張小建，鄭宇

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

1 引言

全光交換技術是指光信號在通信網絡中不經過任何光電轉換，直接由輸入端交換到不同輸出端，具備實時性高、時延抖動小以及抗電磁干擾能力強等優(yōu)點。目前主要的光交換技術有光電路交換 （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技術采用數據分組和控制分組在時間上和信道分離的方式獨立傳送，根據控制分組預留帶寬資源，在光域對突發(fā)數據分組直接進行轉發(fā)；OPS交換節(jié)點無需光緩存單元，也無需對分組頭進行更新與同步處理，比OBS網絡更加貼近實用。智能變電站內存在大量一次設備，電磁環(huán)境非常復雜；站內監(jiān)測和保護業(yè)務需要通信系統(tǒng)快速、可靠地信息傳遞。目前采用的工業(yè)以太網交換機通過增加電磁防護措施和冗余網絡來保證通信系統(tǒng)的可靠性，增加了設備復雜度，提高了綜合建設成本。因此研究采用基于突發(fā)分組光交換機理的智能變電站光通信網絡，能有效保障繼電保護的可靠性和靈動性。

2 智能變電站通信業(yè)務特征

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。對其內部的通信網絡，既有在同一層之間的數據交換，也有在不同層之間的數據交換。對于不同的數據流，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)中傳輸的報文可分為7類，包括快速報文、中速報文、低速報文、原始數據報文、文件傳輸報文、訪問控制命令報文和時間同步報文。表1為過程層網絡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絡中，其特點是時延 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設備通過過程層網絡發(fā)送的保護跳閘信號、時間順序（sequence of events，SOE）信號和開關變位的信號，當有數據進入傳輸網絡時，大量的數據同時發(fā)送，當沒有數據進入網絡時，就持續(xù)一段空閑的時間沒有數據傳輸，其特點是時延要小。

表1 過程層網絡報文傳輸時間要求

圖1 主—從—邊緣三級樹型組網架構

3 樹型光交換網絡組網架構

3.1 主—從—邊緣三級樹型網絡結構

由于GOOSE信號在過程層網絡中各IED設備間均有信息交換，并具備多播交換功能的特點，設計如圖1所示的主—從—邊緣三級樹型組網結構。網絡中每個間隔配置1個邊緣節(jié)點，連接本節(jié)點的各IED和相應的從節(jié)點，負責間隔內各IED及與之相連接的從節(jié)點間的數據交換。從節(jié)點進行主節(jié)點與連接的各邊緣節(jié)點間的數據交換，主節(jié)點進行各從節(jié)點與網絡分析、母差保護、故障錄播裝置間的數據交換?？紤]到網絡建設成本問題，分別采用了主節(jié)點光交換、從節(jié)點電交換的方案。

3.2 邊緣節(jié)點結構與功能

圖2為網絡中的邊緣節(jié)點結構，業(yè)務數據（GOOSE或SV業(yè)務）上行至從節(jié)點進行光交換之前需要添加相應的標簽，表明其業(yè)務類型、多播域、源地址、數據長度等信息，以便主、從節(jié)點解析標簽信息進行業(yè)務數據的交換；業(yè)務數據下行時，邊緣節(jié)點解析標簽信息，將業(yè)務數據正確發(fā)送至連接的合并單元、智能終端、保護裝置和測控裝置接收。間隔內的IED業(yè)務數據在邊緣節(jié)點處進行內部交換，實現光交換或電交換，并考慮業(yè)務的優(yōu)先級。邊緣節(jié)點具有控制平面，負責控制各功能模塊實現內部交換、標簽處理、緩存調度等功能，并與從節(jié)點控制平面進行信息交互，實現網絡中的鏈路配置，解決數據競爭問題。

圖2 邊緣節(jié)點結構

3.3 從節(jié)點結構與功能

從節(jié)點結構如圖3所示，由緩存控制及標簽處理模塊、電光/光電轉換模塊及控制平面組成。各邊緣節(jié)點與從節(jié)點解析載于業(yè)務數據上的標簽，將控制信息傳輸至從節(jié)點控制平面，控制平面根據控制流信息和相應的調度算法對緩存中的業(yè)務數據進行調度，實現業(yè)務數據在各邊緣節(jié)點和主節(jié)點間的多播傳輸。

圖3 從節(jié)點結構

圖4 主節(jié)點結構

3.4 主節(jié)點結構與功能

主節(jié)點結構如圖4所示，由高速多播光交叉連接器、緩存控制及標簽處理模塊、電光/光電轉換模塊及控制平面組成。各從節(jié)點和網絡分析、母差保護、故障錄波設備通過高速多播光交叉連接器進行多播交換，其中，n個從節(jié)點使用λ1至λn共n個獨立的波長信道，網絡分析、母差保護、故障錄波設備通過緩存控制與標簽處理模塊解決數據競爭問題后共用λms波長信道進行多播交換。各從節(jié)點與主節(jié)點解析載于業(yè)務數據上的標簽，將控制信息傳輸至主節(jié)點控制平面，控制平面根據控制流信息和相應的調度算法配置高速多播光交叉連接器，實現業(yè)務數據在各從節(jié)點和網絡分析、母差保護、故障錄波設備間的多播傳輸。

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現任意輸入端對輸出端的多播交換，其結構可以通過波長變換或者光開關選擇實現，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 光開關選擇高速多播光交叉連接器

波長轉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個可調諧濾波器和n+1個固定波長轉換器組成。任意從輸入端進入的光信號經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個可調諧濾波器選通任意路輸出端輸出，經固定波長轉換器轉換至固定的輸出波長信道，實現業(yè)務數據的多播交換。

光開關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)光開關和n+1個固定波長轉換器組成。任意從輸入端進入的光信號經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換器的n+1個光開關，由控制平面控制n+1個光開關選擇需要輸出的光信號，經固定波長轉換器轉換至固定的輸出波長信道，實現業(yè)務數據的多播交換。

5 業(yè)務數據流

主—從—邊緣三級樹型組網架構中的各傳輸鏈路波長信道配置如圖1所示（未標注的鏈路可用任意波長信道）。其中，SV業(yè)務有如下數據交換過程：SV業(yè)務由合并單元發(fā)出，經本間隔邊緣節(jié)點的內部交換發(fā)送至間隔內的保護、測控裝置，并由邊緣節(jié)點進行標簽處理后發(fā)送至相連的從節(jié)點，經從節(jié)點緩存調度并發(fā)送傳輸請求至主節(jié)點，主節(jié)點控制平面根據調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)送確認信號至相應從節(jié)點，從節(jié)點發(fā)送SV數據至主節(jié)點，并由主節(jié)點傳送至網絡分析、母差保護和故障錄波裝置。

GOOSE業(yè)務有如下數據交換過程：GOOSE業(yè)務由間隔內IED裝置發(fā)出，傳動到網絡分析、母差保護和故障錄波裝置過程，在邊緣節(jié)點、從節(jié)點和主節(jié)點中的處理等同于間隔內SV業(yè)務的處理過程。跨間隔的各從節(jié)點接收到主節(jié)點發(fā)送的GOOSE業(yè)務，緩存調度該GOOSE業(yè)務數據發(fā)送至各目標邊緣節(jié)點，最后邊緣節(jié)點緩存調度并發(fā)送至各間隔內IED；GOOSE業(yè)務由母差保護發(fā)出，由主節(jié)點接收并緩存，主節(jié)點控制平面解析數據并對數據進行標簽處理，得到傳輸請求并根據調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)點發(fā)送該GOOSE業(yè)務數據至從節(jié)點，從節(jié)點緩存調度該GOOSE業(yè)務數據發(fā)送至各目標邊緣節(jié)點，最后邊緣節(jié)點發(fā)送至各間隔內IED。

6 主節(jié)點控制平面調度算法

主節(jié)點解析本節(jié)點內業(yè)務數據標簽并接收各從節(jié)點的控制流信息，得到如圖7所示的傳輸請求隊列以配置光路。SV業(yè)務和GOOSE業(yè)務分別采用Round-Robin調度算法，SV業(yè)務優(yōu)先級高于GOOSE業(yè)務優(yōu)先級。

圖7 主節(jié)點傳輸請求隊列

如圖8所示，各從節(jié)點向主節(jié)點發(fā)送包含傳送請求的控制流信息或主節(jié)點解析業(yè)務數據標簽使用時間tcall，經過時間tpropagate1傳送至主節(jié)點，形成請求隊列，控制平面經時間tprocess根據調度算法調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)點控制平面發(fā)送確認信號或向本節(jié)點緩存模塊發(fā)送確認信號，經時間tpropagate2傳送至從節(jié)點或本節(jié)點緩存模塊，其后從節(jié)點或主節(jié)點發(fā)送業(yè)務數據。

不考慮端機的接收速率，網絡的吞吐量受主節(jié)點限制，為防止數據沖突，高速多播OXC器件每次只選通1路信號進行多播，導致每個主節(jié)點可處理的流量上限為單波長傳輸速率，本網絡中取2.5 Gbit/s，因調度需要保護時間，傳輸效率以80%計算，主節(jié)點的最大處理流量為2 Gbit/s，忽略GOOSE業(yè)務流量，僅考慮SV業(yè)務，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)點最大可以連接50個合并單元，全網最多可接入約50個合并單元。

圖8 主節(jié)點/從節(jié)點通信過程

7 結束語

智能變電站網絡承載了SV采樣值和GOOSE跳閘控制報文，對電力系統(tǒng)可靠運行提供了重要保障。隨著光交換和軟件定義網絡技術的發(fā)展，全光交換、自適應網絡是未來智能變電站通信網絡發(fā)展趨勢。由于GOOSE業(yè)務在過程層、間隔層間傳遞信息，需要上行、下行均具備多播功能，根據智能變電站通信業(yè)務特征，本文設計了具有主節(jié)點、從節(jié)點和邊緣節(jié)點3級的多播光交換網絡，分析了過程層網絡中的GOOSE、SV業(yè)務數據流，最后闡述了基于Round-Robin調度算法的主節(jié)點控制平面的通信過程，滿足了智能變電站對通信網絡實時性、可靠性要求。

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