基于可靠性最優(yōu)的地區(qū)調度數(shù)據(jù)網(wǎng)第二接入網(wǎng)設計

黃顯斌，鄧志森，喻顯茂，劉洵源，彭 昊，戴晨曦

(1.國網(wǎng)四川省電力公司天府新區(qū)供電公司，四川 成都 610021；2.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041)

0 引 言

調度數(shù)據(jù)網(wǎng)是為電力調度生產(chǎn)服務的專用廣域數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，是上下級調度之間、調度主站與廠站之間電力監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的基礎設施，直接關系電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，要求其具有極高的可靠性和安全性。調度數(shù)據(jù)網(wǎng)對于電力系統(tǒng)未來業(yè)務的發(fā)展具有強大的支撐作用，在一體化系統(tǒng)建設、智能電網(wǎng)建設方面都起到關鍵作用[1]。現(xiàn)大部分地區(qū)110 kV及以下電壓等級變電站的調度數(shù)據(jù)網(wǎng)為單一網(wǎng)絡，設備故障或者網(wǎng)絡鏈路中斷時，不能保障調度業(yè)務實時性，不滿足調度生產(chǎn)指揮連續(xù)性要求，將嚴重影響電網(wǎng)運行安全。冗余備用是保障可靠性的最重要手段之一，現(xiàn)階段調度間骨干網(wǎng)、部分廠站已實現(xiàn)網(wǎng)絡層面冗余，但還有大量110 kV及以下變電站未實現(xiàn)雙接入冗余。同時考慮到集控站建設，其與調度主站、變電站均需采用調度數(shù)據(jù)網(wǎng)接入網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互，為滿足傳輸可靠性要求，亟需進行地區(qū)調度數(shù)據(jù)網(wǎng)第二接入網(wǎng)(后簡稱地區(qū)第二接入網(wǎng))建設，實現(xiàn)在網(wǎng)絡層面的備用，提升調度數(shù)據(jù)網(wǎng)可靠性。

1 調度數(shù)據(jù)網(wǎng)可靠性

調度數(shù)據(jù)網(wǎng)可靠性是調度數(shù)據(jù)網(wǎng)為業(yè)務提供不間斷支撐的能力，其大小主要受設備冗余程度、路由策略、設備部署位置等影響。因此，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡單個節(jié)點的可靠性可以式(1)表示。

Pi=PijPirPin

(1)

式中：Pi為調度數(shù)據(jù)網(wǎng)中i節(jié)點的可靠性；Pij為i節(jié)點的設備冗余度可靠性，可用式(2)計算；Pir為i節(jié)點路由策略可靠性；Pin為節(jié)點部署位置可靠性，可由式(3)計算。

(2)

Pin=PikPio

(3)

式中：Pik為節(jié)點i的設備電源可靠性；Pio為傳輸設備鏈路可靠性，是整條鏈路上所有節(jié)點的可靠性乘積。

一個有n個節(jié)點的地區(qū)調度數(shù)據(jù)網(wǎng)的網(wǎng)絡可靠性PT，可以表示為業(yè)務重要性系數(shù)Wi乘以各個節(jié)點的可靠性Pi之和再乘以路由可靠性Pr，見式(5)。

(5)

2 基于可靠性最優(yōu)的設計原則

在地區(qū)第二接入網(wǎng)設計時應遵循以下幾個原則。

1)通信鏈路可靠性原則：結合第一接入網(wǎng)現(xiàn)狀，設計時應盡可能考慮第一接入網(wǎng)、第二接入網(wǎng)相關通信設備及鏈路單點故障不影響業(yè)務。

2)業(yè)務可靠性原則：在設計和規(guī)劃網(wǎng)絡拓撲結構時，應當遵循鏈路與節(jié)點可靠性要求。在拓撲結構中的任意鏈路中斷后，確保業(yè)務不中斷[2]。

3)技術可靠性原則：應充分考慮現(xiàn)有網(wǎng)絡，地區(qū)第二接入網(wǎng)按統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一技術、統(tǒng)一標準建設，在技術體制、路由策略等方面應考慮與現(xiàn)有骨干網(wǎng)、接入網(wǎng)的協(xié)調統(tǒng)一。

4)網(wǎng)絡性能可靠性原則：任意接入節(jié)點至所屬調度機構節(jié)點的網(wǎng)絡延時應控制在100 ms以內，網(wǎng)絡自治域內任意兩個網(wǎng)絡節(jié)點之間的網(wǎng)絡丟包率應小于10-5，網(wǎng)絡自治域內的網(wǎng)絡收斂時間應小于60 s，網(wǎng)絡可用率應大于99.9%[3]。

3 地區(qū)第二接入網(wǎng)設計

3.1 設計步驟

基于所提出的調度數(shù)據(jù)網(wǎng)可靠性計算方法，將地區(qū)第二接入網(wǎng)設計按照設備冗余程度分析、路由策略分析、部署位置分析、網(wǎng)絡可靠性計算和業(yè)務接入校核幾個步驟進行，具體流程如圖1所示。

圖1 地區(qū)第二接入網(wǎng)設計流程

圖1中，在進行完位置部署分析以后，需對業(yè)務接入進行分析，滿足業(yè)務需求才能形成設計方案。

3.2 設備冗余程度分析

在進行設備冗余分析時需考慮現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)運行情況，需對調度數(shù)據(jù)網(wǎng)總體結構、地區(qū)調度數(shù)據(jù)網(wǎng)第一接入網(wǎng)(后簡稱地區(qū)第一接入網(wǎng))現(xiàn)狀、省調接入網(wǎng)現(xiàn)狀進行分析，通過前面的設備冗余度可靠性定義，在滿足可靠性最優(yōu)的情況下確定地區(qū)第二接入網(wǎng)需部署設備的節(jié)點。

3.2.1 調度數(shù)據(jù)網(wǎng)總體網(wǎng)絡結構分析

調度數(shù)據(jù)網(wǎng)分為骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)。骨干網(wǎng)為雙平面架構，兩個平面在網(wǎng)絡層面上獨立，用于各級接入網(wǎng)的網(wǎng)絡互聯(lián)和調度端的應用接入，整體結構如圖2所示。骨干網(wǎng)采用光同步傳輸模式上傳送網(wǎng)際互連協(xié)議(IP over SDH)技術體制，全網(wǎng)部署多協(xié)議標簽交換(multiprotocol label switching，MPLS)/虛擬專用網(wǎng)(virtual private network，VPN)，即實時VPN和非實時VPN，分別對應生產(chǎn)控制大區(qū)的控制區(qū)業(yè)務和非控制區(qū)業(yè)務。

接入網(wǎng)根據(jù)調管范圍分為國調接入網(wǎng)、分中心接入網(wǎng)、省調接入網(wǎng)和地調接入網(wǎng)，所設計部分為地區(qū)調度數(shù)據(jù)網(wǎng)，即地調接入網(wǎng)部分[4]。

3.2.2 地區(qū)第一接入網(wǎng)現(xiàn)狀分析

地區(qū)第一接入網(wǎng)覆蓋區(qū)域內的省調直調廠站、地(縣)調直調廠站、縣調、集控站、運維班節(jié)點，分為核心層、匯聚層和接入層。所有廠、站均為接入節(jié)點，接入節(jié)點同匯聚節(jié)點相連，匯聚節(jié)點同核心節(jié)點相連，最后通過核心層跨域到對應的骨干網(wǎng)節(jié)點。

3.2.3 省調調度數(shù)據(jù)網(wǎng)接入網(wǎng)現(xiàn)狀分析

省調調度數(shù)據(jù)網(wǎng)接入網(wǎng)(后簡稱省調接入網(wǎng))覆蓋省調區(qū)域內的分中心直調廠站、220 kV變電站和省調直調廠站節(jié)點，分為核心層、匯聚層和接入層。

3.2.4 地區(qū)第二接入網(wǎng)新增設備節(jié)點設計

為充分利用現(xiàn)有設備資源，同時考慮到地區(qū)第二接入網(wǎng)建設，可以將調管范圍內220 kV變電站節(jié)點從原省調接入網(wǎng)劃入地區(qū)第二接入網(wǎng)。省調接入網(wǎng)將只覆蓋直調電廠和網(wǎng)調直調廠站等節(jié)點。地區(qū)第二接入網(wǎng)將作為地區(qū)第一接入網(wǎng)的網(wǎng)絡層面?zhèn)溆?，完全獨立運行于地區(qū)第一接入網(wǎng)和省調接入網(wǎng)。經(jīng)過上面分析，可知對現(xiàn)有110 kV及以下變電站數(shù)據(jù)網(wǎng)節(jié)點只需新增一套數(shù)據(jù)網(wǎng)設備，可使所有節(jié)點均滿足多臺設備的可靠性要求。

3.3 路由策略分析與設計

3.3.1 私網(wǎng)路由策略分析與設計

路由協(xié)議分為域內內部網(wǎng)關協(xié)議(interior gateway protocol，IGP)和域間外部網(wǎng)關協(xié)議(exterior gateway protocol，EGP)兩類。地區(qū)第二接入網(wǎng)是一個區(qū)域，屬于同一個自治域，同地區(qū)第一接入網(wǎng)采用相同的路由分配策略，地區(qū)第二接入網(wǎng)自治系統(tǒng)內配置開放最短路徑優(yōu)先(open shortest path first，OSPF)路由協(xié)議實現(xiàn)全局路由分發(fā)。采用MPLS標簽轉發(fā)，加快數(shù)據(jù)轉發(fā)效率，采用邊界網(wǎng)關協(xié)議(border gateway protocol,BGP)來控制地區(qū)第二接入網(wǎng)匯聚和接入節(jié)點的路由路徑。地區(qū)第二接入網(wǎng)與雙平面骨干網(wǎng)之間配置BGP協(xié)議實現(xiàn)全局路由互通。在接入節(jié)點路由器配置VPN，通過靜態(tài)路由的方式引入接入交換機，業(yè)務主機網(wǎng)關配置在接入交換機。

3.3.2 公網(wǎng)路由策略分析與設計

為使自治系統(tǒng)內部路由快速收斂，需對地區(qū)第二接入網(wǎng)進行分區(qū)，核心和匯聚設備組成自治系統(tǒng)內部路由協(xié)議的核心區(qū)域 Area 0，每個匯聚節(jié)點及其下屬的接入節(jié)點組成一個非骨干區(qū)域。匯聚路由器是連接核心區(qū)域Area 0和子區(qū)的區(qū)域邊界路由器(area border router，ABR)，ABR負責子區(qū)的拓撲接入、區(qū)域間路由轉換與傳遞、區(qū)域間的路由聚合等任務。為減少核心區(qū)域 Area 0和子區(qū)之間的路由規(guī)模，在ABR上的Area 0和各子區(qū)對互聯(lián)地址應該配置區(qū)域間的路由聚合，以此滿足網(wǎng)絡性能指標要求，如圖3所示。

圖3 OSPF區(qū)域

通過私網(wǎng)路由分析和公網(wǎng)路由分析，采用同地區(qū)第一接入網(wǎng)相同的路由策略方案，滿足可靠性設計原則。

3.4 節(jié)點部署位置分析與設計

節(jié)點部署位置分析首先要進行拓撲結構分析，然后考慮部署節(jié)點電源可靠性、傳輸鏈路可靠性和業(yè)務重要程度。

3.4.1 拓撲結構分析

考慮到調度數(shù)據(jù)網(wǎng)總體設計架構，地區(qū)第二接入網(wǎng)采用三層網(wǎng)絡結構，分別為核心層、匯聚層和接入層。核心采用多核心設計，主要負責數(shù)據(jù)交換功能；匯聚層采用多節(jié)點設置，根據(jù)實際接入節(jié)點數(shù)量配置對應匯聚節(jié)點數(shù)；接入層負責將廠站業(yè)務接入網(wǎng)絡。核心節(jié)點至少設置2個，節(jié)點之間采用155 M通道互聯(lián)；匯聚節(jié)點若干，匯聚節(jié)點之間、匯聚節(jié)點和核心節(jié)點之間采用155 M通道互聯(lián)；接入節(jié)點若干，其中廠站接入節(jié)點采用2×2 M與匯聚節(jié)點相連，而集控站或運維站節(jié)點采用155 M通道與匯聚節(jié)點或核心節(jié)點相連。

3.4.2 部署節(jié)點電源可靠性分析

地區(qū)調度數(shù)據(jù)網(wǎng)節(jié)點主要部署在調度主站、調度備用主站、220 kV變電站、110 kV變電站、35 kV變電站、集控站和運維班。根據(jù)現(xiàn)場電源配置情況，一般情況下電源可靠性Pik排序如下。

Pik調度主站≈Pik備調主站≈Pik集控站>Pik220 kV≈

Pik運維班>Pik110 kV>Pik35 kV

3.4.3 傳輸鏈路可靠性分析

根據(jù)拓撲分析可知，所有鏈路均需要經(jīng)過核心節(jié)點，大部分鏈路經(jīng)過匯聚節(jié)點，接入節(jié)點一般情況下只負責自身節(jié)點業(yè)務，其鏈路帶寬分配也不一致，因此可以得到接入節(jié)點單鏈路接入時的可靠性。

Pio接入節(jié)點=Pio匯聚節(jié)點Pio接入鏈路

(6)

式中，Pio接入鏈路為接入節(jié)點與匯聚節(jié)點之間鏈路可靠性，一般由通信傳輸通道質量決定。

考慮到可靠性最優(yōu)，雙接入時接入節(jié)點可靠率為

(7)

同理可以計算出核心節(jié)點和匯聚節(jié)點的鏈路可靠性。

3.5 調度數(shù)據(jù)網(wǎng)可靠性計算

通過上面的分析可知，基于可靠性最優(yōu)的情況下，所有節(jié)點均為多設備，設備冗余度可靠性Pij=1，路由策略可靠性應該為一個常量a，即Pr=a，不同節(jié)點的電源可靠性Pik只有固定的幾個常量值，因此可以賦值。

(8)

式中，b、c、d、e均為常量。按照核心節(jié)點、匯聚節(jié)點和接入節(jié)點的部署位置不同，根據(jù)式(5)、式(7)、式(8)可以求出地區(qū)調度數(shù)據(jù)網(wǎng)的可靠性PT的最大值，最后進行業(yè)務接入校核，如果均滿足業(yè)務需求，即為可靠性最優(yōu)的設計方案。

3.6 業(yè)務接入校核

地區(qū)調度數(shù)據(jù)網(wǎng)承載的常見業(yè)務有調度自動化業(yè)務、繼電保護及安全自動裝置業(yè)務和變電集控站(運維班)主設備全面監(jiān)視業(yè)務等。根據(jù)這些業(yè)務所部署的地理位置不同，可以按照接入位置分為主調業(yè)務、備調業(yè)務、廠站業(yè)務和集控站業(yè)務。

3.6.1 主調業(yè)務校核

主調業(yè)務從骨干一、二平面接入調度數(shù)據(jù)網(wǎng)，未直接接入地區(qū)調度數(shù)據(jù)網(wǎng)，需滿足調度主站之間的數(shù)據(jù)轉發(fā)通信能接收所有廠站業(yè)務的需求。

3.6.2 備調業(yè)務校核

備調業(yè)務直接接入地區(qū)第一接入網(wǎng)備調核心節(jié)點和地區(qū)第二接入網(wǎng)備調核心節(jié)點，其業(yè)務直接通過兩套接入網(wǎng)完成數(shù)據(jù)的傳輸，不需經(jīng)過骨干網(wǎng)平面，需滿足能接收所有廠站業(yè)務的需求。

3.6.3 廠站業(yè)務校核

廠站業(yè)務通過地區(qū)第一接入網(wǎng)接入節(jié)點和地區(qū)第二接入網(wǎng)接入節(jié)點接入?？紤]到鏈路冗余，兩套接入網(wǎng)應分別通過不同骨干網(wǎng)路由回主站?？刹捎玫貐^(qū)第一接入網(wǎng)通過骨干二平面上骨干網(wǎng)，地區(qū)第二接入網(wǎng)通過骨干一平面上骨干網(wǎng)，同時滿足業(yè)務數(shù)據(jù)通過不同數(shù)據(jù)網(wǎng)設備傳輸?shù)男枨蟆?/p>

3.6.4 集控站和運維班業(yè)務校核

集控站業(yè)務通過地區(qū)第一接入網(wǎng)接入節(jié)點和地區(qū)第二接入網(wǎng)接入節(jié)點接入，同時須滿足能通過兩套接入網(wǎng)即接收所需監(jiān)控廠站信息的需求。

4 結 論

上面提出了一種基于設備冗余程度、路由可靠性和節(jié)點部署位置可靠性的區(qū)域調度數(shù)據(jù)網(wǎng)可靠性計算方法，基于該方法提出可靠性最優(yōu)的地區(qū)調度數(shù)據(jù)網(wǎng)第二接入網(wǎng)設計原則和流程，詳細介紹了各個步驟分析內容和計算公式。最后，根據(jù)業(yè)務接入校核選出網(wǎng)絡可靠性最高的設計方案，該方案簡潔、擴展性高且易于管理。但所提方法并未考慮經(jīng)濟性，也并未對業(yè)務重要性進行賦值，認為業(yè)務重要程度相同。后續(xù)研究考慮將重要性和經(jīng)濟性作為約束條件，設計出更經(jīng)濟合理的設計方案。