面向智能變電站通信的全光交換技術(shù)應(yīng)用

張頡 ，吳鵬 ，王勝 ，王海 ，張?zhí)?，張凌浩

（1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072；2.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，江蘇 南京 210003）

1 引言

智能站對(duì)站內(nèi)通信傳輸進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化處理，各類保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量等裝置通過站內(nèi)的交換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳遞，改變了傳統(tǒng)變電站內(nèi)各設(shè)備之間采用電纜進(jìn)行模擬傳輸?shù)默F(xiàn)狀，極大地簡化了變電站內(nèi)的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了智能站內(nèi)各設(shè)備之間的信息共享[1]。根據(jù)IEC61850及變電站的實(shí)際通信需求，智能站的站內(nèi)通信流主要分為SV報(bào)文、GOOSE報(bào)文及MMS報(bào)文，SV報(bào)文主要處理各類采樣值數(shù)據(jù)，將各間隔、主變及母線的各類參數(shù)經(jīng)合并單元送給保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量等設(shè)備，數(shù)據(jù)流表現(xiàn)為單向、快速傳輸，對(duì)通信時(shí)延要求極高[2]。變電站內(nèi)的開關(guān)發(fā)生變化，其狀態(tài)、位置信號(hào)及閉鎖信號(hào)將通過GOOSE報(bào)文傳遞到相應(yīng)裝置，或者當(dāng)保護(hù)裝置發(fā)布的跳閘命令也由跳閘GOOSE報(bào)文發(fā)送到相應(yīng)的智能終端，GOOSE報(bào)文同樣要求快速、準(zhǔn)確地傳輸?shù)侥康牡?。MMS報(bào)文主要為站控層與間隔層之間以及站控層設(shè)備之間的通信傳輸報(bào)文，MMS報(bào)文對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要求沒有SV報(bào)文及GOOSE報(bào)文高[3]。

由于變電站的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，站內(nèi)大量的采樣信息需要進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣處理，要求變電站的通信網(wǎng)絡(luò)必須可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，且通信網(wǎng)絡(luò)具有極強(qiáng)的處理、轉(zhuǎn)發(fā)能力，對(duì)變電站的交換機(jī)處理能力有極高要求，方能滿足變電站內(nèi)的通信實(shí)時(shí)性要求。另一方面，隨著全光交換技術(shù)的發(fā)展與成熟，人們開始考慮將全光交換技術(shù)引入變電站[4]，由于全光交換避免了交換機(jī)內(nèi)部的光—電—光轉(zhuǎn)換，將提升交換機(jī)的處理能力，大大縮短了交換機(jī)內(nèi)的處理時(shí)間，將十分有利于變電站內(nèi)的實(shí)時(shí)通信傳輸。同時(shí)，由于全光傳輸不受周圍電磁環(huán)境干擾，全光交換也解決了變電站內(nèi)電傳輸?shù)母蓴_問題[5]。

2 面向智能站的全光交換組網(wǎng)方案

根據(jù)智能站的通信業(yè)務(wù)的具體特點(diǎn)和時(shí)延要求，全光交換網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案選用 “雙纖雙向環(huán)網(wǎng)”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由核心層、邊緣層和外圍終端接入層3部分組成，如圖1所示。其中，核心層由10個(gè)核心節(jié)點(diǎn)組成，其中1個(gè)節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，其余9個(gè)為從節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)的1、2號(hào)端口依次相連，組成雙纖雙向環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。核心節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的控制信息、路由策略及全網(wǎng)當(dāng)前狀態(tài)為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸配置正確鏈路。每個(gè)從節(jié)點(diǎn)的3～9號(hào)端口連接邊緣節(jié)點(diǎn)，每個(gè)從節(jié)點(diǎn)使用獨(dú)立的波長信道，并可在主干環(huán)網(wǎng)中對(duì)該波長信道的信號(hào)進(jìn)行上下路功能。主節(jié)點(diǎn)具有對(duì)9個(gè)從節(jié)點(diǎn)使用的波長信道的波長進(jìn)行轉(zhuǎn)換的能力和上下路功能。邊緣層由邊緣節(jié)點(diǎn)組成，對(duì)內(nèi)連接核心層的從節(jié)點(diǎn)，對(duì)外承接終端接入層的業(yè)務(wù)終端，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的接入/分類、數(shù)據(jù)匯聚/裝配、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的調(diào)度和發(fā)送以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的接收和拆裝。終端接入層中，業(yè)務(wù)終端與邊緣節(jié)點(diǎn)相連，生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和接收來自其他終端的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

圖1 面向智能站的全光交換組網(wǎng)模型

在環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，每個(gè)從節(jié)點(diǎn)分別占用一個(gè)獨(dú)立的波長信道，且各從節(jié)點(diǎn)采用的波長均不相同，從而保證各從節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)在物理上的隔離。各從節(jié)點(diǎn)的波長信道分配包括靜態(tài)配置和動(dòng)態(tài)配置兩種方式。靜態(tài)配置方式，即系統(tǒng)預(yù)先為每個(gè)從節(jié)點(diǎn)指定一個(gè)固定的波長信道。比如，從節(jié)點(diǎn)SN 1采用波長信道 λ1、從節(jié)點(diǎn)SN 2采用波長信道 λ2、…、從節(jié)點(diǎn)SN 9采用波長信道λ9。這種配置方式的好處在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和管理控制較簡單，每個(gè)從節(jié)點(diǎn)只需要具備一個(gè)指定波長的上下路功能。動(dòng)態(tài)配置方式，即系統(tǒng)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)地為每個(gè)從節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)波長信道，各從節(jié)點(diǎn)可采用波長信道λ1,λ2,…,λ9中的任意一個(gè)。動(dòng)態(tài)方式對(duì)系統(tǒng)管理和控制的要求更高，需要一定的動(dòng)態(tài)波長信道分配算法。在動(dòng)態(tài)配置方式中，每個(gè)從節(jié)點(diǎn)需要具備任意波長的上下路功能，而相應(yīng)的邊緣節(jié)點(diǎn)也需要具有波長可調(diào)諧的光收發(fā)器，這提高了系統(tǒng)成本和實(shí)現(xiàn)難度。

主節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)由 4個(gè)1×2光開關(guān)、2個(gè)光環(huán)形器、2個(gè)1×9波導(dǎo)陣列光柵、18個(gè)光收發(fā)器和1塊FPGA處理板組成，如圖2所示。主節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)使用的波長信道的波長轉(zhuǎn)換和9個(gè)波長的信號(hào)上下路功能，使數(shù)據(jù)可以在不同從節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行傳輸。1、2號(hào)端口與其他節(jié)點(diǎn)相連構(gòu)成環(huán)網(wǎng)。4個(gè)1×2光開關(guān)和2個(gè)環(huán)形器實(shí)現(xiàn)“雙纖雙向”的保護(hù)功能，2個(gè)1×9的AWG實(shí)現(xiàn)對(duì)9個(gè)波長的復(fù)用和解復(fù)用，主節(jié)點(diǎn)可接收來自9個(gè)從節(jié)點(diǎn)的不同波長信道的數(shù)據(jù)信號(hào)，并能通過相應(yīng)的波長信道向不同的從節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖2 核心層主節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意

從節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，由4個(gè)1×2光開關(guān)、2個(gè)光環(huán)形器、1個(gè)光插分復(fù)用器（OADM）和1個(gè)多播交換矩陣組成。圖中的1、2號(hào)端口與其他節(jié)點(diǎn)相連構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，3～9號(hào)端口連接業(yè)務(wù)終端，是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的輸入輸出端口，每個(gè)從節(jié)點(diǎn)最多可連接7個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)。與主節(jié)點(diǎn)相同，4個(gè)1×2光開關(guān)和2個(gè)環(huán)形器實(shí)現(xiàn)“雙纖雙向”的保護(hù)功能。OADM實(shí)現(xiàn)單波長通道的上下路功能，多播交換矩陣實(shí)現(xiàn)從節(jié)點(diǎn)的多播交換功能。每個(gè)從節(jié)點(diǎn)占用一個(gè)獨(dú)立的波長信道，從節(jié)點(diǎn)的波長信道分配包括靜態(tài)配置和動(dòng)態(tài)配置兩種方式。

圖3 核心層從節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意

邊緣節(jié)點(diǎn)的信號(hào)處理示意如圖4所示，業(yè)務(wù)終端發(fā)送的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要先進(jìn)入邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類、匯聚。在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)入核心層實(shí)現(xiàn)光交換之前，均需要添加相應(yīng)的標(biāo)簽路由信息，從節(jié)點(diǎn)的控制平面根據(jù)相關(guān)路由信息配置光交換矩陣的交換狀態(tài)。在邊緣節(jié)點(diǎn)中，發(fā)送部分將各終端設(shè)備的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)首先進(jìn)行業(yè)務(wù)匯聚，形成統(tǒng)一的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)格式。根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，產(chǎn)生相應(yīng)的光標(biāo)簽信號(hào)，光交換矩陣的控制平面完成標(biāo)簽中相關(guān)路由信息的識(shí)別，并控制光交換矩陣的狀態(tài)。已添加標(biāo)簽信息的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定的電域緩存控制和電光轉(zhuǎn)換，形成光分組數(shù)據(jù)，進(jìn)入光交換矩陣進(jìn)行光交換；接收部分將從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換至電域，經(jīng)過一定的電域緩存控制和標(biāo)簽解析，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的分類拆裝，最終發(fā)送給各目標(biāo)業(yè)務(wù)終端。

3 核心層數(shù)據(jù)交換與保護(hù)

3.1 從節(jié)點(diǎn)內(nèi)部交換過程

當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的源地址和目的地址在同一從節(jié)點(diǎn)內(nèi)部時(shí)，該業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可通過從節(jié)點(diǎn)中的光交換矩陣交換到相應(yīng)的輸出端口，從而到達(dá)所需的目的終端?？梢钥闯?，該業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)并不需要經(jīng)過環(huán)網(wǎng)進(jìn)行傳輸和交換。

3.2 從節(jié)點(diǎn)經(jīng)環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換過程

圖4 邊緣節(jié)點(diǎn)信號(hào)處理示意

當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的源地址和目的地址在不同的從節(jié)點(diǎn)內(nèi)部時(shí)，該業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要經(jīng)過環(huán)網(wǎng)進(jìn)行傳輸和交換。以連接從節(jié)點(diǎn)1的源業(yè)務(wù)終端向連接從節(jié)點(diǎn)6的目的業(yè)務(wù)終端發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為例，說明業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸和交換過程，參照?qǐng)D1。

假設(shè)源業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)由從節(jié)點(diǎn)1匯聚，使用λ1波長信道發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)從節(jié)點(diǎn)1的1號(hào)端口上路至環(huán)網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳送到主節(jié)點(diǎn)并經(jīng)過波分解復(fù)用器后，主節(jié)點(diǎn)的信號(hào)處理模塊對(duì)λ1波長信道的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。經(jīng)過相應(yīng)的處理后，主節(jié)點(diǎn)使用λ6波長信道轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)并上路至環(huán)網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳送至從節(jié)點(diǎn)6時(shí)，從節(jié)點(diǎn)可通過OADM對(duì)λ6波長信道的數(shù)據(jù)進(jìn)行下路，通過從節(jié)點(diǎn)6處的光交換矩陣交換到相應(yīng)的邊緣節(jié)點(diǎn)，邊緣節(jié)點(diǎn)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換等步驟進(jìn)行業(yè)務(wù)拆裝后，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)送至目標(biāo)業(yè)務(wù)終端。

3.3 從節(jié)點(diǎn)在環(huán)網(wǎng)光纖故障時(shí)的數(shù)據(jù)交換過程

10個(gè)核心層節(jié)點(diǎn)的1、2號(hào)端口之間順次連接構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，正常工作時(shí)環(huán)網(wǎng)中僅有1條光纖中沿同一方向傳輸信號(hào)，當(dāng)環(huán)網(wǎng)的工作光纖中僅有一處發(fā)生斷裂等異常情況使信號(hào)不能正常到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)，可以逆向傳輸信號(hào)使通信正常完成，即“雙向保護(hù)”。當(dāng)環(huán)網(wǎng)的工作光纖中有多處發(fā)生斷裂等異常情況，即使逆向傳輸也不能正常通信時(shí)，啟用備用光纖，信號(hào)從備用光纖中傳輸至目標(biāo)業(yè)務(wù)終端，即“雙纖保護(hù)”。

下面結(jié)合節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)做具體說明。如圖5所示，設(shè)1端口連接“工作光纖”，2端口連接“備用光纖”，正常情況下光信號(hào)僅從“工作光纖”中單向傳輸。當(dāng)與OADM相連的A’、B’兩個(gè)1×2光開關(guān)的切換狀態(tài)分別為連接A、B環(huán)形器時(shí)，AA’連通、BB’連通，此時(shí)業(yè)務(wù)終端發(fā)出的光信號(hào)從“輸出 1/2端口”上路，從“輸入 1/2端口”下路；當(dāng) A’、B’兩個(gè)1×2光開關(guān)的切換狀態(tài)分別為連接B、A環(huán)形器時(shí)，AB’連通、BA’連通，此時(shí)業(yè)務(wù)終端發(fā)出的光信號(hào)從“輸入1/2端口”上路，從“輸出 1/2端口”下路。 A’、B’兩個(gè) 1×2光開關(guān)在這兩種組合狀態(tài)下（AA’&BB’或 AB’&BA’）切換，實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)中信號(hào)傳輸方向的順、逆時(shí)針切換，在環(huán)網(wǎng)中“工作光纖”僅發(fā)生1處異常時(shí)，可以使環(huán)網(wǎng)中信號(hào)逆向傳輸?shù)竭_(dá)目標(biāo)終端，實(shí)現(xiàn)“雙向保護(hù)”。在網(wǎng)絡(luò)中“工作光纖”發(fā)生多處異常情況下，連接1、2號(hào)端口的2個(gè)1×2光開關(guān)可以切換連通狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)在“工作光纖”和“備用光纖”之間的倒換功能，實(shí)現(xiàn)“雙纖保護(hù)”。本方案中的“雙纖雙向”的兩重保護(hù)保證了電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全穩(wěn)定傳輸。

圖5 “雙纖雙向”保護(hù)說明

4 結(jié)束語

本文提出的一種針對(duì)智能站通信業(yè)務(wù)需求的全光交換網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，由核心層、邊緣層與終端接入層組成。核心層由環(huán)形連接的多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，該節(jié)點(diǎn)將根據(jù)接收到的控制信息、路由策略及變電站內(nèi)的當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)配置正確路由，其中從節(jié)點(diǎn)使用獨(dú)立的波長信道，并在主干環(huán)網(wǎng)中對(duì)該波長信道的信號(hào)進(jìn)行上下路功能，而主節(jié)點(diǎn)具有對(duì)其他從節(jié)點(diǎn)使用的波長信道的波長轉(zhuǎn)換能力和上下路功能。邊緣層內(nèi)接核心層的從節(jié)點(diǎn)，外接終端接入層的業(yè)務(wù)終端，完成終端業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分類、匯聚，并生產(chǎn)交換需要的光標(biāo)簽。

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