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摘要：

為解決區(qū)域保護控制系統(tǒng)分布式業(yè)務的對等通信需求，實現(xiàn)變電站間保護業(yè)務的對等通信機制，在現(xiàn)有電力系統(tǒng)多業(yè)務傳輸平臺組網(wǎng)結構基礎上研究基于MSTP的對等通信網(wǎng)絡拓撲實現(xiàn)方案；同時研究適用于電力系統(tǒng)分組傳送網(wǎng)的對等通信網(wǎng)絡拓撲實現(xiàn)方案；為了彌補MSTP網(wǎng)絡環(huán)網(wǎng)保護的缺陷，研究了基于高可靠性無縫冗余環(huán)網(wǎng)技術的對等通信實現(xiàn)方案，并對各種方案進行對比，為將來區(qū)域保護控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡建設提供了有益指導。

關鍵詞：

區(qū)域保護控制；對等通信；高可靠性無縫冗余；多業(yè)務傳輸平臺；分組傳送網(wǎng)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對電力的需求和依賴越來越大，對供電質(zhì)量的要求也越來越高，對于核心業(yè)務要求不間斷供電。然而，隨著互聯(lián)電網(wǎng)區(qū)域的擴大、交換容量的增加及電網(wǎng)電壓等級的提高，由互聯(lián)電網(wǎng)故障引起的特大停電事故幾乎成為社會災難，停電造成的損失也越來越大。保障互聯(lián)電網(wǎng)的運行安全性，避免重大停電事故的發(fā)生變得越來越困難。現(xiàn)有的電力系統(tǒng)三道防線[1，2]已無法滿足日益提供的供電可靠性要求。為了有效提升電力系統(tǒng)的整體供電可靠性，需要改變現(xiàn)有的后備保護模式，采用主動收集相關變電站信息的方式加快后備保護及穩(wěn)定控制動作時間[3]，從而達到實現(xiàn)提升供電質(zhì)量的最終目標。區(qū)域保護與控制系統(tǒng)是基于這種目的而誕生的保護控制系統(tǒng)。

1區(qū)域保護控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

在區(qū)域保護實施初期借鑒了很多智能變電站站內(nèi)的組網(wǎng)方案和保護原理，具體可參考文獻[4]了解智能變電站站內(nèi)的實現(xiàn)方法。區(qū)域保護與控制系統(tǒng)由變電站間的站間通信為基礎，由控制中心、傳輸網(wǎng)、各變電站的站域保護控制設備構成。整個系統(tǒng)由區(qū)域保護控制主站、多個區(qū)域保護控制子站、就地采集控制設備、通信網(wǎng)關設備等組成，在每個變電站布置區(qū)域保護控制子站,任意一個變電站布置區(qū)域保護控制主站、主站與子站之間、子站與子站之間通過區(qū)域過程層通信網(wǎng)相互連通，協(xié)調(diào)完成某一區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的所有保護與控制功能。其中保護系統(tǒng)的拓撲結構為對等通信模型。如圖1所示，保護系統(tǒng)由各個變電站內(nèi)的站域保護設備構成，各個變電站內(nèi)的站域保護控制設備接收相關變電站內(nèi)站域保護控制設備發(fā)送的報文，并依據(jù)報文信息完成區(qū)域保護功能。區(qū)域內(nèi)各個變電站內(nèi)的信息沒有統(tǒng)一的接收設備，各設備處于對等的地位。每個變電站內(nèi)負責與其他變電站進行信息交互的設備為站域保護控制設備，該設備負責收集站內(nèi)各個間隔的信息，并將信息發(fā)送給其他變電站的站域保護控制設備，同時接收其他相關變電站發(fā)送的信息并進行保護功能計算及動作。區(qū)域保護控制系統(tǒng)中的保護業(yè)務具有站間對等通信需求，而現(xiàn)網(wǎng)的通信均采用點對點的主從通信模式，無法滿足多站間對等通信需求。如將區(qū)域保護控制主站當作特殊的站域保護控制設備，那么整個區(qū)域保護控制系統(tǒng)可看作一個完整的對等通信模型來建立，文中將以這個前提來討論最適合區(qū)域保護控制系統(tǒng)需求的網(wǎng)絡拓撲結構。區(qū)域保護控制系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務類型的不同，要求也有很大的差異，基于目前區(qū)域保護控制系統(tǒng)通道延時小于10ms，誤碼率小于10-6的要求進行網(wǎng)絡方案設計及驗證[3]。

2通信技術發(fā)展電力系統(tǒng)

目前傳輸網(wǎng)主要由多業(yè)務傳輸平臺設備構成[5]，該設備采用同步數(shù)字體系（synchronousdigitalhierarchy，SDH）作為業(yè)務的載體，采用時分復用技術進行業(yè)務傳輸；同時，為兼容日益增加的IP等其他傳輸機制業(yè)務需求，開發(fā)了支持IP等不同傳輸機制的業(yè)務接入板卡，實現(xiàn)了多業(yè)務共平臺傳輸。SDH采用剛性通道進行業(yè)務傳輸[6]，其具有傳輸延時相對固定的特點，非常適合可靠性要求高的保護等業(yè)務傳輸。目前，電力系統(tǒng)開始嘗試使用分組傳送網(wǎng)設備組建傳輸網(wǎng)，并進行了大量的PTN測試；PTN設備采用分組交換的原理進行報文傳輸，非常適合新型IP業(yè)務的傳輸。PTN設備采用柔性通道進行業(yè)務傳輸，為確保業(yè)務的可靠性，必須借助服務質(zhì)量等輔助手段來提升業(yè)務的傳輸可靠性[7]。但是，PTN設備具有更大的傳輸帶寬，在電力系統(tǒng)業(yè)務日益增加、帶寬需求日益變大的情況下，有可能成為未來電力系統(tǒng)傳輸網(wǎng)的主要組網(wǎng)設備。針對區(qū)域保護控制系統(tǒng)的特點，需要實現(xiàn)基于傳輸網(wǎng)的對等通信網(wǎng)絡架構。在對等通信技術方面，目前可用的環(huán)網(wǎng)技術主要是快速生成樹協(xié)議和IEC62439-3規(guī)定的高可靠性無縫冗余環(huán)技術[8]，其他一些私有環(huán)網(wǎng)技術也可應用在區(qū)域保護控制系統(tǒng)中，但通用性較差，文中不作推薦。為適應現(xiàn)網(wǎng)的傳輸網(wǎng)設備情況和未來傳輸網(wǎng)技術的更新，并結合各種環(huán)網(wǎng)技術的特點，下文的方案論證中將在SDH和PTN2個平面進行對等通信實現(xiàn)方式的分析介紹。

3拓撲結構研究

基于現(xiàn)網(wǎng)SDH的配置情況和目前主流的PTN設備的配置情況，結合環(huán)網(wǎng)技術的支持程度進行方案的論證。

3.1基于SDH的RSTP環(huán)網(wǎng)方案如圖2所示，利用SDH設備SDH承載以太板卡進行以太層的接入，開通業(yè)務時采用相鄰站間根據(jù)業(yè)務流量開通SDH側的通道帶寬，可以是1個或幾個虛擬通道12，當業(yè)務量足夠大時也可開通虛擬通道3。站點業(yè)務報文通過虛擬局域網(wǎng)（VLAN）進行隔離，每個站點接收和發(fā)送的VLAN號和數(shù)量根據(jù)業(yè)務情況進行配置。該方案采用EoS板卡提供的RSTP功能進行環(huán) 保護，采用該方式需要各站點上傳的組播報文在SDH通道上均進行傳輸，防止單纖故障后組播報文無法從另一個方向傳輸而導致異常業(yè)務終端。該方式總帶寬使用情況為：N倍的業(yè)務帶寬N，N為節(jié)點個數(shù)。該方式較傳統(tǒng)的子網(wǎng)連接保護（subnetworkconnectionprotection，SNCP）保護方式具有更好的帶寬利用率。但是，該方式受限于EoS板卡的RSTP功能，目前SDH設備的EoS板卡雖然支持了RSTP功能，但RSTP無法有效判斷同步傳輸模塊（synchronoustransfermodule，STM）側的通道鏈路狀態(tài)，導致環(huán)網(wǎng)恢復時會出現(xiàn)短暫的通道異常。實驗測試發(fā)現(xiàn)，在環(huán)網(wǎng)STM側鏈路中斷等情況發(fā)生時，會出現(xiàn)2～20s的環(huán)路異常狀態(tài)，包括2～10s的短時網(wǎng)絡風暴，而該種情況無法滿足區(qū)域保護控制系統(tǒng)的50ms鏈路恢復網(wǎng)絡指標要求。

3.2基于SDH的HSR環(huán)網(wǎng)方案如圖3所示，利用支持HSR功能的交換機實現(xiàn)業(yè)務的接入，HSR通過SDH設備EoS板卡實現(xiàn)雙向接入，開通業(yè)務時采用相鄰站間根據(jù)業(yè)務流量開通SDH側的通道帶寬，可以是1個或幾個VC12通道，當業(yè)務量足夠大時也可開通VC3通道。站點業(yè)務報文通過VLAN進行隔離，每個站點接收和發(fā)送的VLAN號和數(shù)量根據(jù)業(yè)務情況進行配置。該方案采用HSR交換機提供環(huán)網(wǎng)保護功能，通過EoS板卡實現(xiàn)HSR雙向接入，并開通雙向的點對點通道。采用該方式實現(xiàn)各站點上傳的組播報文在SDH雙向通道上均進行傳輸，防止單纖故障后組播報文無法從另一個方向傳輸而導致異常業(yè)務終端。該方式總帶寬使用情況與3.1節(jié)相同，但環(huán)網(wǎng)恢復時間為0ms，優(yōu)于區(qū)域保護控制系統(tǒng)的指標要求。

3.3PTN環(huán)網(wǎng)方案如圖4所示，根據(jù)MPLS-TP環(huán)保護倒換（MPLS-TPringprotocolswitch，MRPS）環(huán)網(wǎng)要求[7]，每個站點部署2個分組板卡，每個分組板卡出1個GE端口作為環(huán)網(wǎng)的東、西向，業(yè)務從分組板卡FE端口接入，分組板卡業(yè)務配置采用MRPS方式將業(yè)務轉發(fā)至面板GE端口（作為MPLS-TP環(huán)網(wǎng)的東西向端口，端口類型為NNI）。分組業(yè)務采用MPLS-TP（MPLS-transportprofile）環(huán)網(wǎng)保護方式（配置在分組板卡）；保護倒換時間小于50ms。假設組播業(yè)務按照A→B→C→D方向逐跳轉發(fā)，環(huán)網(wǎng)中組播帶寬只占用1份帶寬。在環(huán)網(wǎng)中可設置阻塞節(jié)點預防廣播風暴的發(fā)生，當發(fā)生節(jié)點故障時，打開阻塞點進行保護倒換。當C—D之間的鏈路故障時，A—D之間的阻塞點打開，保證業(yè)務不中斷傳輸。當C站點的單板故障時，A—D之間的阻塞點打開，確保業(yè)務不中斷傳輸，受影響的僅是故障單板業(yè)務。

3.4基于PTN的HSR環(huán)網(wǎng)方案如圖5所示，每個站點部署2個分組板卡，每個分組板卡出1個GE端口作為HSR環(huán)網(wǎng)的東、西向，業(yè)務首先接入HSR交換機，HSR交換機的2個環(huán)網(wǎng)端口分別接入到PTN設備的2個分組接口板上，分組接口板分別對應東、西分組板卡。PTN設備不采用任何保護方式，通過HSR交換機實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)保護功能，環(huán)網(wǎng)倒換時間為0ms。假設組播業(yè)務按照A→B→C→D方向逐跳轉發(fā)，環(huán)網(wǎng)中組播帶寬只占用左、右方向各1份帶寬。在HSR環(huán)網(wǎng)中發(fā)生單節(jié)點故障時，依然能夠確保組播業(yè)務正確送達接收終端。同時，PTN設備給出鏈路故障告警，方便用戶進行故障定位。

3.5HSR環(huán)網(wǎng)方案如圖6所示，每個站點部署1臺HSR交換機，站點之間通過專用光纖進行HSR交換機的環(huán)網(wǎng)連接。每個站點的HSR交換機分別通過環(huán)網(wǎng)端口與左、右方向站點的HSR交換機級聯(lián)，最終構成各站點間的HSR環(huán)網(wǎng)。該組網(wǎng)方式為標準的HSR環(huán)網(wǎng)方式，環(huán)網(wǎng)恢復時間為0ms。

3.6方案對比以上5種不同的業(yè)務開通類型均可滿足對等通信的理念要求，但是，每種方案均有優(yōu)點和不足，表1從帶寬利用情況、環(huán)網(wǎng)恢復時間、保護業(yè)務開通、延時特性、安全特性等幾個最為主要的方面進行了比較。從比較結果來看，基于SDH平面的方案中RSTP環(huán)網(wǎng)方案具有較好的帶寬利用率和保護功能，需求業(yè)務帶寬為（N'-1）倍的每路報文流量，其中N'為區(qū)域保護控制系統(tǒng)中主子站的總和，開啟的環(huán)保護功能可以保護到EoS板卡，SNCP保護僅能保護到SDH層面；但該方式的環(huán)網(wǎng)恢復時間無法滿足區(qū)域保護控制系統(tǒng)業(yè)務的需求。基于SDH的HSR環(huán)網(wǎng)方案可滿足區(qū)域保護控制系統(tǒng)業(yè)務的需求，在業(yè)務帶寬需求上與基于SDH的RSTP環(huán)網(wǎng)方案一致，因此，在現(xiàn)網(wǎng)的情況下更適合推廣應用。PTN平面上的2種方案中純PTN平面具有更好的傳輸延時、帶寬利用率和較少的板卡，通道切換時間也可以滿足區(qū)域保護控制系統(tǒng)業(yè)務需求。但是與基于PTN的HSR環(huán)網(wǎng)方案比較，無法做到通道故障時的無縫切換。PTN平面解決方案相較SDH平面解決方案，具有傳輸通道非硬通道（非TDM通道）的缺點，在一些重要應用場合需要考慮如何確保業(yè)務安全性的問題。從PTN技術發(fā)展與保護業(yè)務的不斷融合來看，將來純PTN平面的傳輸網(wǎng)將有可能取代SDH而被大面積采用。因此，現(xiàn)網(wǎng)推薦采用基于SDH平面的VLAN環(huán)網(wǎng)方案，PTN平面建議采用純PTN環(huán)網(wǎng)方案作為區(qū)域保護控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲方案。HSR環(huán)網(wǎng)解決方案有效地解決了基于SDH平面的帶寬有限問題，同時也解決了PTN平面的非剛性通道的業(yè)務串擾問題。不過該組網(wǎng)方案需要額外通過光纜構成獨立的HSR站間環(huán)網(wǎng)，局限性較大，不利于大范圍的推廣應用。

4結束語

以現(xiàn)網(wǎng)傳輸設備的現(xiàn)狀和通信技術的發(fā)展為出發(fā)點，完成了基于SDH平面、PTN平面和專網(wǎng)等各種滿足對等通信組網(wǎng)方案的研究。分別提出了利舊的SDH解決方案、符合新技術的PTN解決方案和HSR組網(wǎng)組網(wǎng)方案，并對各種組網(wǎng)方案進行了對比，其對將來的區(qū)域保護控制系統(tǒng)的業(yè)務開通具有一定的指導意義。隨著技術的發(fā)展，區(qū)域保護控制系統(tǒng)承載的業(yè)務不斷完善，需要研究基于SDH平面和PTN平面的站間對時技術和安全防護等方面的問題；甚至為了減少業(yè)務開通時的配置工作量，需要開展基于IP層面的動態(tài)路由技術研究，來滿足不斷變化的業(yè)務需求。

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作者：楊貴 彭安 李莉 單位：南京南瑞繼保電氣有限公司