基于SDH光網(wǎng)絡(luò)的分層區(qū)域式保護(hù)通信系統(tǒng)的可靠性研究

梅魯海

（浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310053）

0 引言

電力系統(tǒng)的廣域保護(hù)系統(tǒng)是一種為實(shí)時(shí)監(jiān)控電力設(shè)備的運(yùn)行狀況，通過專用信息網(wǎng)絡(luò)和通信手段獲得電力系統(tǒng)中各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)信息、進(jìn)而綜合判斷可能給電力系統(tǒng)帶來不良后果的損害，并采取相應(yīng)的控制措施消除或減輕損害的電力控制保護(hù)系統(tǒng)。按照決策和控制結(jié)構(gòu)劃分，廣域保護(hù)系統(tǒng)通常有集中式、分布式和分層區(qū)域式三種方式。相對(duì)于分布式結(jié)構(gòu)和集中式結(jié)構(gòu)，分層區(qū)域式結(jié)構(gòu)的保護(hù)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)決策，也可以擺脫對(duì)保護(hù)中心的過度依賴，因此得到了普遍應(yīng)用。分層區(qū)域式結(jié)構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)功能必須依靠專用通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，專用通信網(wǎng)則一般由通信主干網(wǎng)和區(qū)域網(wǎng)組成[1]。

廣域保護(hù)系統(tǒng)的可靠性關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，而保護(hù)系統(tǒng)整體的可靠性在一定程度上主要取決于所承載的專用通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，當(dāng)前，國(guó)內(nèi)對(duì)廣域保護(hù)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的專門性研究還不多。SDH是一種在光纖上實(shí)現(xiàn)數(shù)字同步信號(hào)的傳送、復(fù)接、交叉和分接的網(wǎng)絡(luò)，有世界統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)準(zhǔn)，在組網(wǎng)上多采用自愈環(huán)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。本文以分層區(qū)域式保護(hù)SDH自愈環(huán)網(wǎng)和星型網(wǎng)為例，根據(jù)SDH光通信原理，利用狀態(tài)空間法分析了二纖單向通道保護(hù)環(huán)網(wǎng)和星型網(wǎng)絡(luò)的可靠性模型和可用度評(píng)估方法，并闡述了網(wǎng)絡(luò)冗余和過程層設(shè)備的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)廣域保護(hù)系統(tǒng)的相關(guān)理論計(jì)算和工程設(shè)計(jì)等具有重要的學(xué)術(shù)意義和參考價(jià)值[2]。

1 分層區(qū)域式保護(hù)通信主干網(wǎng)和區(qū)域網(wǎng)的可靠性研究

電力系統(tǒng)分層區(qū)域式廣域保護(hù)的通信主干網(wǎng)主要用來連接系統(tǒng)保護(hù)中心與區(qū)域保護(hù)中心，而區(qū)域網(wǎng)絡(luò)主要用于連接區(qū)域保護(hù)中心與變電站和電廠等。一般來說，電力通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信主干網(wǎng)主要采用SDH自愈環(huán)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，而廣域保護(hù)的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)則可以根據(jù)連接的廠站的類型與數(shù)量，靈活選擇SDH自愈環(huán)網(wǎng)或SDH星型網(wǎng)。

1.1 分層區(qū)域式保護(hù)SDH自愈環(huán)網(wǎng)的可靠性模型及可用度評(píng)估

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，SDH自愈環(huán)一般分為通道保護(hù)環(huán)和復(fù)用段保護(hù)環(huán)兩種組網(wǎng)方式，而二纖單向通道保護(hù)環(huán)是通道保護(hù)環(huán)的一種，因?yàn)榫哂袀鬏斞訒r(shí)小和協(xié)議簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，被普遍應(yīng)用在電力通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。二纖單向通道保護(hù)環(huán)實(shí)質(zhì)上是由2路光纖各自組成2個(gè)獨(dú)立的環(huán)網(wǎng)。在發(fā)送端，光發(fā)送設(shè)備同時(shí)向2路光纖發(fā)送業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)信號(hào)，信號(hào)在主用和備用光纖中沿2個(gè)相反方向同時(shí)流動(dòng)和傳輸，在接收端，光接收設(shè)備通過倒換開關(guān)來選擇接收2路光纖中信號(hào)質(zhì)量較好的其中1路信號(hào)，默認(rèn)接收主用光纖的信號(hào)[3]。當(dāng)主用光纖的某一段發(fā)生故障時(shí)，光設(shè)備通過倒換開關(guān)切換信號(hào)，數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)信號(hào)隨即接入備用光纖傳輸，保障了信號(hào)的連續(xù)性，二纖單向通道保護(hù)環(huán)如圖1。

圖1 二纖單向通道保護(hù)環(huán)Fig.1 Two fiber unidirectional path protection ring

假設(shè)用通信接口IU表示復(fù)用模塊和保護(hù)倒換模塊的組合，并設(shè)信號(hào)在主用光纖沿順時(shí)針方向傳輸，在備用光纖信號(hào)沿逆時(shí)針方向傳輸。這里，如果任何1個(gè)接口IU出現(xiàn)故障，即等同為SDH通信主干環(huán)網(wǎng)的故障，不同故障程度對(duì)SDH通信主干網(wǎng)的影響也不同，但都會(huì)影響信號(hào)的正常傳輸。從主干網(wǎng)可靠性評(píng)估的角度，可以使用圖2所示的串聯(lián)系統(tǒng)來表示[4]。

倒換開關(guān)一般都采用并聯(lián)冗余的結(jié)構(gòu)，因此可以認(rèn)為完全可靠，則系統(tǒng)單個(gè)接口的可用度可表示為

式中：λIU表示設(shè)備接口的故障率；μIU表示設(shè)備接口的修復(fù)率。

圖2 主干環(huán)網(wǎng)的等效串聯(lián)系統(tǒng)圖Fig.2 Equivalent backbone ring series system diagram

每區(qū)段光纖的獨(dú)立故障和共模故障模型共同組成了一般光纖通信系統(tǒng)的可靠性模型，因?yàn)槊恳粋€(gè)傳輸區(qū)段的光纖可分別發(fā)生獨(dú)立的故障，也可能由于同樣的原因同時(shí)發(fā)生故障。為了評(píng)價(jià)系統(tǒng)的可靠性，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)法和狀態(tài)空間法可以建立如圖3所示的一個(gè)區(qū)段光纖的狀態(tài)模型圖[5]。

圖3 一個(gè)區(qū)段光纖的狀態(tài)模型Fig.3 A section of the state of optical model

圖3中，μL表示1根光纖的修復(fù)率，λL表示1根光纖的故障率，λ1表示主用光纖和備用光纖的共模故障率。

設(shè)定P=[P0P1P2P3]，P中的各元素分別是狀態(tài)0、1、2、3的穩(wěn)態(tài)概率，由此可以求出狀態(tài)0、1、2、3的穩(wěn)態(tài)概率。這里，1區(qū)段主用和備用光纖都正常的概率為P0，1區(qū)段只有備用光纖有故障的概率為P1，1區(qū)段只有主用光纖有故障的概率為P2，1區(qū)段主備用光纖都有故障的概率為P3。因?yàn)楣饫w本身的可靠度較高，假定最多只有2個(gè)區(qū)段的光纖發(fā)生故障，而光纖通信系統(tǒng)中其他設(shè)備發(fā)生故障的概率對(duì)整個(gè)環(huán)網(wǎng)可靠性的影響可以忽略不計(jì)，因此，整體光纖通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行和故障有如下情況[6]。

（1）如果只有1個(gè)區(qū)段光纖已有故障，有三種情況：1）假設(shè)1區(qū)段2光纖都有故障，則故障概率為這時(shí)的SDH自愈環(huán)網(wǎng)可以使用。2）假設(shè)1區(qū)段只有備用光纖有故障，則故障概率為這時(shí)的SDH自愈環(huán)網(wǎng)可以使用。3）假設(shè)1區(qū)段只有主用光纖有故障，則故障概率為這時(shí)的SDH自愈環(huán)網(wǎng)也可以使用。

（2）如果2個(gè)區(qū)段光纖有故障，有三種情況：1）假設(shè)2個(gè)區(qū)段都是只有1條光纖有故障，又有三種情況：a）假設(shè)1個(gè)故障區(qū)段主用光纖有故障，另一個(gè)區(qū)段備用光纖有故障，這種情況的故障概率為這時(shí)會(huì)發(fā)生某一節(jié)點(diǎn)不能向另外節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，或者某一節(jié)點(diǎn)不能接收另外節(jié)點(diǎn)的信息，所以SDH自愈環(huán)網(wǎng)不可以使用。b）假設(shè)故障區(qū)段都是備用光纖有故障，這種情況的故障概率為這時(shí)的SDH自愈環(huán)網(wǎng)可以使用。c）假設(shè)故障區(qū)段都是主用光纖有故障，這種情況的故障概率為這時(shí)的SDH自愈環(huán)網(wǎng)可以使用。2）假設(shè)1個(gè)區(qū)段主備光纖都有故障，另一區(qū)段1條光纖故障，則故障概率這種故障比上述a）的情況更嚴(yán)重，所以SDH自愈環(huán)網(wǎng)不可以使用。3）假設(shè)2個(gè)區(qū)段都是2條主備光纖同時(shí)有故障，則故障概率這時(shí)的SDH自愈環(huán)網(wǎng)也不可以使用。

由此，整體光纖通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可用度可表示為

而SDH自愈環(huán)網(wǎng)的可用度則可表示為

1.2 分層區(qū)域式保護(hù)通信星型網(wǎng)的可靠性模型和可用度評(píng)測(cè)

除了上述環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的情況，一般的分層區(qū)域式廣域保護(hù)通信網(wǎng)還可采用星型的網(wǎng)絡(luò)。星型網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是所有子站都和區(qū)域保護(hù)中心連接，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示，這里的站點(diǎn)SDH設(shè)備之間均采有2根光纖通信。區(qū)域式廣域保護(hù)通信網(wǎng)采用星型結(jié)構(gòu)的可靠性模型可表示為2個(gè)SDH光端設(shè)備間光纖的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如圖5所示。

圖4 分層區(qū)域式廣域保護(hù)星型網(wǎng)Fig.4 Region wide area protection star network

圖5 分層區(qū)域式廣域保護(hù)通信星型網(wǎng)可靠性模型Fig.5 Region wide area protection communication star network reliability model

μ1表示1區(qū)段2路光纖的共模失效率，μL表示1區(qū)段1路光纖的獨(dú)立修復(fù)率，λL表示1區(qū)段1路光纖的獨(dú)立失效率，假定3個(gè)狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率矩陣表示為P=[P0P1P2]，則可以得出光纖的可用度表示為ALi=P0+P1。

由以上分析，如果發(fā)生網(wǎng)絡(luò)中某SDH設(shè)備失效、2個(gè)SDH設(shè)備之間的2條光纖都失效或1條光纖失效三種情況中的的任一種情況，本區(qū)域式廣域保護(hù)通信網(wǎng)就宣告失效，由此，區(qū)域星型網(wǎng)絡(luò)本身的可用度可表示為

其中，n為子站的個(gè)數(shù)，而整體光纖通信網(wǎng)的可用度可表示為

其中：k表示區(qū)域網(wǎng)的數(shù)目；Azg表示通信主干網(wǎng)的可用度，一般Azg=ARNET。Aqyj表示編號(hào)為j的區(qū)域式廣域保護(hù)通信網(wǎng)的可用度，如果是星型網(wǎng)絡(luò)，則Aqyj=ASNET，如果是環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，則Aqyj=ARNET。

2 網(wǎng)絡(luò)冗余和過程層設(shè)備組網(wǎng)

通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)等子系統(tǒng)的可靠性決定了電力系統(tǒng)及其變電站安全運(yùn)行的可靠性。作為提高通信網(wǎng)可靠性的主流方式，冗余技術(shù)常用作通信組網(wǎng)的主要手段。按照實(shí)現(xiàn)方法，冗余包括節(jié)點(diǎn)冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余兩種，節(jié)點(diǎn)冗余要求全部通信設(shè)備必須雙重備份，相當(dāng)于建立2個(gè)完全獨(dú)立運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)，成本很高，應(yīng)用也不多。網(wǎng)絡(luò)冗余無需備份，組網(wǎng)成本低，應(yīng)用較多。例如當(dāng)通信鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，為保證可靠性，IEC62439作為并行結(jié)構(gòu)的冗余通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)無延時(shí)信號(hào)切換，工作原理如圖6。

圖6中的鏈路冗余體LRE負(fù)責(zé)冗余管理和處理重復(fù)報(bào)文，是網(wǎng)絡(luò)的核心環(huán)節(jié)。圖6中，具有雙連接點(diǎn)的2個(gè)IED網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，是通過雙連接的端口各自連接到2個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)上[7]。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備從線路上接收到1幀的數(shù)據(jù)后，LRE將會(huì)從2個(gè)端口處提取第1次接收到的數(shù)據(jù)，并且丟掉一些重復(fù)的數(shù)據(jù)幀。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接收到上一層的1幀數(shù)據(jù)后，LRE要在該數(shù)據(jù)的相關(guān)位置上增加一個(gè)冗余的標(biāo)識(shí)，再向2個(gè)端口同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖6 IEC62439網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型Fig.6 IEC62439 network node model

如圖7所示，按照網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞绞絼澐?，變電站通信網(wǎng)絡(luò)的過程層設(shè)備有點(diǎn)到點(diǎn)直連和組網(wǎng)連接等幾種。圖7(a)是采用點(diǎn)到點(diǎn)直連的方式，這種方式不與其他節(jié)點(diǎn)共享數(shù)據(jù)，不存在競(jìng)爭(zhēng)帶寬，實(shí)時(shí)性好，缺點(diǎn)是需要大量的光纜設(shè)備，工程維護(hù)不便。圖7(b)是采用交換機(jī)組網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，交換機(jī)具有支持組播技術(shù)、虛擬局域網(wǎng)VLAN和報(bào)文優(yōu)先級(jí)的性能，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的共享，也可以節(jié)省電纜，這種方式的缺點(diǎn)是存在由于交換機(jī)排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)延時(shí)。

圖7 過程層設(shè)備組網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.7 Process layers device networking structure

3 廣域保護(hù)通信網(wǎng)可靠性例舉

目前，電力系統(tǒng)的通信網(wǎng)線路通常使用復(fù)合地線光纜或自承式光纜聯(lián)網(wǎng)，通信線路一般與輸電線路并行敷設(shè)，因此變電站之間只要有電力線路相連，就有通信線路連接。以IEEE14母線系統(tǒng)為例，如圖8所示，組建1個(gè)分層區(qū)域式廣域保護(hù)的通信網(wǎng)。這里，電力通信系統(tǒng)可分為3個(gè)區(qū)域，其中站5是系統(tǒng)的保護(hù)中心，同時(shí)作為區(qū)域3的區(qū)域保護(hù)中心，而站2和站4分別是區(qū)域1和區(qū)域2的保護(hù)中心，站2、站4和站5通過光纖環(huán)網(wǎng)連接，組成本系統(tǒng)的通信主干網(wǎng)，每個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)則為星型方式連接。通過可靠性分析，可得表1為網(wǎng)絡(luò)元素的可靠性基本數(shù)據(jù)。

圖8 母線系統(tǒng)與廣域保護(hù)通信網(wǎng)Fig.8 Bus system and wide area communication network

表1 網(wǎng)絡(luò)元素的可靠性參數(shù)Table 1 Reliability parameters of network elements

假設(shè)SDH自愈環(huán)網(wǎng)的光纖修復(fù)時(shí)間為48 h，SDH設(shè)備接口的故障修復(fù)時(shí)間為24 h，通過計(jì)算，可得表2為廣域保護(hù)通信網(wǎng)的可靠性參數(shù)。

表2 廣域保護(hù)通信網(wǎng)的可靠性參數(shù)Table 2 Wide area protection reliability of communication network

以上數(shù)據(jù)可以看出，光纖的故障率雖然高于設(shè)備接口的故障率，但是如果發(fā)揮SDH自愈環(huán)網(wǎng)的通道保護(hù)功能，則可以減小因?yàn)楣饫w故障對(duì)整個(gè)環(huán)網(wǎng)可靠性造成的影響。由此可見，提高設(shè)備接口的可靠性是保證SDH環(huán)網(wǎng)的可靠性的關(guān)鍵。如果接口數(shù)目相同，SDH自愈環(huán)網(wǎng)使用的光纖數(shù)量雖然比星型網(wǎng)要多，但相應(yīng)的可靠性也比星型網(wǎng)要高。

4 結(jié)語(yǔ)

分層區(qū)域式的廣域保護(hù)系統(tǒng)在決策和組網(wǎng)結(jié)構(gòu)方面優(yōu)勢(shì)明顯，基于SDH的自愈環(huán)保護(hù)網(wǎng)和星型網(wǎng)在電力廣域保護(hù)通信系統(tǒng)中正得到廣泛應(yīng)用。研究基于SDH光網(wǎng)絡(luò)的分層區(qū)域式廣域保護(hù)通信系統(tǒng)的可靠性模型，進(jìn)而得出傳輸鏈路細(xì)分區(qū)段的故障概率和可用度等定量指標(biāo)，可以為電力系統(tǒng)廣域保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的論證設(shè)計(jì)及通信系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)提供參考和理論依據(jù)。

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