海南電力調度數據網建設方案探討

顏俊，張立平

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院，武漢市 430071)

0 引言

目前國內電力調度數據網的規劃設計主要面向廠站與調度端的數據業務，實現對IP協議的承載，按照調管等級建設實施，在新業務條件下將存在一定的局限性。一體化運行智能系統的調控生產業務數據流將更加豐富多樣，不再僅是廠站與調度端的數據流向，覆蓋范圍更趨廣闊，要求數據網的延伸擴展更加靈活，能與電力生產、傳輸、消費的業務流相適應。當前的調度數據網拓撲主體為星形拓撲，僅由少數調度中心節點構成網狀拓撲，可靠性主要依靠設備及電路的冗余配置，在網絡拓撲設計上未能充分發揮IP over SDH技術體制傳輸帶寬利用率高、路由智能、網絡魯棒性等方面的特點。

海南電網目前尚未建設電力調度數據網，各類二次系統業務主要通過同步數字體系(synchronous digital hierarchy，SDH)設備點對點電路傳輸。按照“南網一體化”運行智能系統的總體要求，“十二五”期間海南電網將更新現有二次系統并建成覆蓋全省的電力調度數據網絡。本文以海南電力調度數據網為研究對象，深入分析調度數據網絡設計特點，綜合考慮目前調度管理體制和一體化電網運行智能系統的業務需求，從網絡延伸、業務支撐、路由智能、帶寬利用率等多個方面探討網絡拓撲及路由策略設計，提出新業務條件下的海南省電力調度數據網組網設計方案。

1 網絡業務需求

海南電網調控機構分為省、地、縣三級，其中省調下轄海口、儋州、三亞、瓊海等4個地調，各地調下轄14個縣調。海南調度數據網將覆蓋海南各級調控中心和35 kV及以上廠站，至“十二五”末期廠站節點數量將達600個。當前的數據通信業務大致包括2類，即以能量管理系統(energy management system，EMS)、廣域測量系統(wide area measurement system，WAMS)等為主要代表的運行監控類業務，和以電能量計量系統(tele meter reading system，TMR)、調度管理系統等為主要代表的運行管理類業務，數據信息一般在調度機構與發電廠、變電站之間傳輸。

“十二五”期間海南電網將建設一體化運行智能系統，系統業務種類豐富，包括電網運行監視、電網運行控制、電網運行管理等3類核心業務，調度數據網絡將為智能數據平臺提供傳輸網絡支撐。承載的業務數據從類型上可分為模型數據、參數數據、運行數據、管理數據等，從時間上可分為周期性數據、突發性數據，其中周期性數據又可分為實時數據、非實時數據，以及確定性實時數據。

除業務種類豐富外，承載的數據流向也更趨多樣。電力系統調控生產運行數據流不再是簡單的廠站與調度端間的數據流，而是包含了片區電網廠站與廠站之間、廠站與調控機構之間、調控機構與調控機構之間的橫向及縱向數據流。如“十二五”期間海南電網建設的省地防災互備、地縣一體化等智能調度技術支持系統中的省調、各地縣調間的數據傳輸需求;廣域后備保護系統、區域集控站中的區域廠站間的數據傳輸需求［1-2］。種類繁多、流向多樣的業務數據對海南電力調度數據網設計提出了新的目標。

2 技術體制

電力數據網組網技術體制需要適應傳輸網條件和電力系統的業務需求，目前海南電網已建成覆蓋范圍較廣的SDH光纖傳輸網，“十二五”期間傳輸網在覆蓋范圍上將延伸至所有35 kV廠站，在主干網傳輸體制上將逐步演進到自動交換光網絡 (automatically switched optical network，ASON)、光傳送網(optical transport network，OTN)傳輸網。IP over SDH是當前電力調度數據網所廣泛采用的組網技術體制，具有良好的兼容性、較高的吞吐量、較低的協議開銷、較高的帶寬利用率，不僅實現了傳輸網通道能力的充分共享，還提供了廣泛而通用的業務接入服務，在技術的成熟性和建網的經濟性上適合調度運行業務需求和電力光纖傳輸網的現狀。海南電力調度數據網目前仍將基于IP over SDH技術體制構建，但隨著IP層面和傳輸層面技術的演進成熟，將逐步使用IPv6、IP over OTN等新一代數據網解決方案［3-7］。

3 網絡結構

大型IP網絡采用層次結構設計，路由域一般分為2層，包括1個主干區和若干子區［8］。海南電力調度數據網按照省地合一原則建設，其所覆蓋的電網無論是調管等級還是電壓等級都超過2層，實現省區內35 kV及以上電網的全覆蓋還需對數據網分層分區結構進行合理設計。

3.1 網絡分區

海南電力調度數據網主子區構建方案主要有2類:(1)按照調管關系構建網絡，主干區覆蓋省網各級調控機構，子區覆蓋全網廠站，根據廠站電壓等級、調管關系劃分為多個子區。其優點是組網原則簡單、廠站至調度端路由直達;缺點是多級調控管理下網絡基礎設施重復建設，缺乏對橫向數據流的支撐，不同子區站間數據需經調度端迂回，設備及網絡效率較低［9-10］。(2)按照傳輸網拓撲、電網地理接線、業務需求構建網絡。網絡由1個主干區、5個不同區域的子區組成，主干區覆蓋省級、地級調控機構;子區骨干層覆蓋縣級調控機構、區域集控站，以及拓撲位置關鍵、通道資源豐富的廠站，子區接入層覆蓋剩余各類廠站，高電壓等級樞紐變電站可作為低電壓等級接入廠站的匯聚點。

與方案1相比，方案2中骨干層覆蓋的節點更豐富，骨干功能可以充分發揮網絡結構兼顧電網調控運行的縱向及橫向業務，生成的調度端最短路徑樹與方案1基本相同，并對橫向業務提供了很好的支撐，降低了路由迂回，設備配置、網絡效率、組網鏈路更為優化，不足之處在于需根據電網實際情況定制設計網絡拓撲。海南電力調度數據網按方案2構建，網絡層次結構如表1所示，主干區覆蓋全網地級以上調控機構，各子區分別覆蓋各縣調及廠站。

表1 網絡分區結構Tab.1 Partition structure of network

3.2 網絡延伸

方案1按電壓等級、調控管理關系構建網絡結構，接入廠站延伸可采用增加子區方式，將延伸接入的廠站劃入新增子區。新增子區基本為簡單星形拓撲，動態路由的需求很低，設立子區的必要性不強。方案2按傳輸網拓撲、電網地理接線、業務需求構建網絡的主子區結構，接入廠站延伸可采用增加骨干節點方式，骨干節點選取匯聚及互聯效果好的變電站或新增調控中心，輻射覆蓋需延伸接入的廠站。

4 網絡節點規劃

海南電力調度數據網節點包含省調、地調、縣調、集控站、500～35 kV電廠和變電站等節點，將按功能不同分為核心、骨干和接入節點，如表2所示。

表2 數據網節點規劃Tab.2 Node planning of data network

4.1 核心節點

核心節點是全網業務的交匯中心，主要實現海量、高速的數據交換。“十二五”期間建設的海南一體化電網運行智能系統具有省地互備、地縣一體的特點，省調、各地調集中了省網主要的調控運行業務系統，需要匯集全網的各類業務數據。因此，根據海南電網一體化、智能化生產運行業務需求，調度數據網核心節點應配置在省調、海口地調、儋州地調、三亞地調、瓊海地調等處，為海南一體化電網運行智能系統提供數據服務，其中儋州地調節點還作為省備調系統的訪問點。核心節點配置的路由器應主要負責數據的高速轉發，提供高吞吐量，并使用盡量少的接口，對數據盡可能不做其他處理。

4.2 骨干節點

骨干節點位于核心與接入節點之間，實現子區內數據交換及區間數據的匯聚、分發，還具備延伸網絡的能力，可以向外擴展鏈路，輻射多個接入節點。一體化電網運行智能系統中骨干層集中了區內廠站至各調度端、地縣調控系統之間、廠站之間的各類業務數據。為更好地承載上述業務，骨干節點的規劃需要考慮電網規模、光纖傳輸網拓撲、業務數據流向等因素，其中子區電網規模可確定骨干節點的數量，子區傳輸網拓撲和數據流可確定骨干節點位置。對于海南電力調度數據網來說，骨干節點規劃可基于以下原則:

(1)地調機構是區域電網的調控中心，地調節點除作為主干區核心節點外，還應作為其所在子區的邊界骨干節點。

(2)縣調機構具有監控轄區電網的職能，有一定的數據業務需求，應作為骨干節點。

(3)位于光纖傳輸網樞紐位置的220 kV變電站可作為骨干節點，可輻射近區廠站或遠離調控中心的廠站，有利于傳輸鏈路的匯集，并能對站間數據業務提供支撐，避免長距離的鏈路迂回。

海南電力調度數據網各子區骨干節點配置的路由器除負責對本區經核心層訪問其他分區的流量進行匯聚優化外，還對區內各接入節點間的流量直接進行路由轉發，減輕傳輸鏈路和核心層設備的工作負荷。

4.3 接入節點

接入節點位于數據網的末端，實現用戶業務的網絡化接入，并提供質量保證和訪問控制。海南電網中除作為骨干節點的廠站外，其余廠站均作為接入節點。接入路由器負責本地生產運行業務的接入和訪問控制，其只能作為網絡的終端節點，可以采用靜態路由上聯骨干節點，但不設置橫向鏈路，不具備延伸網絡的能力。

5 網絡拓撲設計

5.1 總體拓撲結構

當前調度數據網一般根據調管關系設置上下級節點的縱向鏈路，同級調控機構節點間也設置一定的橫向互聯鏈路，但規模較小，網絡整體上仍為星形拓撲。該網絡路由配置簡單，甚至可采用靜態路由，廠站與調度機構間的數據傳輸無路由轉發延遲，通道帶寬獨享，但在網絡功能及效率上有幾點不足:一是僅在原有光纖電路上提供了以太網業務的接入，數據網3層網絡功能未能有效發揮，設備利用率不高;二是缺乏對站間數據傳輸的有效支撐，相鄰廠站間業務數據需經遠方調控中心節點交換轉發，電路迂回嚴重;三是大量遠距離多跳專線電路勢必造成時隙資源的疊加消耗，通道帶寬未能有效共享。

對于海南電力調度數據網的拓撲設計，一方面需基于調管關系原則，另一方面還需充分考慮一體化運行智能系統的業務需求和海南光纖傳輸網的建設情況。海南電力調度數據網采用混合型拓撲，上層為網格型，覆蓋核心節點、骨干節點，下層為星形，覆蓋各接入廠站節點(如圖1所示)。網內不僅設置上下級節點之間的縱向連接鏈路，還利用骨干節點可提供區域IP聚合、層內數據交換、層間數據匯聚分發的功能，構建樞紐變電站之間、同級調控機構之間的橫向互聯鏈路，形成分層分區、有一定規模的網格型拓撲。其特點是:數據傳輸魯棒靈活，可根據鏈路狀態選擇任意節點間的最佳傳輸路徑;傳輸電路配置簡化，不必逐一開通遠距離直達電路，由網絡層自動路由轉發完成數據傳輸;站間業務傳輸優化，站間路由可由近區變電站骨干節點提供，降低調度端核心節點工作負荷;傳輸電路資源共享度高，路由智能得到充分體現。但是，網格型拓撲中廠站與調度機構間的傳輸路徑可能存在多跳路由，相比直達獨享電路有一定的轉發和訪問等待延遲，因此在鏈路配置上還需考慮縱向數據傳輸的路由跳數、帶寬、延遲等指標要求，保證傳輸性能和效率上的平衡。

圖1 網絡拓撲示意圖Fig.1 Network topology diagram

5.2 節點鏈路配置

根據海南電網調控管理關系、調度數據網總體拓撲結構、以及“十二五”期間海南一體化運行智能系統的業務需求，海南電力調度數據網各層節點的鏈路配置主要方案如下，鏈路帶寬按滿足5年內業務增長需求設計。

(1)核心層:每個核心節點至少具備2路互聯鏈路，每路帶寬不小于622 Mb/s;省調、防災備調核心節點具有至其他核心節點的直連鏈路;相鄰地調核心節點間設置互聯鏈路。

(2)骨干層:每個骨干節點至少具備2路互聯鏈路，每路帶寬不小于2×34 Mb/s;每個子區設置不少于2個與主干區相聯的邊界骨干節點，可選取本地調和相鄰地調節點;每個變電站或縣調骨干節點具備1路至本地調核心節點鏈路、不少于1路就近互聯鏈路。該拓撲除具備原有的廠站端至調度端直達網絡鏈路外，還具有站間互聯鏈，對未來智能電網業務提供了較好的數據網絡支撐;以調控中心為根構造的最短路徑數與通常星形拓撲下形成的最短路徑樹相同。

(3)接入層:以骨干節點為中心，構成簡單星形拓撲。如500/220 kV廠站接入節點至少具備2路至就近不同骨干節點的鏈路，每路帶寬不小于2×2 Mb/s;110～35 kV廠站接入節點至少具備1路至就近骨干節點鏈路，每路帶寬不小于2 Mb/s。

6 路由策略

6.1 自治系統

海南電力調度數據網按照省地合一原則建設，覆蓋省、地、縣各級調度機構、以及省內所有35 kV及以上廠站。根據省區電力數據網的管控策略、網絡規模，海南電力調度數據網將作為一個自治系統(autonomous system，AS)，由上一級電網統一分配AS號。

6.2 域內路由協議

自治域內可采用開放最短路徑優先協議(open shortest path first，OSPF)或中間系統到中間系統協議(inermediate system to intermddiate system，IS-IS)作為路由協議，兩者均是鏈路狀態協議并具有分層結構，適合應用于大中型網絡中。域內可根據網絡規模進一步分區，形成1個主干區和若干子區，各子區相對獨立，區內路由變化僅在區內完成收斂。層次化路由降低了路由復雜度、提高路由收斂速度，也使層間可以進行網絡地址匯聚，縮短路由表長度，提高路由尋址效率。

OSPF是IETF推薦的IP內部網關協議(interior gateway protocols，IGP)，IS-IS是由ISO提出的一種路由選擇協議，2種路由協議在網絡拓撲類型、鏈路狀態數據庫、路由算法、協議支撐、廠家支持等方面存在不同，但均可滿足電力數據網絡的總體技術要求。而OSFP在工程實踐中較IS-IS更為通用，更適合IP路由，協議更為標準和開放，有利于不同廠家產品的互操作，易于運行維護人員掌握。海南電力調度數據網IGP路由協議選用OSPF。

海南電力調度數據網拓撲為3層結構，而OSPF為2層設計，根據網絡結構、節點規劃以及拓撲設計的功能特點，IGP路由可采用OSPF+靜態路由的組合路由策略。網絡中核心層可作為OSPF主干區(0區)，骨干層可作為OSPF子區，地調骨干節點路由器可作為OSPF中的ABR，隔離0區和子區，并發布聚合后的子區路由到0區。接入層節點屬于網絡的葉子節點，一般采用星形拓撲接入骨干節點，為減少網絡路由的復雜度，避免動態路由協議的相互引入，接入節點與骨干節點之間可采用靜態路由，并將靜態路由再發布到OSPF中，傳遞至網內其他節點，實現互通。此外，海南電力調度數據網各子區內骨干節點數量不大于8，路由數量小于25，OSPF收斂速度能夠滿足工程要求。

6.3 域間路由協議

海南AS內節點與其他AS的網絡節點之間跨域互聯協議采用邊界網關協議 (Border Gateway Protocol，BGP)。為減少內部邊界網關協議(Internal Border Gateway Protocol，IBGP)的鄰居數目，提高整網系統的可靠性，降低路由反射器(Route Reflector，RR)與客戶端的會話數量，需設計層次化的路由反射模式，按照省區數據網節點規模和層級關系，設計中采取二級RR模型。一級RR為省調和備調，客戶機為各地區子網的主出口和第2出口路由器;二級RR為一級RR的客戶機，包括各地調和樞紐廠站，客戶機為各子網中其他骨干節點路由器。

7 結語

“十二五”期間建設的海南電網一體化運行智能系統將使電網生產運行業務數據更加豐富，也對調度數據網建設提出了更高的要求。海南電力調度數據網按省地合一原則建設，全網分為1個主干區和5個子區，主干區由省調、地調核心節點組成，子區由縣調骨干節點、220 kV變電站骨干節點、以及各接入節點組成。核心、骨干節點間除設置縱向鏈路外，同級節點間還設置橫向互聯鏈路，構成網格型拓撲，使用OSPF路由策略。廠站接入節點通過冗余鏈路就近上聯骨干節點，形成以骨干節點為中心的星形拓撲。基于此方案建設的海南電力調度數據網兼顧了縱向及橫向的數據傳輸，網絡魯棒靈活，資源配置優化，能夠更好地適應一體化運行智能系統中種類豐富、流向多樣的業務數據傳輸需求。

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