適應多種應用場景的安全穩定控制系統通信單元的研制

陶 翔，馬玉龍，夏 雨，3，郭 勛，曹鎵熙

（1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；2.南瑞集團有限公司，江蘇 南京 211106；3.智能電網保護和運行控制國家重點實驗室（南瑞集團有限公司），江蘇 南京 211106）

0 引言

安全穩定控制系統（以下簡稱“穩控系統”）是保證電力系統安全穩定運行的重要防線。當前我國特高壓交直流混聯電網建設縱深推進，新能源發電占比穩步提高，電網安全穩定問題正發生深刻變化［1-2］，提高穩控系統性能及可靠性的需求也日益迫切。

穩控系統是由2 個及以上廠站的穩控裝置通過通信設備聯絡構成的系統［3］，同一系統中位于不同廠站的穩控裝置通過通信單元接入同步數字體系（SDH）通信專網，從而進行點對點的通信。基于SDH通信專網的組網方式廣泛應用于常規穩控系統、特高壓交直流電網穩控系統、毫秒級精準負荷控制系統中［4-5］，在小規模電網安全穩定實時控制系統中的應用已有研究［6］。通信單元作為系統中的重要環節，在一定程度上影響著穩控系統的可靠性［7-8］。

現有穩控系統中應用的通信單元存在型號繁多、硬件平臺差異大、接口不統一的問題，給工程設計、運行和維護帶來了一定難度，穩控系統的可靠性難以保證。

針對穩控系統中存在的上述問題，分析現有穩控系統中所用通信單元的功能及接口類型，結合穩控系統中現有的接口資源，提出了適應多種應用場景的安全穩定控制系統通信單元的設計方案，研制樣機并進行了系統驗證。

1 通信單元接口需求分析

1.1 傳統穩控系統通信單元接口需求

穩控系統中的穩控裝置按照功能可劃分為3 個層次，即控制主站、控制子站及執行站，由于接口需求類似，僅以主站為例分析通信單元接口需求，傳統穩控系統控制主站通信如圖1 所示。為保證可靠性，穩控裝置一般采用雙重化配置。

圖1 穩控系統控制主站通信

相鄰層級的穩控裝置依托由SDH 通信專網分配的2M（速率為2 048 kbit/s 通道的簡稱）專用通道通信，穩控裝置間的通信一般通過預留的光纖通道完成，而廠站中的SDH 通信設備則采用E1 接口提供服務。通信單元的作用即是將穩控裝置的光纖接口轉換為符合E1 規范的同軸電纜或光纖接口，并連接至廠站中的SDH 設備。

因此，傳統穩控系統通信單元應具備：1）用于和穩控裝置通信的光纖接口；2）若干組E1 同軸電纜或光纖接口用于連接2M 專用通道。

1.2 毫秒級精準負荷控制系統通信單元接口需求

毫秒級精準負荷控制是電網故障情況下的緊急控制措施，精準負荷控制系統屬于穩控系統的一種。與傳統穩控系統類似，精準負荷控制系統也采用主站、子站以及執行站3 層架構，但控制對象由變電站負荷線路轉變為電力大用戶低壓饋線，因此接入系統的控制對象數量非常大。

精準負荷控制系統控制主站與控制子站上行通道的接口需求與傳統穩控系統相同，此處不再贅述。下面重點分析精準負荷控制子站下行通道與海量控制執行站接入的通信單元接口需求。

1.2.1 控制子站下行通道通信單元接口需求

控制子站下行通道負責匯集其所轄范圍內所有控制執行站的負荷信息，并下達切負荷命令。精準負荷控制系統由于執行終端數量繁多，若仍采用傳統穩控系統子站下行通道設計方案，則需占用大量2M專線資源。因此，文獻［9］提出了采用STM-1 接口將控制子站下行通道接入SDH 通信專網，極大地節約了設備及空間資源，如圖2 所示。

圖2 精準負荷控制子站下行通道接入

精準負荷控制系統子站下行通道的通信單元應滿足：1） 具備光纖接口與控制子站中穩控裝置的光纖接口相連；2） 提供符合STM-1 規范的光纖接口用于連接SDH 設備。

1.2.2 控制執行站通信單元接口需求

與傳統穩控系統不同，精準負荷控制系統的執行站不再是變電站中的穩控裝置，而是裝設于電力用戶處的負荷控制終端。通信單元可與負荷控制終端備用的電以太網接口或專用光纖接口連接；SDH通信專網接入則要考慮電力用戶處是否具備2M 專線接入的條件。

1）具備2M 專線接入條件的執行站。

部分負荷控制終端裝設在燃煤電廠及水電站等接入條件較好的廠站中，這些廠站一般已裝設SDH通信設備，具備2M 專線接入的條件。通信單元應具備2 組E1 同軸電纜或光纖接口接入2M 專線，并提供1 組電以太網接口或專用光纖接口用于和負荷控制終端通信，如圖3 所示。

圖3 燃煤電廠負荷控制終端接入

2）不具備2M 專線接入條件的執行站。

系統中大量負荷控制終端裝設在工業用戶的配電房中，并不具備2M 專線直接接入的條件。因此，一般選擇用戶附近有SDH 通信設備的變電站作為系統接入點。為了節約2M 專線資源，文獻［9］提出了8 個電力用戶共享1 條2M 專線的接入方案，通信單元采用8 路專用光纖接口與用戶處的接口裝置通信，同時提供2 組E1 同軸電纜或光纖接口接入2M 專線，如圖4 所示。

為滿足該應用場景的接口需求，就近變電站的通信單元應具備2 組E1 同軸電纜或光纖接口，并具備多組專用光纖接口連接負荷控制終端。

圖4 工業用戶負荷控制終端接入

2 新型通信單元設計

2.1 硬件架構

新型通信單元采用基于可擴展處理器系列（ZYNQ）的高性能片上系統（SoC）平臺，裝置的硬件架構如圖5所示，其中PHY 表示以太網物理層接口芯片。

圖5 新型通信單元硬件架構

為兼顧接口可擴展性與整機成本，裝置分為處理器主板與接口子板2 部分。

處理器板SoC 采用低壓差分信號（Low Voltage Differential Signaling，LVDS） 接口外擴3 組光纖接口，其中1 組為STM-1 接口，2 組為百兆以太網光纖接口；內置1 路百兆以太網MAC 模塊，并通過RMII接口的以太網PHY 外擴1 路百兆電以太網接口。2路百兆以太網光纖接口用于和穩控裝置通信；STM-1接口用于精準負荷控制系統子站下行通道的接入；以太網電口用作調試接口。

接口子板分為同軸電纜接口板和光纖接口板兩種，可根據具體應用靈活配置。同軸電纜接口板對外提供8 組符合E1 規范的同軸電纜接口，可以滿足8路2M 專線的接入。光纖接口板具備8 組光纖接口，可用作E1 光纖接口，也可在精準負荷控制系統中連接負荷控制終端，使用HDLC 鏈路層協議與負荷終端通信。

2.2 穩控裝置通信鏈路聚合技術

通信單元在精準負荷控制系統子站下行通道應用場景中的數據流量達到峰值。STM-1 接口傳輸63條2M 通道的數據，單條2M 下行通道的應用數據為24 B，精準負荷控制系統的數據傳輸間隔為1.667 ms，不計及鏈路層及傳輸層通信協議帶來的額外開銷，單個STM-1 接口的實際數據流量為

式中：BW為單個STM-1 接口的實際數據流量；n 為STM-1 通道中所含2M 通道的數目；SD為單條2M 通道中的應用數據量；Tint為數據傳輸間隔。

新型通信單元采用光纖與穩控裝置通信，設計采用百兆光纖以太網接口，設計傳輸帶寬能夠滿足應用需求。但依據IEEE 802.3 以太網數據鏈路層規范，單個以太網幀的最大長度為1 518 B，去除規范中所需校驗碼等必要內容，可傳輸的應用數據最大長度為1 500 B［10］。STM-1 接口單次發送的應用數據量為1 512 B，超過了以太網接口單次發送限制。解決以太網幀單次發送容量的問題一般考慮采用多幀傳輸方案，即將STM-1 接口單次發送的應用數據分成多個以太網幀，分次傳輸，但分幀傳輸將對系統實時性產生不利影響。

為解決此問題，提出基于百兆光纖以太網的穩控裝置通信鏈路聚合技術，即采用2 條百兆光纖以太網同步傳輸，以滿足穩控系統應用數據的實時性要求。

使用STM-1 接口通信時，63 路2M 應用數據分配至2 條百兆以太網光纖通道中傳輸，其中1 路光纖通道傳輸32 路2M 數據，另1 路傳輸31 路2M 數據。穩控裝置與通信單元采用1 500 B 自定義數據格式通信，幀結構如圖6 所示。

圖6 自定義數據幀格式

圖6 中，BJ_ID 表示穩控裝置通道ID 號，用于識別光纖通道；FNUM 表示幀序號，每發送1 幀數據后，序號自動加1，用于防止重復幀；Syn 分為低字節Syn_L 和高字節Syn_H，表示中斷序號；Sta 分為低字節Sta_L 和高字節Sta_H，表示接收端狀態字。

3 新型通信單元在穩控系統中的應用

3.1 在傳統穩控系統中的應用

傳統穩控系統的應用場景中，新型通信單元與穩控裝置通過1 路百兆光以太網通信，根據現場SDH 設備的E1 接口類型，選擇同軸電纜或光纖接口板。單個通信單元最多可支持與4 個同一系統中的穩控裝置通信。圖7 為典型的穩控主站應用。

圖7 新型通信單元在傳統穩控主站中的應用

3.2 在精準負荷控制系統子站下行通道中的應用

新型通信單元應用于精準負荷控制系統的控制子站下行通道中時，使用2 個百兆光以太網與穩控裝置通信，再通過通信單元鏈路聚合技術，將2 條百兆以太網中的數據合并，并重新編碼為符合STM-1接口規范的碼流，并從STM-1 光纖接口發送出去；反之，將STM-1 接口上傳的數據分流至2 條以太網通道中。新型通信單元的連接如圖8 所示，該應用中可不選配接口子板，以節約裝置成本。

3.3 在精準負荷控制系統控制執行站的應用

新型通信單元在精準負荷控制系統執行站接入層的應用同樣分為具備2M 專線接入條件的場合（如燃煤電廠、水電站等），以及不具備2M 專線接入的場合。

在具備2M 專線接入的場合，新型通信單元使用光纖接口板上指定的2 對光纖作為E1 光纖接口，連接SDH 網絡設備；與負荷控制終端通信的光纖接口可為光纖接口板剩余6 對光纖中的任意1 對。考慮實時性的需求，新型通信單元與負荷控制終端采用HDLC 協議通信。連接關系如圖9 所示。

圖8 新型通信單元在精準負荷控制系統下行通道的應用

圖9 新型通信單元在燃煤電廠負荷控制終端接入的應用

當用作工業用戶接入時，新型通信單元安裝在用戶附近的接入層變電站中，使用2 路E1 光纖接口接入SDH 設備；另外6 路通過光纖連接到大用戶配電房中安裝的負荷控制終端，同樣采用HDLC 協議進行通信，連接關系如圖10 所示。

圖10 新型通信單元在工業用戶負荷控制終端接入的應用

4 系統驗證

為驗證新型通信單元各通信接口功能及傳輸實時性，按照精準負荷控制系統架構，搭建了如圖11的測試系統。系統包含控制主站、控制子站、燃煤電廠典型接入方式與工業電力用戶接入方式4 類典型應用，可最大化覆蓋通信單元的接口。

測試系統采用安控測試儀向控制主站發出切負荷命令，測試了原系統接入方式與研制的新型通信單元接入方式下，主站決策至子站收到控制命令、子站決策至工業用戶負荷控制終端收到命令、子站決策至燃煤電廠負荷控制終端收到命令3 個環節的通信耗時，如表1 所示。試驗數據表明，新型通信單元接入方式在通信耗時方面優于原有接入方式。

圖11 新型通信單元測試系統

表1 通信耗時對比 ms

5 結語

提出能夠適應多種應用場景的安全穩定控制單元的設計方案并完成了樣機試制。搭建對比測試系統，測試了原有接口裝置與研制的新型通信單元在相同應用場景下的通信耗時，結果表明研制的新型通信單元能夠滿足穩控系統的通信接口需求，通信耗時優于原有接口裝置。

提出的通信單元接口方案僅適用于基于SDH 通信專網組網的穩控系統，采用無線組網方式（如電力4G 無線專網）的穩控系統是今后的研究方向，未來可進行基于電力無線專網的通信接口裝置的研究。