提高電力穩(wěn)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡利用率方法的研究

陳錦昌，陳興華，鐘初禮，黃立賢

（1.廣東電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510000；2.江蘇華瑞泰科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

區(qū)域性穩(wěn)控系統(tǒng)[1]由多個變電站、電廠等組成，彼此相距很遠，且多處于偏遠地區(qū)。在穩(wěn)控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)中，需要在主站對多個子站進行聯(lián)調(diào)的指揮，且需要了解各個子站的當前狀態(tài)。而在變電站中，由于手機等設備有可能影響變電站的裝置運行，變電站禁止無繩通訊設備的使用，而可用于聯(lián)調(diào)的微波電話欠缺或者無法置于屏前，無法有效用于聯(lián)調(diào)，并且有些變電站處于偏遠地區(qū)，信號覆蓋不足，基于因特網(wǎng)等手段的通信方式無法有效應用，給聯(lián)調(diào)通信帶來了不便。

在穩(wěn)控系統(tǒng)中，通信是必不可少的配置，基于HDLC 協(xié)議[2]的E1 通道[3-4]廣泛存在于各個站之間，用于穩(wěn)控裝置之間的通信信道為帶寬2 M 的通道，而正常的穩(wěn)控通信報文僅占用最多不到200 K 的帶寬，帶寬閑置率較大，資源利用率不高，因此可以利用剩余的90%帶寬傳輸視頻與音頻信息，這樣可以利用原有的通道資源，而且可以進行對多個站的通信，能有效解決聯(lián)調(diào)通信的問題。

1 視音頻信號編碼方式的研究

由于要在2 M 通道中傳輸視音頻信號，首先要保證原有穩(wěn)控數(shù)據(jù)的可靠和穩(wěn)定，同時為了保證聯(lián)調(diào)通信的質(zhì)量[5]，需要流暢清晰的視音頻信號，因此對視音頻信號的編碼與壓縮也提出了一定的要求。

1.1 穩(wěn)控報文的特點

作為穩(wěn)控通信報文[6]，具有長度短、定義明確、格式固定的特點，分正常報文和命令報文，報文由12 個16 位半字組成，包括報文頭、命令字、信息字、校驗碼，其報文（用c 表示）格式如表1。

表1 穩(wěn)控報文cTable 1 Stability control packet c

依據(jù)HDLC 傳輸規(guī)范，一幀穩(wěn)控報文除其正常內(nèi)容外還有幀頭、長度、地址段、控制段及校驗碼，因此，一個穩(wěn)控報文的位長度為

LB=（4+12）×16+6=262 位

若每1.667 ms 傳送一次，則每秒600 次，可計算出穩(wěn)控報文的帶寬為

WB=262×600=157.2 kb/s

相對于2.048 Mb/s 的帶寬，有90%以上的帶寬被閑置。若每3.333 ms 傳送一次，則每秒300 次，需要占用的帶寬僅為78.6 kbps，即兩個穩(wěn)控報文傳輸之間存在大量的空閑時間，可以合理利用這個空閑時間，傳輸聯(lián)調(diào)通信所用的數(shù)據(jù)。

由于正常通信報文在穩(wěn)控通道中所占的帶寬比較小，可以用來傳輸其他數(shù)據(jù)，并且利用穩(wěn)控通道，就解決了通信網(wǎng)絡覆蓋的問題，而且主站對子站的一對多通道，也可以進行同時通信，為聯(lián)調(diào)帶來了便利。

1.2 視音頻數(shù)據(jù)包的特點

相對于穩(wěn)控報文，視音頻數(shù)據(jù)包流量大、編碼自由度大、并劃分有較多的編碼層次[7]。這里所采用的H.264 編碼[8]，是ISO 和ITU-T 聯(lián)合制定的新一代視頻壓縮標準，其特征與主要優(yōu)勢有以下幾點：

(1) 低碼流[low bit rate]：和mpeg2 和mpeg4 asp等壓縮技術相比，在同等圖像質(zhì)量下，采用h.264技術壓縮后的數(shù)據(jù)量只有mpeg2 的1/8，mpeg4 的1/3。

(2) 高質(zhì)量的圖像：h.264 能提供連續(xù)、流暢的高質(zhì)量DVD 圖像。

(3) 容錯能力強：h.264 提供了解決在不穩(wěn)定網(wǎng)絡環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯誤的必要工具。

(4) 網(wǎng)絡適應性強：h.264 提供了網(wǎng)絡適應層[network adaptation layer],使得h.264 的文件能容易地在不同網(wǎng)絡上傳輸。

使用H.264 編碼，就能在有限的帶寬中傳輸高質(zhì)量的視頻信息。

1.3 采用穩(wěn)控通道傳送視音頻所要解決的問題

穩(wěn)控通道是基于HDLC 協(xié)議的碼流，網(wǎng)絡攝像機是基于RTP 協(xié)議的碼流[9]，兩者之間無任何的融合性，且穩(wěn)控系統(tǒng)的報文要求嚴格的實時性和可靠性，必須在精確的間隔時間點上可靠地傳輸與接收，不能被音視頻傳輸?shù)拇罅髁繑?shù)據(jù)所堵塞，這都是不同碼流在同一通道中傳輸所面臨的技術難點。

另外，在處理這兩種不同要求的報文的過程中，對其拆包并重新封裝的算法較復雜，需要大量的矩乘運算，這對處理器的性能及無損算法的優(yōu)化都有很高的要求。同時還需兼顧兩種報文混編后的標識及各層次報文包的優(yōu)先級，不能使最后的接收復原產(chǎn)生混疊或接收延遲，這些都需要在技術上有所重新才能滿足要求。

2 實現(xiàn)方法及相應的算法

2.1 報文碼流的混編和傳送

首先采取排定優(yōu)先級的方法，保證基本的穩(wěn)控碼流的流暢，同時需要碎片化處理音視頻數(shù)據(jù)包，并將穩(wěn)控報文也變成一個相應的碎片，這使得在傳輸層次上兩者具有了共同的傳輸特性，可以融合在在同一物理通道上傳輸，稱作碎片化傳輸法。

設c為穩(wěn)控報文包，p為視音頻數(shù)據(jù)包的碎化單元，同時對c、p進行碎化處理，則有

其中：E1為穩(wěn)控報文的碎化因子；E2為視音頻數(shù)據(jù)包的碎化因子。C、P分別是穩(wěn)控及視音頻的碎化報文片。設S為一個封裝好的完整的視音頻數(shù)據(jù)包，則有

考慮到穩(wěn)控報文與視音頻數(shù)據(jù)的不同格式，E1、E2碎化因子中另外包括了對兩者的標識[10]和排序作用，其標識分類如圖1所示。

圖1 標識分類示意圖Fig.1 Identifiers of the classification system

經(jīng)過上述變換，可得出k時刻按時間優(yōu)先級的傳輸集，其中左邊的優(yōu)先級最高，可被優(yōu)先傳送，向右逐次降低。這里標識為穩(wěn)控碎化片的報文優(yōu)先級最高為0 級。

其中：

T為1.667 ms 時間間隔內(nèi)所允許傳送的數(shù)據(jù)包的大小。

視音頻數(shù)據(jù)包中包含靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)、動態(tài)圖像數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、連接管道數(shù)據(jù)等多層次內(nèi)容，需要依次排定1-4 級優(yōu)先級，以保證較重要的數(shù)據(jù)優(yōu)先傳送。按優(yōu)先級的傳輸順序如圖2所示。

2.2 碼流的接收和無失真分離識別算法

在接收端，需首先進行分離處理，分離因子對接收數(shù)據(jù)片進行矩乘運算，分離出穩(wěn)控報文與視音 頻數(shù)據(jù)數(shù)組，再將視音頻數(shù)據(jù)數(shù)組重組成原始的數(shù)據(jù)包，稱作無縫重組法。

圖2 以優(yōu)先級順序的碼流圖Fig.2 Code flow in priority order

以下是接收報文片的集合，按接收到的先后，也就是時間順序用矩陣形式表示。

以穩(wěn)控報文分離因子F1矩乘R，即可從R中分離得出原來的穩(wěn)控報文。

以分離因子F2矩乘R，即可從R中分離得出原來的視音頻數(shù)據(jù)包S。

以上的E和F運算因子亦是矩陣形式，它們之間包含了嚴格的對應關系，體現(xiàn)了對報文矩陣中各個元素的取舍、排序、標識及優(yōu)先級的所有內(nèi)容，從運算的邏輯中保證了拆分及復原的保真正確性。

3 一對一聯(lián)調(diào)通信系統(tǒng)的組成

聯(lián)調(diào)通信系統(tǒng)的架構如圖3。

A 站和B 站組成基本的一對一聯(lián)調(diào)通信系統(tǒng)，完全是按基于穩(wěn)控平臺的一體化安自裝置設計[11]。其中A 站測量2 條母線、4 臺主變、6 條線路、16條負荷線或電源線，具備判斷低頻低壓、主變過流及跳閘、線路過流及跳閘功能，并可根據(jù)故障前斷面功率檢索策略表，產(chǎn)生切機、切負荷命令[12]。并具備了備用電源自動投入功能。B 站模擬電廠8 臺機組運行狀態(tài)，向A 站發(fā)送機組的運行狀態(tài)，接收A 站發(fā)來的切機命令并執(zhí)行。

圖3 一對一聯(lián)調(diào)通信系統(tǒng)架構圖Fig.3 Architecture of one-to-one joint debugging communication system

基于穩(wěn)控信道的聯(lián)調(diào)通信系統(tǒng)，主要由三個模塊構成：

(1) 視音頻采集模塊

視音頻采集由高性能的網(wǎng)絡攝像機完成，網(wǎng)絡攝像機同時完成視音頻的編碼工作，將視音頻信息編碼為通用的以太網(wǎng)視音頻碼流[13]。

(2) 通信模塊

通信模塊為以高性能32 位嵌入式CPU 為核心的通信板，用20532 通信管理芯片[14-15]實現(xiàn)2M 通信，主要完成穩(wěn)控報文接收、視音頻碼流接收、碼流混編、及發(fā)送與接收等工作。內(nèi)部軟件以可靠的中斷方式運行，保證了穩(wěn)控報文的可靠轉(zhuǎn)發(fā)。通信板內(nèi)部原理框圖如圖4。

圖4 通信板原理框圖Fig.4 Block diagram of the communication board

(3) 監(jiān)控模塊

監(jiān)控模塊進行視音頻碼流的譯碼，同時提供圖像顯示、音頻播放的功能。

通過對一對一聯(lián)調(diào)通信系統(tǒng)的運行試驗及驗收表明：穩(wěn)控裝置所有的運行狀態(tài)正確穩(wěn)定，各種判斷及策略準確無誤，同時視音頻圖像清晰流暢、聲音清楚洪亮，視音頻碼流速率可達1.5 Mb/s，滿足或超過對圖像聲音質(zhì)量的要求，并且對穩(wěn)控報文的傳輸不產(chǎn)生任何影響。

4 一對多聯(lián)調(diào)通信系統(tǒng)的實施方案

較復雜的區(qū)域性穩(wěn)控系統(tǒng)通常是一主站對多子站的系統(tǒng)（子站數(shù)量≤16 個[16]）。為達到此要求，在主站側(cè)用網(wǎng)絡交換機匯聚多個子站的視音頻數(shù)據(jù)，并用多畫面的監(jiān)控軟件即可切換各個子站的視音頻顯示和播放。其架構如圖5。

圖5 一對多聯(lián)調(diào)通信系統(tǒng)架構圖Fig.5 Architecture of one-to-many joint debugging communication system

5 應用實例

本套系統(tǒng)已裝設在廣東端州站——云浮電廠安穩(wěn)系統(tǒng)中，在聯(lián)調(diào)安穩(wěn)系統(tǒng)時發(fā)揮了很大的作用。

端州變電站位于肇慶市端州區(qū)東邊龍門山西側(cè)的馬頭崗，為220 kV 等級的變電站；云浮發(fā)電廠位于云浮市云城區(qū)河口街，總裝機容量為1 120 MW，兩者之間相距47 km。未使用本裝置時，兩邊聯(lián)調(diào)需要主站每做一次實驗，就打電話向?qū)γ嬲緦杽幼髑闆r。由于裝置安放在屏蔽的小室內(nèi)手機信號弱，造成打電話給對面的調(diào)試人員時通話質(zhì)量差甚至是無法接通的情況經(jīng)常發(fā)生，兩個站之間的聯(lián)絡變得很不方便。裝設本裝置后，云浮電廠的調(diào)試人員能夠很清楚地看到端州主站的情況，及時向端州主站的調(diào)試人員上報情況，極大地提高了調(diào)試的工作效率。

端州穩(wěn)控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時的視頻圖像截圖見圖6。

圖6 監(jiān)控圖像畫面Fig.6 Picture of monitor screen

6 結語

聯(lián)調(diào)中的通信，是穩(wěn)控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的重要組成部分。通過對不同專業(yè)技術綜合應用開發(fā)，并解決理論算法和應用技術的難題，提出在穩(wěn)控聯(lián)調(diào)中新的方法和手段，提高了穩(wěn)控聯(lián)調(diào)的效率和直觀性，同時方便了日常運維工作，并使閑置資源得以充分利用。在實際的推廣應用中，必將產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益。

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