智能變電站多級樹型光交換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

張小建，鄭宇

（1.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，江蘇 南京210003；2.東南大學(xué)，江蘇 南京210016）

1 引言

全光交換技術(shù)是指光信號在通信網(wǎng)絡(luò)中不經(jīng)過任何光電轉(zhuǎn)換，直接由輸入端交換到不同輸出端，具備實(shí)時性高、時延抖動小以及抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前主要的光交換技術(shù)有光電路交換 （optical circuit switching,OCS）、光突發(fā)交換（optical burst switching,OBS）和光分組交換（optical packet switching,OPS）。其中，OBS技術(shù)采用數(shù)據(jù)分組和控制分組在時間上和信道分離的方式獨(dú)立傳送，根據(jù)控制分組預(yù)留帶寬資源，在光域?qū)ν话l(fā)數(shù)據(jù)分組直接進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；OPS交換節(jié)點(diǎn)無需光緩存單元，也無需對分組頭進(jìn)行更新與同步處理，比OBS網(wǎng)絡(luò)更加貼近實(shí)用。智能變電站內(nèi)存在大量一次設(shè)備，電磁環(huán)境非常復(fù)雜；站內(nèi)監(jiān)測和保護(hù)業(yè)務(wù)需要通信系統(tǒng)快速、可靠地信息傳遞。目前采用的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)通過增加電磁防護(hù)措施和冗余網(wǎng)絡(luò)來保證通信系統(tǒng)的可靠性，增加了設(shè)備復(fù)雜度，提高了綜合建設(shè)成本。因此研究采用基于突發(fā)分組光交換機(jī)理的智能變電站光通信網(wǎng)絡(luò)，能有效保障繼電保護(hù)的可靠性和靈動性。

2 智能變電站通信業(yè)務(wù)特征

智能變電站按照邏輯劃分包括3層：過程層、間隔層和站控層。對其內(nèi)部的通信網(wǎng)絡(luò)，既有在同一層之間的數(shù)據(jù)交換，也有在不同層之間的數(shù)據(jù)交換。對于不同的數(shù)據(jù)流，其流量大小、傳遞時延要求都有所不同。具體而言，智能變電站的通信系統(tǒng)中傳輸?shù)膱笪目煞譃?類，包括快速報文、中速報文、低速報文、原始數(shù)據(jù)報文、文件傳輸報文、訪問控制命令報文和時間同步報文。表1為過程層網(wǎng)絡(luò)中部分報文對傳輸時間的要求。

在這7類報文中，按時間發(fā)生的情況可分為3種類型，分別是：周期性報文、隨機(jī)性報文和突發(fā)性報文。采樣值SV報文屬于周期性報文，即合并單元把采集到的各間隔的電流電壓值周期性上傳到過程層網(wǎng)絡(luò)中，其特點(diǎn)是時延 抖 動 要 小。GOOSE（generic object oriented substation event,面向通用對象的變電站事件）報文屬于突發(fā)性報文，主要是由間隔層的保護(hù)設(shè)備通過過程層網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的保護(hù)跳閘信號、時間順序（sequence of events，SOE）信號和開關(guān)變位的信號，當(dāng)有數(shù)據(jù)進(jìn)入傳輸網(wǎng)絡(luò)時，大量的數(shù)據(jù)同時發(fā)送，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時，就持續(xù)一段空閑的時間沒有數(shù)據(jù)傳輸，其特點(diǎn)是時延要小。

表1 過程層網(wǎng)絡(luò)報文傳輸時間要求

圖1 主—從—邊緣三級樹型組網(wǎng)架構(gòu)

3 樹型光交換網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)

3.1 主—從—邊緣三級樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由于GOOSE信號在過程層網(wǎng)絡(luò)中各IED設(shè)備間均有信息交換，并具備多播交換功能的特點(diǎn)，設(shè)計如圖1所示的主—從—邊緣三級樹型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中每個間隔配置1個邊緣節(jié)點(diǎn)，連接本節(jié)點(diǎn)的各IED和相應(yīng)的從節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)間隔內(nèi)各IED及與之相連接的從節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換。從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行主節(jié)點(diǎn)與連接的各邊緣節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換，主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行各從節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)分析、母差保護(hù)、故障錄播裝置間的數(shù)據(jù)交換。考慮到網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本問題，分別采用了主節(jié)點(diǎn)光交換、從節(jié)點(diǎn)電交換的方案。

3.2 邊緣節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)與功能

圖2為網(wǎng)絡(luò)中的邊緣節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（GOOSE或SV業(yè)務(wù)）上行至從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行光交換之前需要添加相應(yīng)的標(biāo)簽，表明其業(yè)務(wù)類型、多播域、源地址、數(shù)據(jù)長度等信息，以便主、從節(jié)點(diǎn)解析標(biāo)簽信息進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的交換；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)下行時，邊緣節(jié)點(diǎn)解析標(biāo)簽信息，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)正確發(fā)送至連接的合并單元、智能終端、保護(hù)裝置和測控裝置接收。間隔內(nèi)的IED業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在邊緣節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行內(nèi)部交換，實(shí)現(xiàn)光交換或電交換，并考慮業(yè)務(wù)的優(yōu)先級。邊緣節(jié)點(diǎn)具有控制平面，負(fù)責(zé)控制各功能模塊實(shí)現(xiàn)內(nèi)部交換、標(biāo)簽處理、緩存調(diào)度等功能，并與從節(jié)點(diǎn)控制平面進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的鏈路配置，解決數(shù)據(jù)競爭問題。

圖2 邊緣節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

3.3 從節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)與功能

從節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示，由緩存控制及標(biāo)簽處理模塊、電光/光電轉(zhuǎn)換模塊及控制平面組成。各邊緣節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)解析載于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上的標(biāo)簽，將控制信息傳輸至從節(jié)點(diǎn)控制平面，控制平面根據(jù)控制流信息和相應(yīng)的調(diào)度算法對緩存中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在各邊緣節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)間的多播傳輸。

圖3 從節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

圖4 主節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

3.4 主節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)與功能

主節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖4所示，由高速多播光交叉連接器、緩存控制及標(biāo)簽處理模塊、電光/光電轉(zhuǎn)換模塊及控制平面組成。各從節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)分析、母差保護(hù)、故障錄波設(shè)備通過高速多播光交叉連接器進(jìn)行多播交換，其中，n個從節(jié)點(diǎn)使用λ1至λn共n個獨(dú)立的波長信道，網(wǎng)絡(luò)分析、母差保護(hù)、故障錄波設(shè)備通過緩存控制與標(biāo)簽處理模塊解決數(shù)據(jù)競爭問題后共用λms波長信道進(jìn)行多播交換。各從節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)解析載于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上的標(biāo)簽，將控制信息傳輸至主節(jié)點(diǎn)控制平面，控制平面根據(jù)控制流信息和相應(yīng)的調(diào)度算法配置高速多播光交叉連接器，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在各從節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)分析、母差保護(hù)、故障錄波設(shè)備間的多播傳輸。

4 高速多播光交叉連接器

通過控制平面配置高速多播光交叉連接器可以實(shí)現(xiàn)任意輸入端對輸出端的多播交換，其結(jié)構(gòu)可以通過波長變換或者光開關(guān)選擇實(shí)現(xiàn)，分別如圖5和圖6所示。

圖5 波長變換高速多播光交叉連接器

圖6 光開關(guān)選擇高速多播光交叉連接器

波長轉(zhuǎn)換高速多播光交叉連接器如圖5所示，由1個(n+1)×(n+1)星型耦合器、n+1個可調(diào)諧濾波器和n+1個固定波長轉(zhuǎn)換器組成。任意從輸入端進(jìn)入的光信號經(jīng)過星型耦合器后功率被平均分配至n+1個輸出端，由控制平面控制n+1個可調(diào)諧濾波器選通任意路輸出端輸出，經(jīng)固定波長轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換至固定的輸出波長信道，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的多播交換。

光開關(guān)選擇高速多播光交叉連接器如圖6所示，由n+1個1×(n+1)光分配器、n+1個1×(n+1)光開關(guān)和n+1個固定波長轉(zhuǎn)換器組成。任意從輸入端進(jìn)入的光信號經(jīng)過光功分器后功率被平均分配至連接至各輸出端固定波長轉(zhuǎn)換器的n+1個光開關(guān)，由控制平面控制n+1個光開關(guān)選擇需要輸出的光信號，經(jīng)固定波長轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換至固定的輸出波長信道，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的多播交換。

5 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流

主—從—邊緣三級樹型組網(wǎng)架構(gòu)中的各傳輸鏈路波長信道配置如圖1所示（未標(biāo)注的鏈路可用任意波長信道）。其中，SV業(yè)務(wù)有如下數(shù)據(jù)交換過程：SV業(yè)務(wù)由合并單元發(fā)出，經(jīng)本間隔邊緣節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部交換發(fā)送至間隔內(nèi)的保護(hù)、測控裝置，并由邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)簽處理后發(fā)送至相連的從節(jié)點(diǎn)，經(jīng)從節(jié)點(diǎn)緩存調(diào)度并發(fā)送傳輸請求至主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)控制平面根據(jù)調(diào)度算法將傳輸請求放入請求隊列，待完成高速多播光交叉連接器配置后，發(fā)送確認(rèn)信號至相應(yīng)從節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)發(fā)送SV數(shù)據(jù)至主節(jié)點(diǎn)，并由主節(jié)點(diǎn)傳送至網(wǎng)絡(luò)分析、母差保護(hù)和故障錄波裝置。

GOOSE業(yè)務(wù)有如下數(shù)據(jù)交換過程：GOOSE業(yè)務(wù)由間隔內(nèi)IED裝置發(fā)出，傳動到網(wǎng)絡(luò)分析、母差保護(hù)和故障錄波裝置過程，在邊緣節(jié)點(diǎn)、從節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)中的處理等同于間隔內(nèi)SV業(yè)務(wù)的處理過程。跨間隔的各從節(jié)點(diǎn)接收到主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的GOOSE業(yè)務(wù)，緩存調(diào)度該GOOSE業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送至各目標(biāo)邊緣節(jié)點(diǎn)，最后邊緣節(jié)點(diǎn)緩存調(diào)度并發(fā)送至各間隔內(nèi)IED；GOOSE業(yè)務(wù)由母差保護(hù)發(fā)出，由主節(jié)點(diǎn)接收并緩存，主節(jié)點(diǎn)控制平面解析數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)簽處理，得到傳輸請求并根據(jù)調(diào)度算法將傳輸請求放入請求隊列，待完成高速多播光交叉連接器配置后，主節(jié)點(diǎn)發(fā)送該GOOSE業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)至從節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)緩存調(diào)度該GOOSE業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送至各目標(biāo)邊緣節(jié)點(diǎn)，最后邊緣節(jié)點(diǎn)發(fā)送至各間隔內(nèi)IED。

6 主節(jié)點(diǎn)控制平面調(diào)度算法

主節(jié)點(diǎn)解析本節(jié)點(diǎn)內(nèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)標(biāo)簽并接收各從節(jié)點(diǎn)的控制流信息，得到如圖7所示的傳輸請求隊列以配置光路。SV業(yè)務(wù)和GOOSE業(yè)務(wù)分別采用Round-Robin調(diào)度算法，SV業(yè)務(wù)優(yōu)先級高于GOOSE業(yè)務(wù)優(yōu)先級。

圖7 主節(jié)點(diǎn)傳輸請求隊列

如圖8所示，各從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含傳送請求的控制流信息或主節(jié)點(diǎn)解析業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)標(biāo)簽使用時間tcall，經(jīng)過時間tpropagate1傳送至主節(jié)點(diǎn)，形成請求隊列，控制平面經(jīng)時間tprocess根據(jù)調(diào)度算法調(diào)度傳送請求并配置高速多播光交叉連接器，占用時間tresponse向從節(jié)點(diǎn)控制平面發(fā)送確認(rèn)信號或向本節(jié)點(diǎn)緩存模塊發(fā)送確認(rèn)信號，經(jīng)時間tpropagate2傳送至從節(jié)點(diǎn)或本節(jié)點(diǎn)緩存模塊，其后從節(jié)點(diǎn)或主節(jié)點(diǎn)發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

不考慮端機(jī)的接收速率，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量受主節(jié)點(diǎn)限制，為防止數(shù)據(jù)沖突，高速多播OXC器件每次只選通1路信號進(jìn)行多播，導(dǎo)致每個主節(jié)點(diǎn)可處理的流量上限為單波長傳輸速率，本網(wǎng)絡(luò)中取2.5 Gbit/s，因調(diào)度需要保護(hù)時間，傳輸效率以80%計算，主節(jié)點(diǎn)的最大處理流量為2 Gbit/s，忽略GOOSE業(yè)務(wù)流量，僅考慮SV業(yè)務(wù)，以每個合并單元接入6個電壓/電流互感器計，每個合并單元產(chǎn)生流量約為200 byte×8×6×4 000=38.4 Mbit/s～40 Mbit/s，2 000(Mbit/s)/40(Mbit/s)=50個，即1個主節(jié)點(diǎn)最大可以連接50個合并單元，全網(wǎng)最多可接入約50個合并單元。

圖8 主節(jié)點(diǎn)/從節(jié)點(diǎn)通信過程

7 結(jié)束語

智能變電站網(wǎng)絡(luò)承載了SV采樣值和GOOSE跳閘控制報文，對電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行提供了重要保障。隨著光交換和軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，全光交換、自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)是未來智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢。由于GOOSE業(yè)務(wù)在過程層、間隔層間傳遞信息，需要上行、下行均具備多播功能，根據(jù)智能變電站通信業(yè)務(wù)特征，本文設(shè)計了具有主節(jié)點(diǎn)、從節(jié)點(diǎn)和邊緣節(jié)點(diǎn)3級的多播光交換網(wǎng)絡(luò)，分析了過程層網(wǎng)絡(luò)中的GOOSE、SV業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，最后闡述了基于Round-Robin調(diào)度算法的主節(jié)點(diǎn)控制平面的通信過程，滿足了智能變電站對通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時性、可靠性要求。

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