖4所示，根據MPLS-TP環保護倒換（MPLS-TPringprotocolswitch，MRPS）環網要求[7]，每個站點部署2個分組板卡，每個分組板卡出1個GE端口作為環網的東、西向，業務從分組板卡FE端口接入，分組板卡業務配置采用MRPS方式將業務轉發至面板GE端口（作為MPLS-TP環網的東西向端口，端口類型為NNI）。分組業務采用MPLS-TP（MPLS-transportprofile）環網保護方式（配置在分組板卡）；保護倒換時間小于50ms。假設組播業務按照A→B→C→D方向逐跳轉發，環網中組播帶寬只占用1份帶寬。在環網中可設置阻塞節點預防廣播風暴的發生，當發生節點故障時，打開阻塞點進行保護倒換。當C—D之間的鏈路故障時，A—D之間的阻塞點打開，保證業務不中斷傳輸。當C站點的單板故障時，A—D之間的阻塞點打開，確保業務不中斷傳輸，受影響的僅是故障單板業務。

3.4基于PTN的HSR環網方案如圖5所示，每個站點部署2個分組板卡，每個分組板卡出1個GE端口作為HSR環網的東、西向，業務首先接入HSR交換機，HSR交換機的2個環網端口分別接入到PTN設備的2個分組接口板上，分組接口板分別對應東、西分組板卡。PTN設備不采用任何保護方式，通過HSR交換機實現環網保護功能，環網倒換時間為0ms。假設組播業務按照A→B→C→D方向逐跳轉發，環網中組播帶寬只占用左、右方向各1份帶寬。在HSR環網中發生單節點故障時，依然能夠確保組播業務正確送達接收終端。同時，PTN設備給出鏈路故障告警，方便用戶進行故障定位。

3.5HSR環網方案如圖6所示，每個站點部署1臺HSR交換機，站點之間通過專用光纖進行HSR交換機的環網連接。每個站點的HSR交換機分別通過環網端口與左、右方向站點的HSR交換機級聯，最終構成各站點間的HSR環網。該組網方式為標準的HSR環網方式，環網恢復時間為0ms。

3.6方案對比以上5種不同的業務開通類型均可滿足對等通信的理念要求，但是，每種方案均有優點和不足，表1從帶寬利用情況、環網恢復時間、保護業務開通、延時特性、安全特性等幾個最為主要的方面進行了比較。從比較結果來看，基于SDH平面的方案中RSTP環網方案具有較好的帶寬利用率和保護功能，需求業務帶寬為（N'-1）倍的每路報文流量，其中N'為區域保護控制系統中主子站的總和，開啟的環保護功能可以保護到EoS板卡，SNCP保護僅能保護到SDH層面；但該方式的環網恢復時間無法滿足區域保護控制系統業務的需求。基于SDH的HSR環網方案可滿足區域保護控制系統業務的需求，在業務帶寬需求上與基于SDH的RSTP環網方案一致，因此，在現網的情況下更適合推廣應用。PTN平面上的2種方案中純PTN平面具有更好的傳輸延時、帶寬利用率和較少的板卡，通道切換時間也可以滿足區域保護控制系統業務需求。但是與基于PTN的HSR環網方案比較，無法做到通道故障時的無縫切換。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，在一些重要應用場合需要考慮如何確保業務安全性的問題。從PTN技術發展與保護業務的不斷融合來看，將來純PTN平面的傳輸網將有可能取代SDH而被大面積采用。因此，現網推薦采用基于SDH平面的VLAN環網方案，PTN平面建議采用純PTN環網方案作為區域保護控制系統的網絡拓撲方案。HSR環網解決方案有效地解決了基于SDH平面的帶寬有限問題，同時也解決了PTN平面的非剛性通道的業務串擾問題。不過該組網方案需要額外通過光纜構成獨立的HSR站間環網，局限性較大，不利于大范圍的推廣應用。

4結束語

以現網傳輸設備的現狀和通信技術的發展為出發點，完成了基于SDH平面、PTN平面和專網等各種滿足對等通信組網方案的研究。分別提出了利舊的SDH解決方案、符合新技術的PTN解決方案和HSR組網組網方案，并對各種組網方案進行了對比，其對將來的區域保護控制系統的業務開通具有一定的指導意義。隨著技術的發展，區域保護控制系統承載的業務不斷完善，需要研究基于SDH平面和PTN平面的站間對時技術和安全防護等方面的問題；甚至為了減少業務開通時的配置工作量，需要開展基于IP層面的動態路由技術研究，來滿足不斷變化的業務需求。

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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