山東電網(wǎng)精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)的通信技術(shù)選型及建設(shè)方案研究

周 潔，于秋生，劉 磊，朱尤祥，鐘 睿

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司信息通信公司，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

特高壓直流工程投運(yùn)后，山東電網(wǎng)將形成特高壓交直流大受端電網(wǎng)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)形態(tài)和運(yùn)行特性將發(fā)生本質(zhì)變化。針對(duì)多回特高壓直流閉鎖，電網(wǎng)安全運(yùn)行面臨故障初期暫態(tài)失穩(wěn)、頻率快速跌落、主干通道潮流越限、省際聯(lián)絡(luò)線功率超用等問(wèn)題，通過(guò)建設(shè)系統(tǒng)保護(hù)，實(shí)現(xiàn)多回直流調(diào)制、抽蓄機(jī)組啟停、常規(guī)切負(fù)荷（直接切除220 kV變電站內(nèi)負(fù)荷）和精準(zhǔn)切負(fù)荷（通過(guò)負(fù)荷控制終端精準(zhǔn)切除大用戶負(fù)荷）4種控制，在特高壓直流故障后快速減少功率缺額，確保電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)重點(diǎn)解決電網(wǎng)故障初期頻率快速跌落、主干通道潮流越限、省際聯(lián)絡(luò)線功率超用、電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用不足等問(wèn)題，根據(jù)不同控制要求，分為實(shí)現(xiàn)快速負(fù)荷控制的毫秒級(jí)控制系統(tǒng)和更加友好互動(dòng)的秒級(jí)及分鐘級(jí)控制系統(tǒng)[1]。毫秒級(jí)控制系統(tǒng)針對(duì)頻率緊急控制要求，第一時(shí)限快速切除部分可中斷負(fù)荷；秒級(jí)及分鐘級(jí)控制系統(tǒng)，第二時(shí)限切除部分可中斷負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)發(fā)用電平衡。因此如何實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)系統(tǒng)通信是目前建設(shè)毫秒級(jí)控制系統(tǒng)的重點(diǎn)，在研究毫秒級(jí)精準(zhǔn)切負(fù)荷控制系統(tǒng)通信方案的基礎(chǔ)上，提出了基于PTN技術(shù)毫秒級(jí)精準(zhǔn)切負(fù)荷控制系統(tǒng)通信方案[2]，有效地縮短了通信時(shí)延。

1 電網(wǎng)精準(zhǔn)切負(fù)荷毫秒級(jí)控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

山東電網(wǎng)精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)在青州換流站、臨沂換流站設(shè)置雙套切負(fù)荷主站，在220 kV站設(shè)置雙套切負(fù)荷子站 （暫定19個(gè)）。每個(gè)切負(fù)荷子站下轄110 kV站作為通信接入變電站，每個(gè)110 kV站下轄大用戶或開(kāi)閉所。每個(gè)切負(fù)荷子站下轄110 kV站的個(gè)數(shù)，以及每個(gè)110 kV站下轄大用戶、開(kāi)閉所的個(gè)數(shù)，均按照各地市公司實(shí)際情況確定。山東電網(wǎng)精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 山東電網(wǎng)精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)架構(gòu)

2 電網(wǎng)精準(zhǔn)切負(fù)荷毫秒級(jí)控制系統(tǒng)通信網(wǎng)需求

毫秒級(jí)控制系統(tǒng)由區(qū)域電網(wǎng)協(xié)控中心站和省控制中心站、控制主站、控制子站和控制終端構(gòu)成。

省內(nèi)主要建設(shè)控制終端—控制子站—控制主站的通信系統(tǒng)?？刂浦髡静渴鹩谏綎|青州換流站和臨沂換流站。每個(gè)地市選擇1～2個(gè)220 kV變電站部署控制子站，每套控制子站分別接入1臺(tái)地區(qū)級(jí)核心／匯聚層通信傳輸設(shè)備。在用戶站部署控制終端，通過(guò)光纖通道就近接入變電站?？刂谱诱九c控制終端之間利用市級(jí)電力通信網(wǎng)進(jìn)行雙向通信，控制子站和控制主站之間通過(guò)省級(jí)電力通信網(wǎng)進(jìn)行雙向通信。通信系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

電網(wǎng)精準(zhǔn)切負(fù)荷毫秒級(jí)控制系統(tǒng)通信網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)重點(diǎn)可分為3個(gè)部分。

控制子站到兩個(gè)控制主站的通道。根據(jù)山東電網(wǎng)切負(fù)荷控制子站的選點(diǎn)方案，利用現(xiàn)有山東省網(wǎng)光傳輸系統(tǒng)資源，滿足本工程控制子站至控制主站的通道要求。

用戶接入變電站至控制子站的通道建設(shè)。根據(jù)山東電網(wǎng)切負(fù)荷系統(tǒng)接入變電站的選點(diǎn)方案，利用現(xiàn)有各地市地區(qū)網(wǎng)光傳輸系統(tǒng)資源，通過(guò)站點(diǎn)接入補(bǔ)強(qiáng)、各級(jí)網(wǎng)絡(luò)增加互聯(lián)等方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)改造優(yōu)化，滿足本工程用戶接入變電站至切負(fù)荷控制子站的通道要求。

圖2 毫秒級(jí)控制功能結(jié)構(gòu)

用戶站至接入變電站的光纜物理路由建設(shè)。為滿足用戶站至接入變電站的接入信息要求，重點(diǎn)建設(shè)各大用戶站點(diǎn)的接入光纜。

重點(diǎn)討論用戶接入變電站至控制子站的通道建設(shè)技術(shù)選型[3]，探討是否可以選用PTN技術(shù)制式作為主要通信傳輸方式，充分利用地市級(jí)PTN網(wǎng)絡(luò)。

3 技術(shù)選型研究

3.1 利用SDH承載精準(zhǔn)負(fù)荷控制業(yè)務(wù)

利用SDH承載精準(zhǔn)負(fù)荷控制分為利用 “SDH+2M接口轉(zhuǎn)換”和“SDH+工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)”2種方式。

3.1.1 利用SDH+2M接口轉(zhuǎn)換裝置

主要配置。在接入變電站為每個(gè)用戶控制終端配置1套接口轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)光口至2M電口的轉(zhuǎn)換。由于下行廣播帶寬3M，因此每個(gè)控制子站與每個(gè)用戶之間需要2路2M捆綁，即每個(gè)接口轉(zhuǎn)換裝置需要實(shí)現(xiàn)1個(gè)以太網(wǎng)口至4個(gè)E1接口的轉(zhuǎn)換。在控制子站所在的樞紐變電站需具備2套SDH設(shè)備，每套SDH設(shè)備需匯集所有用戶的2×2M通道。

占用資源分析。設(shè)某個(gè)接入變電站接入用戶數(shù)U個(gè)，則此接入變電站需配置U套接口轉(zhuǎn)換裝置，SDH需4U個(gè)E1接口。設(shè)地區(qū)總的用戶數(shù)為N個(gè)，則樞紐變電站兩套SDH各需匯集的2M接口數(shù)量為2N。由于SDH時(shí)隙為剛性管道，因此每個(gè)用戶2個(gè)方向共占用8M帶寬。即使不考慮SDH業(yè)務(wù)自愈保護(hù)，核心環(huán)帶寬需求為N×4Mbps。

時(shí)延分析。通信系統(tǒng)時(shí)延主要由接口轉(zhuǎn)換裝置時(shí)延和SDH傳輸時(shí)延組成。根據(jù)指導(dǎo)意見(jiàn)中的數(shù)據(jù)，接口轉(zhuǎn)換裝置時(shí)延達(dá)到150 ms數(shù)量級(jí)。根據(jù)SDH實(shí)際業(yè)務(wù)測(cè)試情況，對(duì)于300 km、10節(jié)點(diǎn)典型場(chǎng)景測(cè)試結(jié)果為8 ms數(shù)量級(jí)。因此，控制子站與用戶控制終端之間的最大時(shí)延在160 ms數(shù)量級(jí)，接入變電站和控制子站側(cè)的接口轉(zhuǎn)換裝置成為引起時(shí)延的主要因素[4]。

技術(shù)可行性分析。此方式需要大量的接口轉(zhuǎn)換裝置，對(duì)機(jī)房供電、屏位均提出更高要求，且接口轉(zhuǎn)換裝置成為故障易發(fā)點(diǎn)；帶寬占用率大，以幾個(gè)用戶較多的地市為例，現(xiàn)有的SDH網(wǎng)絡(luò)容量已無(wú)法滿足帶寬占用率小于70%的要求，若繼續(xù)使用現(xiàn)有SDH網(wǎng)絡(luò)承載，帶寬資源將更加緊張；可適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的104規(guī)約。對(duì)于本系統(tǒng)擬采用的GOOSE協(xié)議，則需要在控制子站將下行報(bào)文復(fù)制給所有用戶，限制GOOSE協(xié)議的組播優(yōu)勢(shì)。

綜上，利用SDH+2M接口轉(zhuǎn)換裝置接口多、時(shí)延大、占用端口多，且無(wú)法發(fā)揮GOOSE協(xié)議的先進(jìn)性能，現(xiàn)有SDH網(wǎng)絡(luò)帶寬無(wú)法支持，技術(shù)可行性差，不予考慮。

3.1.2 利用SDH+工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)

主要配置。為充分利用控制系統(tǒng)通信規(guī)約的組播特性，利用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)。在樞紐變電站配置2套匯聚交換機(jī)，在每個(gè)接入變電站配置1臺(tái)工業(yè)以太網(wǎng)接入交換機(jī)，通過(guò)2個(gè)以太網(wǎng)口接入MSTP設(shè)備。在MSTP網(wǎng)絡(luò)上開(kāi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以太網(wǎng)專線實(shí)現(xiàn)交換機(jī)的雙星型互聯(lián)。

占用資源分析。設(shè)有K個(gè)接入變電站，每個(gè)接入變電站MSTP設(shè)備需2個(gè)以太網(wǎng)口，控制子站變電站的2臺(tái)SDH設(shè)備各需K個(gè)以太網(wǎng)口。交換機(jī)之間通過(guò)以太網(wǎng)專線，每條鏈路需分配2個(gè)VC-12。每個(gè)接入變電站出口帶寬2×4M，核心層帶寬為K×4M。

時(shí)延分析。通信系統(tǒng)時(shí)延主要由傳輸網(wǎng)時(shí)延和交換機(jī)時(shí)延組成。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，對(duì)于300 km、10節(jié)點(diǎn)典型場(chǎng)景測(cè)試結(jié)果為8 ms數(shù)量級(jí)。交換機(jī)時(shí)延在0.1 ms數(shù)量級(jí)。通信系統(tǒng)時(shí)延主要為SDH系統(tǒng)傳輸時(shí)延。

技術(shù)可行性分析。此方式對(duì)帶寬和端口占用數(shù)均以接入變電站數(shù)為基數(shù)，較SDH+2M接口轉(zhuǎn)換裝置低。

由于控制子站下行VLAN對(duì)組播組內(nèi)用戶相同，因此專線方式難以做端口匯聚。對(duì)于接入變電站較多的地市，此方式依然在控制子站占用較多的以太網(wǎng)端口。此外，接入變電站普遍未配置以太網(wǎng)板，如需使用此方式，需要補(bǔ)充接入變電站的以太網(wǎng)板。

綜上，利用SDH+交換機(jī)專線方式技術(shù)可行，但濟(jì)南、青島、濰坊等11個(gè)地市的現(xiàn)有SDH網(wǎng)絡(luò)帶寬不支持，同時(shí)需要在接入變電站增加以太網(wǎng)板，因此各地市需大量擴(kuò)建SDH。

3.2 利用PTN承載精準(zhǔn)負(fù)荷控制業(yè)務(wù)

GOOSE報(bào)文特點(diǎn)及PTN承載方式。通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录℅OOSE）是一種實(shí)時(shí)應(yīng)用，最早用于傳送智能變電站間隔閉鎖信號(hào)和實(shí)時(shí)跳閘信號(hào)。GOOSE 網(wǎng)以高速 P2P（peer-to-peer）通信為基礎(chǔ)，替代了傳統(tǒng)智能電子設(shè)備 （IED）之間硬接線的通信方式，為智能變電站邏輯節(jié)點(diǎn)之間的通信提供了快速且高效可靠的方法。將GOOSE協(xié)議應(yīng)用于精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)，等同于將智能變電站的間隔層和過(guò)程層在市級(jí)通信網(wǎng)的廣域通信網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

二層組網(wǎng)即PTN統(tǒng)一采用PWE3封裝來(lái)承載仿真類業(yè)務(wù)，均在二層模式。即無(wú)論業(yè)務(wù)是何種格式，均將業(yè)務(wù)封裝入以太網(wǎng)接口中，作為以太網(wǎng)業(yè)務(wù)再封裝到PW和LSP中?？蓪?shí)現(xiàn)VPWS或者VPLS等點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)模型。由于GOOSE報(bào)文符合標(biāo)準(zhǔn)的802.1Q，因此PTN在對(duì)其具有天然的承載能力。利用PTN承載的關(guān)鍵在于是否支持需求分析中的業(yè)務(wù)模型和是否具備業(yè)務(wù)隔離能力[3]。

測(cè)試方案。在A、B、C 3個(gè)市級(jí)通信網(wǎng)分別開(kāi)展了華為、中興、烽火PTN設(shè)備的現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備的測(cè)試。測(cè)試從3個(gè)方面出發(fā)，測(cè)試示意如圖3所示。功能性測(cè)試，PTN現(xiàn)網(wǎng)是否支持以太網(wǎng)組播、是否支持對(duì)VLAN的隔離、是否可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)的流量收發(fā)模型；安全性測(cè)試，模擬配置誤操作場(chǎng)景，觀察對(duì)業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的影響；性能測(cè)試，PTN承載較長(zhǎng)（1 000 Byte以上）的以太網(wǎng)組播報(bào)文24 h傳輸性能，包括時(shí)延、抖動(dòng)、丟包、誤碼等。

測(cè)試結(jié)論。測(cè)試結(jié)果表明，PTN設(shè)備具備識(shí)別以太網(wǎng)組播報(bào)文的能力，并可自動(dòng)向組播組內(nèi)的所有端口轉(zhuǎn)發(fā)。通過(guò)正確配置，PTN可識(shí)別業(yè)務(wù)VLAN，進(jìn)行不同用戶的隔離。因此PTN在功能上滿足精準(zhǔn)負(fù)荷控制業(yè)務(wù)的要求，并可實(shí)現(xiàn)隔離要求。

圖3 PTN承載精準(zhǔn)負(fù)荷控制業(yè)務(wù)現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試示意

在開(kāi)通專網(wǎng)業(yè)務(wù)時(shí)，PTN通過(guò)偽線（PW）的水平分割，防止二層網(wǎng)絡(luò)成環(huán)，避免廣播風(fēng)暴。測(cè)試模擬了由于誤操作在某設(shè)備上未開(kāi)啟水平分割的場(chǎng)景，發(fā)現(xiàn)可引起不必要的轉(zhuǎn)發(fā)流量。但由于在出口會(huì)有VLAN識(shí)別隔離，無(wú)用流量會(huì)被端口過(guò)濾，不會(huì)引起不同用戶之間的隔離問(wèn)題。測(cè)試證明，利用PTN直接承載控制終端技術(shù)上可行。

對(duì)360km長(zhǎng)度光纜、13節(jié)點(diǎn)PTN場(chǎng)景、1518Byte長(zhǎng)度二層組播報(bào)文24 h長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，時(shí)延均值為2.2 ms，無(wú)丟包、誤碼。同等長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)的SDH網(wǎng)絡(luò)，時(shí)延為7.8 ms。因此PTN在承載以太網(wǎng)報(bào)文的效率和轉(zhuǎn)發(fā)速率方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于SDH，可為精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)提供可靠的低時(shí)延通道。

根據(jù)上述分析內(nèi)容，從安全性、效能與成本等幾方面考慮，山東電網(wǎng)毫秒級(jí)精準(zhǔn)切負(fù)荷控制系統(tǒng)相關(guān)通信業(yè)務(wù)通過(guò)PTN承載具有可行性。

4 建設(shè)方案

基于上節(jié)通信通道可行性對(duì)比，選擇擴(kuò)建PTN方式作為主推方案設(shè)計(jì)，并配以工業(yè)光纖交換機(jī)接入用戶控制終端，統(tǒng)一運(yùn)行方式，保證業(yè)務(wù)安全[5]，具體建設(shè)方案如圖4所示。

圖4 山東電網(wǎng)精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.1 控制子站與控制主站之間光通信系統(tǒng)建設(shè)方案

控制子站所在變電站應(yīng)具備2套地區(qū)級(jí)傳輸設(shè)備，分別接1臺(tái)控制子站裝置。同時(shí)，控制子站裝置至2個(gè)控制主站裝置之間的A、B通道分別由省級(jí)骨干A網(wǎng)、B網(wǎng)承載，采取E1專線通道傳輸，應(yīng)全程滿足“雙設(shè)備、雙路由”的要求。

對(duì)于具有省網(wǎng)設(shè)備的控制子站，直接通過(guò)省網(wǎng)設(shè)備接入省級(jí)SDH傳輸網(wǎng)。對(duì)于沒(méi)有省網(wǎng)設(shè)備的控制子站，通過(guò)地區(qū)網(wǎng)就近接入500 kV變電站，并在500 kV變電站地區(qū)網(wǎng)及省網(wǎng)SDH設(shè)備上增配155M光接口板，實(shí)現(xiàn)“1+1”光口對(duì)接。

4.2 控制子站與接入變電站之間光通信系統(tǒng)建設(shè)方案

接入變電站至控制子站的通信網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)滿足“雙路由”，控制子站應(yīng)滿足“雙設(shè)備”。

接入變電站配置1套16口光纖工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，通過(guò)2個(gè)百兆以太網(wǎng)電口分別接入PTN的2個(gè)不同的百兆以太網(wǎng)電口板。接入變電站PTN設(shè)備通過(guò)地區(qū)級(jí)PTN傳輸網(wǎng)絡(luò)接入控制子站2套PTN設(shè)備，各開(kāi)1路以太網(wǎng)專線，保證兩條專線路由不相同。對(duì)于不滿足“雙設(shè)備”要求的控制子站，新增加1套匯聚層PTN設(shè)備，對(duì)兩側(cè)變電站各開(kāi)1條GE光路。

4.3 光纜建設(shè)方案

用戶終端采用裸光纖方式匯聚至接入變電站，用戶站控制終端通過(guò)專用光纜使用百兆以太網(wǎng)光口接至接入變電站光纖以太網(wǎng)交換機(jī)。當(dāng)用戶站存在多個(gè)控制終端，采用星形或環(huán)形光纖組網(wǎng)。星形組網(wǎng)場(chǎng)景，各控制終端分別接至接入變電站的光纖以太網(wǎng)交換機(jī)。環(huán)形組網(wǎng)場(chǎng)景，環(huán)形兩端的控制終端各以1個(gè)光路接至接入變電站的光纖以太網(wǎng)交換機(jī)。對(duì)于沒(méi)有光纜接入變電站的用戶，結(jié)合通信網(wǎng)規(guī)劃新架設(shè)光纜。

5 結(jié)語(yǔ)

詳細(xì)分析了PTN技術(shù)在山東電網(wǎng)精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)，該方案網(wǎng)絡(luò)信息安全、雙設(shè)備和雙路由等要求均不低于SDH技術(shù)承載時(shí)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，充分利用了山東公司現(xiàn)有的PTN通信網(wǎng)絡(luò)資源，為其他電網(wǎng)企業(yè)提供借鑒。