變電站共網(wǎng)共口傳輸實(shí)現(xiàn)方法

王瑋

（國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，江蘇 南京 210003）

1 引言

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)設(shè)備的一系列規(guī)范化，使其形成一個(gè)規(guī)范的輸出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無縫連接。智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)建立在IEC61850通信技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上，按分層分布式來實(shí)現(xiàn)站內(nèi)智能電氣設(shè)備間的信息共享和互操作性，在邏輯功能上由站控層、間隔層和過程層3層設(shè)備組成。目前工程實(shí)踐中，智能變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)一般采用物理上獨(dú)立的站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)。站控層網(wǎng)絡(luò)用于連接站控層設(shè)備和間隔層設(shè)備，過程層網(wǎng)絡(luò)用于連接過程層設(shè)備和間隔層設(shè)備。為了保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性，每層網(wǎng)絡(luò)通常會(huì)采用冗余的雙星型拓?fù)?。過程層網(wǎng)絡(luò)又會(huì)分為獨(dú)立的GOOSE(generic object oriented substation event)網(wǎng)和 SV(sampled measured value)網(wǎng)。

“共網(wǎng)共口”是指智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)不再分為獨(dú)立的站控層網(wǎng)絡(luò)與過程層網(wǎng)絡(luò)，而是構(gòu)建站內(nèi)一體化高速通信網(wǎng)絡(luò)，并且同一臺(tái)IED （intelligent electronic device）的GOOSE、SV及MMS業(yè)務(wù)報(bào)文共用一個(gè)以太網(wǎng)端口連接至該通信網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)建基于“共網(wǎng)共口”的站內(nèi)一體化高速通信網(wǎng)絡(luò)，是新一代智能變電站通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。

“共網(wǎng)共口”技術(shù)的理論依據(jù)介紹如下。

·共網(wǎng)技術(shù)。通過VLAN(virtual local area network)和動(dòng)態(tài)多播協(xié)議按照實(shí)際要求劃分多個(gè)多播子網(wǎng)，將業(yè)務(wù)報(bào)文進(jìn)行安全隔離。

·共口技術(shù)。根據(jù)國家電網(wǎng)公司相關(guān)技術(shù)規(guī)范，IED發(fā)送SV的抖動(dòng)不能超過10 μs，發(fā)送GOOSE的時(shí)延不能超過3 ms。當(dāng)SV、GOOSE、MMS共纜傳輸時(shí)，先將SV發(fā)送優(yōu)先級(jí)置為最高，GOOSE次之、MMS最低，或者采用分時(shí)傳輸?shù)姆绞絹肀ＷC共纜傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與可靠性。

2 VLAN+分時(shí)傳輸方法

在智能變電站中，SV和GOOSE數(shù)據(jù)是多播發(fā)送的，交換機(jī)會(huì)將SV和GOOSE數(shù)據(jù)廣播傳送，所有的智能設(shè)備都會(huì)收到相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)卡的過濾傳送給應(yīng)用模塊，所以SV和GOOSE的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載會(huì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的智能設(shè)備產(chǎn)生影響。

根據(jù)理論計(jì)算，過程層采樣值通信流量只占用100 Mbit/s端口的4%左右，過程層網(wǎng)絡(luò)中GOOSE報(bào)文的流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采樣值的流量。目前智能變電站中，1個(gè)間隔的SV流量不會(huì)超過5 Mbit/s，一個(gè)間隔的GOOSE流量不會(huì)超過0.1 Mbit/s。假設(shè)整個(gè)變電站有30個(gè)間隔，考慮到GOOSE報(bào)文的流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采樣值的流量，那么過程層網(wǎng)的負(fù)載不會(huì)超過150 Mbit/s。百兆網(wǎng)無法負(fù)擔(dān)，如果采用吉比特網(wǎng)，過程層網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載不會(huì)超過15%，這個(gè)流量對(duì)于交換機(jī)來說比較輕松，但對(duì)于保護(hù)、測(cè)控等智能設(shè)備而言就是一個(gè)不小的流量，需要采取措施來降低過程層網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。目前常用VLAN或者多播注冊(cè)協(xié)議（GMRP）將過程層數(shù)據(jù)按照間隔進(jìn)行隔離，控制過程層數(shù)據(jù)的流量，降低過程層數(shù)據(jù)對(duì)智能設(shè)備的影響，使得共網(wǎng)成為可能。

圖1是基于VLAN實(shí)現(xiàn)共網(wǎng)的示意。VLAN技術(shù)將物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)邏輯子網(wǎng)，從而減少網(wǎng)絡(luò)帶寬占用，抑制網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。GMRP技術(shù)可以動(dòng)態(tài)構(gòu)成多個(gè)多播子網(wǎng)，從而達(dá)到類似VLAN劃分的結(jié)果。GMRP僅對(duì)SV、GOOSE有效，對(duì)MMS無效，因此一般首先利用VLAN技術(shù)，大致劃分為幾個(gè)大的邏輯子網(wǎng)，至少將MMS獨(dú)立出去，然后在同一個(gè)VLAN中，再利用GMRP自動(dòng)構(gòu)成多播子網(wǎng)。

變電站內(nèi)SV、GOOSE、MMS業(yè)務(wù)以共口方式從設(shè)備中傳輸時(shí)，先將SV發(fā)送優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最高，GOOSE次之，MMS最低。如果某個(gè)優(yōu)先級(jí)很低的大報(bào)文正在發(fā)送中，而SV報(bào)文發(fā)送時(shí)刻到了。此時(shí)，是不可能取消正在進(jìn)行的發(fā)送任務(wù)的，只能等待。

因此，比較可靠的方式是采用分時(shí)傳輸，工程應(yīng)用中直采 SV采樣率為 4 kHz，如圖2所示，將時(shí)間片以250 μs為單位進(jìn)行劃分，對(duì)于每個(gè)時(shí)間片，進(jìn)一步劃分為如下兩個(gè)子片。

· 子片 1：0～50 μs，專供 SV發(fā)送用，不得占用。

· 子片 2：50～250 μs，供 GOOSE、MMS 使用。

為了保證GOOSE實(shí)時(shí)性，應(yīng)采用優(yōu)先級(jí)調(diào)度，將GOOSE存儲(chǔ)到高優(yōu)先級(jí)發(fā)送隊(duì)列中，只有該隊(duì)列為空時(shí)，才考慮MMS發(fā)送。圖2為共口傳輸基本模型。

圖1 基于VLAN實(shí)現(xiàn)共網(wǎng)示意

圖2 分時(shí)傳輸共口傳輸基本模型

考慮智能終端上送信號(hào)均帶有變位時(shí)標(biāo)，所以GOOSE的發(fā)送時(shí)延并不對(duì)間隔層設(shè)備的遙信分辨率造成影響。GOOSE重傳機(jī)制中變位發(fā)送間隔一般設(shè)置為2 ms，所以兩幀SV之間插入2幀GOOSE發(fā)送不會(huì)造成報(bào)文的積累問題。

3 波長映射方法

波分復(fù)用（wavelength division multiplexing，WDM）是提高一根光纖傳輸容量的主要技術(shù)，類似于無線電系統(tǒng)中的頻分復(fù)用技術(shù)。它將多個(gè)不同波長的光載波信號(hào)（攜帶各種不同信息）在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器（multiplexer）匯合在一起，并耦合到同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端使用解復(fù)用器（de-multiplexer）將各個(gè)波長的光載波分離，然后由光接收機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理以恢復(fù)原始信號(hào)。只要相鄰波長信道的間隔距離足夠遠(yuǎn)，不同的波長信道之間就不會(huì)產(chǎn)生相互干擾，因此在一根光纖中可實(shí)現(xiàn)多路光信號(hào)的復(fù)用傳輸。另外，雙向傳輸可將兩個(gè)方向的信號(hào)分別安排在不同的波長上實(shí)現(xiàn)。

如圖3所示，將波長等效于電交換機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)發(fā)隊(duì)列，不同業(yè)務(wù)映射至不同波長，不同種業(yè)務(wù)之間互不干擾，同種業(yè)務(wù)在交換單元內(nèi)采用先進(jìn)先出的調(diào)度策略。

目前網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備基于處理電信號(hào)的以太網(wǎng)核心交換芯片、采用“存儲(chǔ)—轉(zhuǎn)發(fā)”網(wǎng)絡(luò)交換模式。全光交換技術(shù)是指不經(jīng)過任何光/電轉(zhuǎn)換，將輸入端光信號(hào)直接交換到任意光輸出端。傳統(tǒng)的電交換在帶寬、互連密度、時(shí)鐘歪斜、能耗、抗干擾能力等方面均受到限制，即存在“電子瓶頸”。全光交換技術(shù)不僅能消除互連交換系統(tǒng)中的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換帶來的性能損失，極大地提高互連交換性能，更重要的是能極大地提高互連交換的密度，具有帶寬巨大、傳輸透明、低時(shí)延、可擴(kuò)展、可重構(gòu)、低功耗、高可靠性的特點(diǎn)，是解決傳統(tǒng)電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)現(xiàn)存問題的一種理想技術(shù)。

如圖4所示，通過邊緣節(jié)點(diǎn)，全光交換網(wǎng)絡(luò)可以與普通電交換IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，邊緣節(jié)點(diǎn)分為發(fā)送部分和接收部分。發(fā)送部分的主要功能為：邊緣端口從傳統(tǒng)以太網(wǎng)接收IP數(shù)據(jù)分組，經(jīng)過FIFO進(jìn)行速率匹配后接入業(yè)務(wù)識(shí)別和分類模塊，根據(jù)業(yè)務(wù)類型及路由信息將它們進(jìn)行分類，之后進(jìn)行二次封裝并生成光分組頭編碼，最后經(jīng)過E/O轉(zhuǎn)換復(fù)用到WDM光纖。接收部分的主要功能為：來自WDM光纖的數(shù)據(jù)通過解復(fù)用器，經(jīng)過O/E轉(zhuǎn)換后進(jìn)行光分組頭解碼，將數(shù)據(jù)分組解封裝還原成IP分組，之后根據(jù)路由信息分發(fā)到對(duì)應(yīng)的邊緣端口。

圖3 業(yè)務(wù)波長映射及交換示意

圖4 邊緣節(jié)點(diǎn)對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行預(yù)處理

在光信號(hào)進(jìn)入如圖5所示的交換節(jié)點(diǎn)后，首先通過一個(gè)波分復(fù)用器進(jìn)行波長解復(fù)用。各波長的光信號(hào)經(jīng)過一個(gè)10∶90的光耦合器，10%的輸出端口與控制模塊連接用于光分組頭提取和處理，90%的輸出端口與FDL連接用于等待緩存和交換判決以及光開關(guān)所需的切換響應(yīng)時(shí)間?？刂颇K提取光分組中的目標(biāo)MAC地址和長度等信息，控制模塊上的緩存管理模塊和交換管理模塊分別控制光緩存單元和光交換矩陣，將光分組業(yè)務(wù)和光波長業(yè)務(wù)正確交換到所需的輸出端口和波長。對(duì)于光分組業(yè)務(wù)，如果兩路及以上的光分組業(yè)務(wù)同時(shí)到達(dá)，且需要從同一端口的統(tǒng)一波長輸出，則會(huì)出現(xiàn)分組沖突，根據(jù)沖突解決算法，控制各路信號(hào)支路上的OBU，為各波長上的光分組信號(hào)選擇合適的光時(shí)延支路解決光分組沖突。經(jīng)過緩存后的光分組信號(hào)，經(jīng)過光開關(guān)交換矩陣交換到所需的輸出端口和輸出波長上繼續(xù)傳輸。

邊緣節(jié)點(diǎn)針對(duì)某些傳統(tǒng)設(shè)備如智能變電站測(cè)控裝置使用同一網(wǎng)口進(jìn)行業(yè)務(wù)混傳的問題，實(shí)現(xiàn)了電交換網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)分類，進(jìn)入全光交換網(wǎng)絡(luò)后，業(yè)務(wù)承載于獨(dú)立的波長，之間互不干擾，在經(jīng)過交換節(jié)點(diǎn)時(shí)通過光解復(fù)用模塊將不同波長上的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)送入不同的光交換電路，完成后再通過光復(fù)用模塊復(fù)用至光纖上，直至業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)從邊緣節(jié)點(diǎn)離開全光網(wǎng)絡(luò)。變電站業(yè)務(wù)可以在同一全光網(wǎng)絡(luò)中通過不同波長實(shí)現(xiàn)變電站統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)MMS、SV、GOOSE共網(wǎng)共口并且完全物理隔離。

4 結(jié)束語

本文研究了變電站共網(wǎng)共口傳輸實(shí)現(xiàn)方法，首先研究了基于時(shí)分復(fù)用的VLAN+分時(shí)傳輸?shù)姆椒ǎ缓笱芯苛嘶诓ǚ謴?fù)用的將業(yè)務(wù)映射至不同波長的波長映射方法，并在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究了基于全光交換的共網(wǎng)共口傳輸方法。采用全光交換技術(shù)，通過邊緣預(yù)處理設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)變電站共網(wǎng)共口傳輸，同時(shí)避免了通信網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的多次光—電轉(zhuǎn)換，具有高實(shí)時(shí)性、高可靠性、低功耗和業(yè)務(wù)物理隔離功能，可以為構(gòu)建智能變電站站內(nèi)一體化高速通信網(wǎng)絡(luò)方案提供技術(shù)支撐。

圖5 交換節(jié)點(diǎn)

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