面向智能變電站通信的全光交換技術應用

張頡 ，吳鵬 ，王勝 ，王海 ，張泰 ，張凌浩

（1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072；2.國網智能電網研究院，江蘇 南京 210003）

1 引言

智能站對站內通信傳輸進行網絡化處理，各類保護、測控、計量等裝置通過站內的交換網絡進行信息傳遞，改變了傳統變電站內各設備之間采用電纜進行模擬傳輸的現狀，極大地簡化了變電站內的通信拓撲結構，實現了智能站內各設備之間的信息共享[1]。根據IEC61850及變電站的實際通信需求，智能站的站內通信流主要分為SV報文、GOOSE報文及MMS報文，SV報文主要處理各類采樣值數據，將各間隔、主變及母線的各類參數經合并單元送給保護、測控、計量等設備，數據流表現為單向、快速傳輸，對通信時延要求極高[2]。變電站內的開關發生變化，其狀態、位置信號及閉鎖信號將通過GOOSE報文傳遞到相應裝置，或者當保護裝置發布的跳閘命令也由跳閘GOOSE報文發送到相應的智能終端，GOOSE報文同樣要求快速、準確地傳輸到目的地。MMS報文主要為站控層與間隔層之間以及站控層設備之間的通信傳輸報文，MMS報文對網絡時延要求沒有SV報文及GOOSE報文高[3]。

由于變電站的復雜結構，站內大量的采樣信息需要進行實時采樣處理，要求變電站的通信網絡必須可靠、穩定運行，且通信網絡具有極強的處理、轉發能力，對變電站的交換機處理能力有極高要求，方能滿足變電站內的通信實時性要求。另一方面，隨著全光交換技術的發展與成熟，人們開始考慮將全光交換技術引入變電站[4]，由于全光交換避免了交換機內部的光—電—光轉換，將提升交換機的處理能力，大大縮短了交換機內的處理時間，將十分有利于變電站內的實時通信傳輸。同時，由于全光傳輸不受周圍電磁環境干擾，全光交換也解決了變電站內電傳輸的干擾問題[5]。

2 面向智能站的全光交換組網方案

根據智能站的通信業務的具體特點和時延要求，全光交換網絡組網方案選用 “雙纖雙向環網”拓撲結構，由核心層、邊緣層和外圍終端接入層3部分組成，如圖1所示。其中，核心層由10個核心節點組成，其中1個節點為主節點，其余9個為從節點，主節點與從節點的1、2號端口依次相連，組成雙纖雙向環網結構。核心節點根據接收到的控制信息、路由策略及全網當前狀態為業務數據的傳輸配置正確鏈路。每個從節點的3～9號端口連接邊緣節點，每個從節點使用獨立的波長信道，并可在主干環網中對該波長信道的信號進行上下路功能。主節點具有對9個從節點使用的波長信道的波長進行轉換的能力和上下路功能。邊緣層由邊緣節點組成，對內連接核心層的從節點，對外承接終端接入層的業務終端，實現業務數據的接入/分類、數據匯聚/裝配、業務數據的調度和發送以及業務數據的接收和拆裝。終端接入層中，業務終端與邊緣節點相連，生產業務數據和接收來自其他終端的業務數據。

圖1 面向智能站的全光交換組網模型

在環網結構中，每個從節點分別占用一個獨立的波長信道，且各從節點采用的波長均不相同，從而保證各從節點的業務在物理上的隔離。各從節點的波長信道分配包括靜態配置和動態配置兩種方式。靜態配置方式，即系統預先為每個從節點指定一個固定的波長信道。比如，從節點SN 1采用波長信道 λ1、從節點SN 2采用波長信道 λ2、…、從節點SN 9采用波長信道λ9。這種配置方式的好處在于系統結構和管理控制較簡單，每個從節點只需要具備一個指定波長的上下路功能。動態配置方式，即系統可以根據網絡實際情況動態地為每個從節點分配一個波長信道，各從節點可采用波長信道λ1,λ2,…,λ9中的任意一個。動態方式對系統管理和控制的要求更高，需要一定的動態波長信道分配算法。在動態配置方式中，每個從節點需要具備任意波長的上下路功能，而相應的邊緣節點也需要具有波長可調諧的光收發器，這提高了系統成本和實現難度。

主節點結構由 4個1×2光開關、2個光環形器、2個1×9波導陣列光柵、18個光收發器和1塊FPGA處理板組成，如圖2所示。主節點實現對從節點使用的波長信道的波長轉換和9個波長的信號上下路功能，使數據可以在不同從節點之間進行傳輸。1、2號端口與其他節點相連構成環網。4個1×2光開關和2個環形器實現“雙纖雙向”的保護功能，2個1×9的AWG實現對9個波長的復用和解復用，主節點可接收來自9個從節點的不同波長信道的數據信號，并能通過相應的波長信道向不同的從節點發送數據。

圖2 核心層主節點結構示意

從節點的結構如圖3所示，由4個1×2光開關、2個光環形器、1個光插分復用器（OADM）和1個多播交換矩陣組成。圖中的1、2號端口與其他節點相連構成環網，3～9號端口連接業務終端，是業務數據的輸入輸出端口，每個從節點最多可連接7個邊緣節點。與主節點相同，4個1×2光開關和2個環形器實現“雙纖雙向”的保護功能。OADM實現單波長通道的上下路功能，多播交換矩陣實現從節點的多播交換功能。每個從節點占用一個獨立的波長信道，從節點的波長信道分配包括靜態配置和動態配置兩種方式。

圖3 核心層從節點結構示意

邊緣節點的信號處理示意如圖4所示，業務終端發送的業務數據需要先進入邊緣節點進行分類、匯聚。在業務數據進入核心層實現光交換之前，均需要添加相應的標簽路由信息，從節點的控制平面根據相關路由信息配置光交換矩陣的交換狀態。在邊緣節點中，發送部分將各終端設備的業務數據首先進行業務匯聚，形成統一的業務數據格式。根據業務數據的特點，產生相應的光標簽信號，光交換矩陣的控制平面完成標簽中相關路由信息的識別，并控制光交換矩陣的狀態。已添加標簽信息的業務數據，經過一定的電域緩存控制和電光轉換，形成光分組數據，進入光交換矩陣進行光交換；接收部分將從節點發送的業務數據進行電光轉換至電域，經過一定的電域緩存控制和標簽解析，實現業務的分類拆裝，最終發送給各目標業務終端。

3 核心層數據交換與保護

3.1 從節點內部交換過程

當業務數據的源地址和目的地址在同一從節點內部時，該業務數據可通過從節點中的光交換矩陣交換到相應的輸出端口，從而到達所需的目的終端?？梢钥闯?，該業務數據并不需要經過環網進行傳輸和交換。

3.2 從節點經環網數據交換過程

圖4 邊緣節點信號處理示意

當業務數據的源地址和目的地址在不同的從節點內部時，該業務數據需要經過環網進行傳輸和交換。以連接從節點1的源業務終端向連接從節點6的目的業務終端發送業務數據為例，說明業務數據的傳輸和交換過程，參照圖1。

假設源業務數據由從節點1匯聚，使用λ1波長信道發送數據，經從節點1的1號端口上路至環網，數據傳送到主節點并經過波分解復用器后，主節點的信號處理模塊對λ1波長信道的數據進行接收。經過相應的處理后，主節點使用λ6波長信道轉發數據并上路至環網，數據傳送至從節點6時，從節點可通過OADM對λ6波長信道的數據進行下路，通過從節點6處的光交換矩陣交換到相應的邊緣節點，邊緣節點經光電轉換等步驟進行業務拆裝后，將業務數據送至目標業務終端。

3.3 從節點在環網光纖故障時的數據交換過程

10個核心層節點的1、2號端口之間順次連接構成環網，正常工作時環網中僅有1條光纖中沿同一方向傳輸信號，當環網的工作光纖中僅有一處發生斷裂等異常情況使信號不能正常到達目標節點時，可以逆向傳輸信號使通信正常完成，即“雙向保護”。當環網的工作光纖中有多處發生斷裂等異常情況，即使逆向傳輸也不能正常通信時，啟用備用光纖，信號從備用光纖中傳輸至目標業務終端，即“雙纖保護”。

下面結合節點結構做具體說明。如圖5所示，設1端口連接“工作光纖”，2端口連接“備用光纖”，正常情況下光信號僅從“工作光纖”中單向傳輸。當與OADM相連的A’、B’兩個1×2光開關的切換狀態分別為連接A、B環形器時，AA’連通、BB’連通，此時業務終端發出的光信號從“輸出 1/2端口”上路，從“輸入 1/2端口”下路；當 A’、B’兩個1×2光開關的切換狀態分別為連接B、A環形器時，AB’連通、BA’連通，此時業務終端發出的光信號從“輸入1/2端口”上路，從“輸出 1/2端口”下路。 A’、B’兩個 1×2光開關在這兩種組合狀態下（AA’&BB’或 AB’&BA’）切換，實現環網中信號傳輸方向的順、逆時針切換，在環網中“工作光纖”僅發生1處異常時，可以使環網中信號逆向傳輸到達目標終端，實現“雙向保護”。在網絡中“工作光纖”發生多處異常情況下，連接1、2號端口的2個1×2光開關可以切換連通狀態，實現光信號在“工作光纖”和“備用光纖”之間的倒換功能，實現“雙纖保護”。本方案中的“雙纖雙向”的兩重保護保證了電力業務數據的安全穩定傳輸。

圖5 “雙纖雙向”保護說明

4 結束語

本文提出的一種針對智能站通信業務需求的全光交換網絡架構，由核心層、邊緣層與終端接入層組成。核心層由環形連接的多個節點組成，該節點將根據接收到的控制信息、路由策略及變電站內的當前網絡狀態為業務數據配置正確路由，其中從節點使用獨立的波長信道，并在主干環網中對該波長信道的信號進行上下路功能，而主節點具有對其他從節點使用的波長信道的波長轉換能力和上下路功能。邊緣層內接核心層的從節點，外接終端接入層的業務終端，完成終端業務數據的分類、匯聚，并生產交換需要的光標簽。

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