變電站共網共口傳輸實現方法

王瑋

（國網智能電網研究院，江蘇 南京 210003）

1 引言

IEC61850標準是基于通用網絡通信平臺的變電站自動化系統國際標準，通過對設備的一系列規范化，使其形成一個規范的輸出，實現系統的無縫連接。智能變電站自動化系統建立在IEC61850通信技術規范基礎上，按分層分布式來實現站內智能電氣設備間的信息共享和互操作性，在邏輯功能上由站控層、間隔層和過程層3層設備組成。目前工程實踐中，智能變電站內通信網絡一般采用物理上獨立的站控層網絡和過程層網絡。站控層網絡用于連接站控層設備和間隔層設備，過程層網絡用于連接過程層設備和間隔層設備。為了保證網絡的可靠性，每層網絡通常會采用冗余的雙星型拓撲。過程層網絡又會分為獨立的GOOSE(generic object oriented substation event)網和 SV(sampled measured value)網。

“共網共口”是指智能變電站通信網絡不再分為獨立的站控層網絡與過程層網絡，而是構建站內一體化高速通信網絡，并且同一臺IED （intelligent electronic device）的GOOSE、SV及MMS業務報文共用一個以太網端口連接至該通信網絡。構建基于“共網共口”的站內一體化高速通信網絡，是新一代智能變電站通信系統的發展方向。

“共網共口”技術的理論依據介紹如下。

·共網技術。通過VLAN(virtual local area network)和動態多播協議按照實際要求劃分多個多播子網，將業務報文進行安全隔離。

·共口技術。根據國家電網公司相關技術規范，IED發送SV的抖動不能超過10 μs，發送GOOSE的時延不能超過3 ms。當SV、GOOSE、MMS共纜傳輸時，先將SV發送優先級置為最高，GOOSE次之、MMS最低，或者采用分時傳輸的方式來保證共纜傳輸的實時性與可靠性。

2 VLAN+分時傳輸方法

在智能變電站中，SV和GOOSE數據是多播發送的，交換機會將SV和GOOSE數據廣播傳送，所有的智能設備都會收到相關數據，經過網卡的過濾傳送給應用模塊，所以SV和GOOSE的網絡負載會對整個網絡上的智能設備產生影響。

根據理論計算，過程層采樣值通信流量只占用100 Mbit/s端口的4%左右，過程層網絡中GOOSE報文的流量遠遠小于采樣值的流量。目前智能變電站中，1個間隔的SV流量不會超過5 Mbit/s，一個間隔的GOOSE流量不會超過0.1 Mbit/s。假設整個變電站有30個間隔，考慮到GOOSE報文的流量遠遠小于采樣值的流量，那么過程層網的負載不會超過150 Mbit/s。百兆網無法負擔，如果采用吉比特網，過程層網絡的負載不會超過15%，這個流量對于交換機來說比較輕松，但對于保護、測控等智能設備而言就是一個不小的流量，需要采取措施來降低過程層網絡的負載。目前常用VLAN或者多播注冊協議（GMRP）將過程層數據按照間隔進行隔離，控制過程層數據的流量，降低過程層數據對智能設備的影響，使得共網成為可能。

圖1是基于VLAN實現共網的示意。VLAN技術將物理網絡劃分為多個邏輯子網，從而減少網絡帶寬占用，抑制網絡風暴。GMRP技術可以動態構成多個多播子網，從而達到類似VLAN劃分的結果。GMRP僅對SV、GOOSE有效，對MMS無效，因此一般首先利用VLAN技術，大致劃分為幾個大的邏輯子網，至少將MMS獨立出去，然后在同一個VLAN中，再利用GMRP自動構成多播子網。

變電站內SV、GOOSE、MMS業務以共口方式從設備中傳輸時，先將SV發送優先級設置為最高，GOOSE次之，MMS最低。如果某個優先級很低的大報文正在發送中，而SV報文發送時刻到了。此時，是不可能取消正在進行的發送任務的，只能等待。

因此，比較可靠的方式是采用分時傳輸，工程應用中直采 SV采樣率為 4 kHz，如圖2所示，將時間片以250 μs為單位進行劃分，對于每個時間片，進一步劃分為如下兩個子片。

· 子片 1：0～50 μs，專供 SV發送用，不得占用。

· 子片 2：50～250 μs，供 GOOSE、MMS 使用。

為了保證GOOSE實時性，應采用優先級調度，將GOOSE存儲到高優先級發送隊列中，只有該隊列為空時，才考慮MMS發送。圖2為共口傳輸基本模型。

圖1 基于VLAN實現共網示意

圖2 分時傳輸共口傳輸基本模型

考慮智能終端上送信號均帶有變位時標，所以GOOSE的發送時延并不對間隔層設備的遙信分辨率造成影響。GOOSE重傳機制中變位發送間隔一般設置為2 ms，所以兩幀SV之間插入2幀GOOSE發送不會造成報文的積累問題。

3 波長映射方法

波分復用（wavelength division multiplexing，WDM）是提高一根光纖傳輸容量的主要技術，類似于無線電系統中的頻分復用技術。它將多個不同波長的光載波信號（攜帶各種不同信息）在發送端經復用器（multiplexer）匯合在一起，并耦合到同一根光纖中進行傳輸，在接收端使用解復用器（de-multiplexer）將各個波長的光載波分離，然后由光接收機進行進一步的處理以恢復原始信號。只要相鄰波長信道的間隔距離足夠遠，不同的波長信道之間就不會產生相互干擾，因此在一根光纖中可實現多路光信號的復用傳輸。另外，雙向傳輸可將兩個方向的信號分別安排在不同的波長上實現。

如圖3所示，將波長等效于電交換機內的轉發隊列，不同業務映射至不同波長，不同種業務之間互不干擾，同種業務在交換單元內采用先進先出的調度策略。

目前網絡交換設備基于處理電信號的以太網核心交換芯片、采用“存儲—轉發”網絡交換模式。全光交換技術是指不經過任何光/電轉換，將輸入端光信號直接交換到任意光輸出端。傳統的電交換在帶寬、互連密度、時鐘歪斜、能耗、抗干擾能力等方面均受到限制，即存在“電子瓶頸”。全光交換技術不僅能消除互連交換系統中的光電信號轉換帶來的性能損失，極大地提高互連交換性能，更重要的是能極大地提高互連交換的密度，具有帶寬巨大、傳輸透明、低時延、可擴展、可重構、低功耗、高可靠性的特點，是解決傳統電力數據通信網現存問題的一種理想技術。

如圖4所示，通過邊緣節點，全光交換網絡可以與普通電交換IP網絡互聯，邊緣節點分為發送部分和接收部分。發送部分的主要功能為：邊緣端口從傳統以太網接收IP數據分組，經過FIFO進行速率匹配后接入業務識別和分類模塊，根據業務類型及路由信息將它們進行分類，之后進行二次封裝并生成光分組頭編碼，最后經過E/O轉換復用到WDM光纖。接收部分的主要功能為：來自WDM光纖的數據通過解復用器，經過O/E轉換后進行光分組頭解碼，將數據分組解封裝還原成IP分組，之后根據路由信息分發到對應的邊緣端口。

圖3 業務波長映射及交換示意

圖4 邊緣節點對業務進行預處理

在光信號進入如圖5所示的交換節點后，首先通過一個波分復用器進行波長解復用。各波長的光信號經過一個10∶90的光耦合器，10%的輸出端口與控制模塊連接用于光分組頭提取和處理，90%的輸出端口與FDL連接用于等待緩存和交換判決以及光開關所需的切換響應時間。控制模塊提取光分組中的目標MAC地址和長度等信息，控制模塊上的緩存管理模塊和交換管理模塊分別控制光緩存單元和光交換矩陣，將光分組業務和光波長業務正確交換到所需的輸出端口和波長。對于光分組業務，如果兩路及以上的光分組業務同時到達，且需要從同一端口的統一波長輸出，則會出現分組沖突，根據沖突解決算法，控制各路信號支路上的OBU，為各波長上的光分組信號選擇合適的光時延支路解決光分組沖突。經過緩存后的光分組信號，經過光開關交換矩陣交換到所需的輸出端口和輸出波長上繼續傳輸。

邊緣節點針對某些傳統設備如智能變電站測控裝置使用同一網口進行業務混傳的問題，實現了電交換網絡中的業務分類，進入全光交換網絡后，業務承載于獨立的波長，之間互不干擾，在經過交換節點時通過光解復用模塊將不同波長上的數據業務送入不同的光交換電路，完成后再通過光復用模塊復用至光纖上，直至業務數據從邊緣節點離開全光網絡。變電站業務可以在同一全光網絡中通過不同波長實現變電站統一網絡，實現MMS、SV、GOOSE共網共口并且完全物理隔離。

4 結束語

本文研究了變電站共網共口傳輸實現方法，首先研究了基于時分復用的VLAN+分時傳輸的方法，然后研究了基于波分復用的將業務映射至不同波長的波長映射方法，并在此基礎上重點研究了基于全光交換的共網共口傳輸方法。采用全光交換技術，通過邊緣預處理設備可以實現變電站共網共口傳輸，同時避免了通信網絡各個節點上的多次光—電轉換，具有高實時性、高可靠性、低功耗和業務物理隔離功能，可以為構建智能變電站站內一體化高速通信網絡方案提供技術支撐。

圖5 交換節點

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