王智慧，汪洋，秦璇，李艷波，王湖

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 100192)

系統(tǒng)保護(hù)業(yè)務(wù)需求分析及通信技術(shù)研究

王智慧，汪洋，秦璇，李艷波，王湖

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 100192)

隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，現(xiàn)有的“三道防線”保護(hù)策略已經(jīng)無法滿足復(fù)雜電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要，迫切需要構(gòu)建新一代大電網(wǎng)安全綜合防御體系，進(jìn)而需要建立一種高速、實(shí)時(shí)、安全、可靠的電力通信網(wǎng)絡(luò)，以支撐交直流協(xié)控、抽蓄控制、精準(zhǔn)切負(fù)荷、全景狀態(tài)感知等系統(tǒng)保護(hù)功能?；陔娏νㄐ啪W(wǎng)的現(xiàn)狀，首先對(duì)系統(tǒng)保護(hù)業(yè)務(wù)的通信網(wǎng)需求進(jìn)行詳細(xì)分析，包括節(jié)點(diǎn)分布及業(yè)務(wù)流向、傳輸距離、通道帶寬、通信時(shí)延等；其次對(duì)目前電力傳輸網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行研究分析，提出滿足系統(tǒng)保護(hù)業(yè)務(wù)需求的兩種傳輸技術(shù)方案，并進(jìn)行了對(duì)比分析；最后對(duì)所提出的兩種技術(shù)方案的通信時(shí)延進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為系統(tǒng)保護(hù)通信網(wǎng)建設(shè)提供理論和實(shí)踐參考。

系統(tǒng)保護(hù)；通信需求；傳輸技術(shù)；測(cè)試驗(yàn)證

0 引 言

目前，電力系統(tǒng)采取的保護(hù)策略基于“三道防線”，分別由常規(guī)繼電保護(hù)裝置、安全自動(dòng)裝置和系統(tǒng)解列裝置完成[1]。第1道防線用于在電力系統(tǒng)發(fā)生永久故障后，通過斷路器快速切除故障元件。但當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)功率波動(dòng)、保護(hù)誤動(dòng)作時(shí)，可能出現(xiàn)線路過載，甚至導(dǎo)致連鎖故障，因此需要第2道防線采用安全自動(dòng)裝置盡可能保證故障切除后系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是也有一定的局限性：(1)實(shí)時(shí)性差，可能在自動(dòng)裝置動(dòng)作前已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重事故；(2)(系統(tǒng)保護(hù)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體制及關(guān)鍵技術(shù)研究)全局協(xié)調(diào)性差，系統(tǒng)內(nèi)部各級(jí)安全自動(dòng)裝置的動(dòng)作不能協(xié)調(diào)配置，可能造成更大事故。因此需要第3道防線，即系統(tǒng)解列，在系統(tǒng)失去穩(wěn)定后，將系統(tǒng)解列成若干穩(wěn)定運(yùn)行的小系統(tǒng)，以便后續(xù)快速恢復(fù)整個(gè)系統(tǒng)[2-3]。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和規(guī)模日趨復(fù)雜，大電網(wǎng)的運(yùn)行和控制面臨更大的挑戰(zhàn)。人為失誤、設(shè)備故障、自然災(zāi)害等系統(tǒng)內(nèi)部因素和外部因素都可能給系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成較大威脅，傳統(tǒng)的基于本地信息的保護(hù)策略已不能滿足復(fù)雜電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要[4-6]。因此，系統(tǒng)保護(hù)概念應(yīng)運(yùn)而生，它是通過現(xiàn)代通信技術(shù)獲取電力系統(tǒng)中各點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息、動(dòng)態(tài)監(jiān)控電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況，綜合分析、辨識(shí)可能給電力系統(tǒng)帶來嚴(yán)重后果的擾動(dòng)，并采取相應(yīng)控制措施以消除或減輕擾動(dòng)所造成后果[7-8]。

系統(tǒng)保護(hù)多頻段、高精度全景狀態(tài)感知和多場(chǎng)景、全過程實(shí)時(shí)智能決策，需要構(gòu)建高速、實(shí)時(shí)、安全、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)保護(hù)主要實(shí)現(xiàn)功能包括交直流協(xié)控、抽蓄控制、解列控制、精準(zhǔn)切負(fù)荷、全景狀態(tài)感知等。目前的通信網(wǎng)絡(luò)難以滿足上述采集和控制信息高速、安全傳輸?shù)囊螅虼擞斜匾獙?duì)系統(tǒng)保護(hù)通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分布及業(yè)務(wù)流向、傳輸距離、通道帶寬、通信時(shí)延進(jìn)行需求分析，并對(duì)目前常用通信技術(shù)進(jìn)行研究比較，提出面向未來的能夠支撐系統(tǒng)保護(hù)遠(yuǎn)景需求的通信技術(shù)方案，并進(jìn)行相關(guān)理論分析和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證。

1 電力傳輸網(wǎng)現(xiàn)狀

國(guó)家電網(wǎng)公司已建成覆蓋華北、華東、華中、東北、西北、西南6個(gè)區(qū)域的傳輸網(wǎng)。一級(jí)骨干傳輸網(wǎng)主要覆蓋國(guó)網(wǎng)公司總(分)部、省公司、國(guó)(分)調(diào)直調(diào)發(fā)電廠及變電站(換流站)。二級(jí)骨干傳輸網(wǎng)主要覆蓋各區(qū)域，區(qū)域內(nèi)各省、500 kV及以上直調(diào)變電站(換流站)及發(fā)電廠[9]。

一級(jí)骨干傳輸網(wǎng)采用SDH技術(shù)和OTN技術(shù)組網(wǎng)，其中SDH網(wǎng)絡(luò)主要承載保護(hù)、安控類業(yè)務(wù)，為鏈型結(jié)構(gòu)，干線速率為10 G、2.5 G級(jí)。二級(jí)骨干傳輸網(wǎng)結(jié)構(gòu)有環(huán)形、網(wǎng)狀、鏈?zhǔn)降?，干線速率為10 G、2.5 G級(jí)[10]。目前一級(jí)和二級(jí)SDH骨干網(wǎng)絡(luò)面臨問題有：設(shè)備運(yùn)行年限長(zhǎng)，可靠性下降，故障率較高、部分設(shè)備停產(chǎn)，降低了整體保障能力和安全可靠性。

2 系統(tǒng)保護(hù)業(yè)務(wù)需求

2.1 節(jié)點(diǎn)分布及業(yè)務(wù)流向

系統(tǒng)保護(hù)以區(qū)域電網(wǎng)為實(shí)施主體，由區(qū)域協(xié)控總站、控制主站、控制子站和執(zhí)行站構(gòu)成。區(qū)域協(xié)控總站是實(shí)施集中協(xié)調(diào)控制的中樞決策大腦，根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息及故障信息給出決策或控制策略，并將控制信息發(fā)送給控制主站?？刂浦髡靖鶕?jù)功能分為直流控制主站、抽蓄控制主站、解列控制主站、精準(zhǔn)切負(fù)荷主站等，一般位于500 kV交流變電站、直流換流站或省電力公司內(nèi)。執(zhí)行站一般布放在330 kV及以上等級(jí)的變電站或電磁環(huán)網(wǎng)的220 kV變電站、直流換流站、發(fā)電廠(含抽蓄、新能源)以及大用戶配電房，負(fù)責(zé)將一、二次設(shè)備的測(cè)量信息上傳給相關(guān)控制主站，并接收控制主站的控制命令。系統(tǒng)保護(hù)業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖1所示。

各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向主要包括執(zhí)行站與控制主站之間、控制主站與協(xié)控總站之間以及不同控制主站之間、不同區(qū)域協(xié)控總站之間等。系統(tǒng)保護(hù)通信網(wǎng)絡(luò)除了點(diǎn)到點(diǎn)的雙向通信外，還存在點(diǎn)到多點(diǎn)的實(shí)時(shí)通信。系統(tǒng)保護(hù)控制主站采用雙重化配置，站內(nèi)兩套裝置采用雙主運(yùn)行模式，協(xié)控總站需要異地異站配置。

圖1 系統(tǒng)保護(hù)業(yè)務(wù)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of system protection

2.2 傳輸距離

根據(jù)我國(guó)“十二五”期間特高壓交直流工程現(xiàn)狀及“十三五”期間工程規(guī)劃，系統(tǒng)保護(hù)區(qū)域內(nèi)傳輸距離不超過3 000 km，區(qū)域之間傳輸距離不超過5 000 km[11]。

2.3 通道帶寬

通道帶寬與業(yè)務(wù)功能、幀結(jié)構(gòu)及終端所在的變電站、發(fā)電廠或大用戶配電房一次網(wǎng)架規(guī)模有關(guān)。

通道帶寬W估算公式如下。

W=(L1+L2)8nf

(1)

式中：L1為數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)，L2為時(shí)標(biāo)長(zhǎng)度；n為變電站和發(fā)電廠元件數(shù)量或大用戶配電房回路個(gè)數(shù)；f為采集頻率。

2.3.1 傳統(tǒng)穩(wěn)控業(yè)務(wù)帶寬

采集信息包括電氣量和狀態(tài)量。非母線元件的有功功率、無功功率值共2個(gè)電氣量，每周波采集24個(gè)點(diǎn)，每個(gè)量4 B數(shù)據(jù)，2個(gè)量共用4 B時(shí)標(biāo)，1個(gè)站22個(gè)元件，根據(jù)公式(1)計(jì)算得到：

W電氣量=(2×4+4)×8×24×1 00020×22 bps=
2.42 Mbps

(2)

狀態(tài)量按32路考慮，每路1bit，共用4B的時(shí)標(biāo)信息，每周波上傳24個(gè)點(diǎn)。根據(jù)公式(1)計(jì)算得到：

W狀態(tài)量=(4+4)×8×24×1 00020 bps=
0.08 Mbps

(3)

因此電氣量和狀態(tài)量總帶寬為2.50Mbps。

2.3.2 全景狀態(tài)感知帶寬

采集信息包括電氣量和狀態(tài)量。變壓器和線路的三相基波電壓、電流相量、正序基波電壓、電流相量、頻率和頻率變化率、有功功率、無功功率等20個(gè)電氣量，母線的三相基波電壓相量、正序基波電壓相量、頻率和頻率變化率等10個(gè)電氣量。每周波采集24個(gè)點(diǎn)，每個(gè)量按4B浮點(diǎn)數(shù)，共用4B時(shí)標(biāo)，1個(gè)站按平均22個(gè)元件，6條母線，根據(jù)公式(1)計(jì)算得到：

W電氣量=(20×4+4)×8×24×1 00020×22+
(10×4+4)×8×24×1 00020×6 bps=19.34 Mbps

(4)

狀態(tài)量按256路考慮，每路1bit，共用4B的時(shí)標(biāo)信息，根據(jù)公式(1)計(jì)算得到：

W狀態(tài)量=(32+4)×8×24×1 00020 bps=0.33 Mbps

(5)

因此電氣量和狀態(tài)量總帶寬為19.70Mbps。

2.3.3 精準(zhǔn)切負(fù)荷帶寬

采集信息包括遙測(cè)量和遙信量。遙測(cè)量包括母線三相電壓，以及各回路的三相電流、三相有功及總有功、三相無功及總無功共14個(gè)電氣量[12]。除母線三相電壓3個(gè)量之外，其余11個(gè)均與回路相關(guān)。每個(gè)電氣量按3個(gè)字節(jié)地址、2個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)、1個(gè)字節(jié)描述、7個(gè)字節(jié)時(shí)標(biāo)考慮，即L1=6 B，L2=7 B，數(shù)據(jù)上傳方式按照10 ms采集并上傳計(jì)算，根據(jù)公式(1)計(jì)算得到：

W遙測(cè)=3×(6+7)×8×1 00010+
11×(6+7)×8×10×1 00010 bps=1.12 Mbps

(6)

遙信量包括每路開關(guān)的狀態(tài)和門狀態(tài)，包括3個(gè)字節(jié)地址、1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)和7個(gè)字時(shí)標(biāo)，即L1=4 B，L2=7 B。

W遙信=(4+7)×8×1 00010 bps=8.8 kbps

(7)

因此遙測(cè)和遙信總帶寬1.13Mbps。

電力通信網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般分為3 層：核心層、骨干層和接入層。核心層、骨干層采用環(huán)形組網(wǎng)，分別部署協(xié)控站、控制主站；區(qū)域接入層采用星形組網(wǎng)，部署控制子站或執(zhí)行站，各業(yè)務(wù)接入點(diǎn)就近雙歸接入?yún)^(qū)域骨干節(jié)點(diǎn)。

基于以上結(jié)果，按照最大采集信息量帶寬不超過20Mbps，一個(gè)區(qū)域最多200個(gè)變電站、100個(gè)發(fā)電廠考慮，則骨干層總帶寬不超過20Mbps×300=6Gbps。

每個(gè)點(diǎn)的采集帶寬20Mbps，平均每個(gè)控制主站接入20個(gè)點(diǎn)，接入網(wǎng)帶寬20Mbps×20=400Mbps。

每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的采集帶寬1Mbps，平均每個(gè)控制子站接入100個(gè)點(diǎn)，負(fù)荷域接入網(wǎng)帶寬1Mbps×100=100Mbps。

因此建議核心層和骨干層帶寬不低于10Gbps，接入層帶寬不低于1G。

2.4 通信時(shí)延

從圖1可以看出，3層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的協(xié)控站和執(zhí)行站之間、控制主站之間、執(zhí)行站之間的通信可能經(jīng)過多個(gè)其他站點(diǎn)，這樣如何控制好信息交換的延時(shí)就成為影響到系統(tǒng)保護(hù)性能的重要因素之一[13]。首先，時(shí)延可以分解為兩部分，一部分是固定的，另外一部分是變化的，其中前者和物理因素等相關(guān)，后者和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目以及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等有關(guān)[14]。我們關(guān)注的是后者可變化時(shí)延是否滿足要求。

按照系統(tǒng)保護(hù)的要求，60ms內(nèi)要對(duì)電網(wǎng)發(fā)、輸、配及直流系統(tǒng)全景狀態(tài)感知(包括執(zhí)行站采集時(shí)間、通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延)。300ms內(nèi)對(duì)重要擾動(dòng)故障進(jìn)行處理(包括故障感知時(shí)間、通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、命令確認(rèn)時(shí)間、繼電器出口動(dòng)作時(shí)間、一次設(shè)備執(zhí)行時(shí)間)。

上述全景感知和對(duì)重要擾動(dòng)故障進(jìn)行處理中的通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延看作可變化時(shí)延，其他時(shí)延看作固定時(shí)延。

按照目前系統(tǒng)保護(hù)分層分域的功能架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延主要與傳輸距離有關(guān)，控制站命令確認(rèn)時(shí)間與控制層級(jí)有關(guān)?？刂浦噶罹W(wǎng)絡(luò)時(shí)延按照1ms/100km考慮，則傳輸距離3 000km時(shí)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延為30ms。命令確認(rèn)時(shí)間與控制層級(jí)有關(guān)，當(dāng)控制層為n時(shí)，控制指令最大穿越2(n-1)級(jí)。業(yè)務(wù)要求命令確認(rèn)總時(shí)間不大于50 ms，傳輸距離不大于5 000 km，并設(shè)定T為每一層級(jí)的命令確認(rèn)時(shí)間，L為每一層級(jí)的傳輸距離，則有：

2(n-1)T≤50 ms

(8)

2(n-1)L≤5 000 km

(9)

當(dāng)n=5，T=7 ms時(shí)，命令確認(rèn)時(shí)間為2×(5-1)×7 ms=56 ms，且L≤625 km。

對(duì)于全景狀態(tài)感知，執(zhí)行站采集處理時(shí)間按不大于20 ms，通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延不大于40 ms考慮，最后的時(shí)延分配如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)保護(hù)全過程時(shí)間分配示意圖Fig.2 Time distribution of system protection whole process

3 通信技術(shù)研究

同步數(shù)字體系(synchronous digital hierarchy，SDH)在當(dāng)前電力通信系統(tǒng)中應(yīng)用范圍廣、數(shù)量龐大，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的語音業(yè)務(wù)和傳統(tǒng)的低速率電網(wǎng)實(shí)時(shí)控制業(yè)務(wù)(繼保、安穩(wěn)、調(diào)度自動(dòng)化等)能夠保證較高的承載效率和較低的傳送時(shí)延?；赟DH的多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)(multi-service transfer platform，MSTP)是在SDH的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,繼承了SDH的所有優(yōu)點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了更強(qiáng)的接入能力，更細(xì)致的時(shí)隙占用方式，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)分多址(time division multiplexing，TDM)/異步傳輸模式(asynchronous transfer mode, ATM)/以太網(wǎng)等業(yè)務(wù)的接入、處理和傳送。SDH雖然可通過采用通用成幀規(guī)程(generic framing procedure，GFP)封裝實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)業(yè)務(wù)承載，但承載效率只有80%～90%。對(duì)于要求高帶寬、低時(shí)延的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)，還需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配合使用[15]。

光傳送網(wǎng)(optical transport network，OTN)技術(shù)是面向高速率的下一代傳送網(wǎng)的重要傳送技術(shù)。其傳輸體制為波分復(fù)用，同SDH技術(shù)類似，為時(shí)隙交換，其線路帶寬最大可達(dá)到100 G，，最小可到1 G寬帶顆粒，可以提供2.5，10，40 G大顆粒業(yè)務(wù)的透明傳送，并引入了強(qiáng)大的電層交叉能力，波長(zhǎng)利用率更高。提供快速、可靠的大顆粒業(yè)務(wù)保護(hù)能力。但由于OTN設(shè)備是針對(duì)大顆粒通道傳輸?shù)慕鉀Q方案，其在小顆粒通道的傳輸上還需要輔助其他設(shè)備進(jìn)行處理[16]。

目前應(yīng)用最多的IP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為分組傳送網(wǎng)(packet translate network，PTN)和IP化無線接入網(wǎng)(IP radio access network，IP RAN)。PTN是基于傳輸設(shè)備設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行二層傳輸，而IP RAN基于數(shù)通產(chǎn)品設(shè)計(jì)，具有強(qiáng)大的三層功能，主要應(yīng)用在電信運(yùn)營(yíng)行業(yè)。PTN除了具備SDH/MSTP的功能，還有優(yōu)越的IP分組傳輸性能，設(shè)備支持的接口也是多種多樣。電力通信傳輸網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)高帶寬、業(yè)務(wù)多樣化、接口IP化，而SDH基于電路交換，時(shí)分復(fù)用，采用虛電路(vitual circuit，VC)硬管道，最大帶寬10 Gbps，帶寬固定分配，滿足傳統(tǒng)語音通信需求，但設(shè)備交換帶寬利用效率較低，不能適應(yīng)數(shù)據(jù)突發(fā)業(yè)務(wù)[17]。此外，SDH僅支持頻率同步，不支持時(shí)間同步。相對(duì)于傳統(tǒng)的SDH網(wǎng)絡(luò)，PTN 技術(shù)幾乎繼承其所有優(yōu)點(diǎn)，具備更加優(yōu)越的IP分組傳輸性能；最大帶寬可達(dá)100 Gbps，動(dòng)態(tài)帶寬大小精確控制，帶寬利用率高；支持SDH所有保護(hù)方式，同時(shí)支持環(huán)網(wǎng)保護(hù)、1+1/1∶1 線性標(biāo)簽交換通道(label switched path，LSP)保護(hù)，更加適合電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)。采用邊緣到邊緣的偽線仿真(pseudo-wire emulation edge to edge，PWE3)實(shí)現(xiàn)對(duì)TDM/ATM 等電路業(yè)務(wù)的完美支持。同時(shí)支持精確的頻率同步和時(shí)間同步功能。相對(duì)于SDH的時(shí)隙隔離，PTN采用邏輯隔離，明碼傳輸，安全性有待增強(qiáng)。綜合考慮現(xiàn)網(wǎng)投資和系統(tǒng)保護(hù)業(yè)務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性、安全性、可靠性的要求，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍需采用SDH網(wǎng)絡(luò)來承載此類業(yè)務(wù)，同時(shí)采用PTN的方式來解決帶寬瓶頸、業(yè)務(wù)IP化和多元化問題。在電力通信網(wǎng)中SDH網(wǎng)絡(luò)和PTN網(wǎng)絡(luò)仍將長(zhǎng)期共存[18-19]。

4 測(cè)試驗(yàn)證

4.1 設(shè)備時(shí)延

4.1.1 SDH和路由器方案

數(shù)據(jù)在SDH設(shè)備內(nèi)部的時(shí)延處理分布如圖3橫線所示。對(duì)于在上下業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)，報(bào)文需要經(jīng)過二層交換、VC映射、交叉連接、復(fù)用段和再生段開銷處理等環(huán)節(jié)，時(shí)延理論值小于200 μs。而業(yè)務(wù)穿通節(jié)點(diǎn)直接將報(bào)文通過交叉連接模塊透?jìng)鳎蛔鰳I(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)，時(shí)延理論值小于50 μs。

圖3 SDH設(shè)備時(shí)延分布Fig.3 Time delay distribution of SDH devices

數(shù)據(jù)在路由器設(shè)備內(nèi)部的時(shí)延處理分布如圖4橫線所示，上下業(yè)務(wù)時(shí)延包括MAC層處理、IP層處理、QoS模塊、切片處理及交換網(wǎng)板處理模塊，時(shí)延范圍較大，一般在100 μs～10 ms。

在實(shí)驗(yàn)室搭建測(cè)試環(huán)境，將路由器光纖以太口(Gigabit ethernet, GE)口與SDH設(shè)備GE相連，使用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀通過路由器GE口發(fā)送100 M雙向流量，設(shè)備時(shí)延測(cè)試值如表1所示。

從表2可以看出，SDH和路由器設(shè)備的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)處理時(shí)延最大260 μs。SDH設(shè)備的E1業(yè)務(wù)處理時(shí)延最大333 μs，10 G業(yè)務(wù)穿通時(shí)延約6 μs，可忽略不計(jì)。

4.1.2 PTN方案

數(shù)據(jù)在PTN設(shè)備內(nèi)部的時(shí)延處理分布如圖5橫線所示，上下業(yè)務(wù)時(shí)延包括支路適配、QoS處理、多協(xié)議標(biāo)簽交換(multi-protocal label switching, MPLS)交換及線路適配，時(shí)延理論值小于100 μs；而業(yè)務(wù)穿通節(jié)點(diǎn)對(duì)于報(bào)文只是轉(zhuǎn)發(fā)，時(shí)延理論值小于20 μs。

在實(shí)驗(yàn)室搭建測(cè)試環(huán)境，使用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀通過PTN設(shè)備GE口發(fā)送1 000 M雙向流量，設(shè)備時(shí)延測(cè)試值如表2所示。

圖4 路由器設(shè)備時(shí)延分布Fig.4 Time delay distribution of router devices

圖5 PTN設(shè)備時(shí)延分布Fig.5 Time delay distribution of PTN devices

表2 PTN設(shè)備時(shí)延Table 2 Time delay of PTN devices

從表2可以看出，PTN設(shè)備以太網(wǎng)業(yè)務(wù)處理時(shí)延最大約30 μs，遠(yuǎn)小于SDH和路由器設(shè)備。業(yè)務(wù)穿通時(shí)延最大8 μs，與SDH基本一致。

4.2 光纖傳輸時(shí)延

光纖傳輸時(shí)延主要取決媒質(zhì)的折射率，信號(hào)經(jīng)過光纖的傳輸時(shí)延[20]可以表示為

τ=ncL

(10)

式中：c為空氣中的光速(3×105km/s)；n為光纖芯區(qū)折射率，典型值為1.48；L為傳輸距離，km。

根據(jù)公式(0)可計(jì)算出

τ=4.9 μm/km

(11)

因此光信號(hào)中的傳輸時(shí)延4.9μs/km，再考慮整個(gè)系統(tǒng)中再生器和復(fù)用器引入的少量時(shí)延，整個(gè)光纜系統(tǒng)所產(chǎn)生的時(shí)延可按照5μs/km考慮。

測(cè)試時(shí)2臺(tái)OTN設(shè)備之間分別采用1m尾纖和1 000km長(zhǎng)纖(含20個(gè)線路放大器、19個(gè)色散補(bǔ)償模塊)連接，使用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀通過OTN設(shè)備GE口發(fā)送1 000M雙向流量，2次測(cè)試結(jié)果相減，得出1 000km光纖的時(shí)延如表3所示。

表3 光纖傳輸處理時(shí)延
Table 3 Fiber transmission time delay

從表3可以看出，1 000 km光纖實(shí)際時(shí)延測(cè)試平均值為5.27 ms，比理論值多0.27 ms。

4.3 組網(wǎng)時(shí)延

4.3.1 SDH和路由器組網(wǎng)

SDH和路由器組網(wǎng)時(shí)延測(cè)試拓?fù)淙鐖D6所示。

圖6 SDH和路由器組網(wǎng)拓?fù)銯ig.6 Network topology of SDH and router devices

路由器和SDH通過GE口互聯(lián)，SDH之間通過STM-64 POS口互聯(lián)。NE1～NE4模擬區(qū)域骨干層的4個(gè)控制主站，NE5～NE8模擬區(qū)域接入層的4個(gè)執(zhí)行站。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀T1在NE1和NE8之間發(fā)送50 M測(cè)試流量，模擬控制站NE1和執(zhí)行站NE8之間的業(yè)務(wù)流量，中間經(jīng)過4級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)，如圖6中虛線所示；數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀T2在NE4和NE7之間發(fā)送400 M背景流量(20條20 M流量，混合包長(zhǎng))，模擬區(qū)域接入層業(yè)務(wù)流量；數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀T3在NE1和NE2之間發(fā)送4 G背景流量(400條10 M流量，混合包長(zhǎng))，模擬區(qū)域骨干層業(yè)務(wù)流量；網(wǎng)絡(luò)損傷儀T4在NE4和NE7之間模擬3 000 km條件下的線路時(shí)延和SDH設(shè)備穿通時(shí)延，線路時(shí)延按測(cè)試值5.27 ms/1 000 km，SDH穿通時(shí)延按測(cè)試值6.5 μs/節(jié)點(diǎn)，平均每100 km 1個(gè)節(jié)點(diǎn)[21]。網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)試結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，在3 000 km傳輸距離、4級(jí)路由條件下，SDH和路由器組網(wǎng)時(shí)延最大值約19.20 ms。

表4 SDH和路由器組網(wǎng)時(shí)延
Table 5 SDH and router network time delay

4.3.2 PTN組網(wǎng)

PTN組網(wǎng)時(shí)延測(cè)試拓?fù)淙鐖D6所示，測(cè)試條件不變，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 PTN組網(wǎng)時(shí)延
Table 5 PTN network time delay

從表5可以看出，在3 000 km傳輸距離、4級(jí)路由條件下，PTN組網(wǎng)時(shí)延最大值約16.58 ms，比SDH和路由器組網(wǎng)少2.62 ms，兩種組網(wǎng)均可以滿足各類電力生產(chǎn)業(yè)務(wù)信息的傳輸延時(shí)要求,PTN組網(wǎng)較SDH和路由器組網(wǎng)在時(shí)延方面具有優(yōu)勢(shì)。SDH和PTN在網(wǎng)絡(luò)可靠性及安全性方面有待進(jìn)一步研究和測(cè)試驗(yàn)證。

5 結(jié) 論

基于系統(tǒng)保護(hù)業(yè)務(wù)需求分析，通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括核心層、骨干層和接入層。核心層和骨干層帶寬不低于10 Gbps，接入層帶寬不低于1 Gbps。區(qū)域內(nèi)傳輸距離不超過3 000 km，采集信息通信時(shí)延不超過40 ms，控制信息通信時(shí)延不超過30 ms。控制主站和協(xié)控站通信設(shè)備均滿足“雙路由、雙設(shè)備、雙電源”的要求。提出了滿足系統(tǒng)保護(hù)業(yè)務(wù)需求的SDH和PTN兩種傳輸技術(shù)方案，并進(jìn)行了對(duì)比分析。通過實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，在 3 000 km傳輸距離、4級(jí)路由條件下，SDH和路由器組網(wǎng)時(shí)延和PTN組網(wǎng)時(shí)延均滿足系統(tǒng)保護(hù)業(yè)務(wù)需求。PTN組網(wǎng)在時(shí)延方面更具有優(yōu)勢(shì)，但兩種技術(shù)方案在網(wǎng)絡(luò)可靠性及安全性方面有待進(jìn)一步研究和測(cè)試驗(yàn)證。

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(編輯 劉文瑩)

Requirement and Communication Technology of System Protection

WANG Zhihui, WANG Yang, QIN Xuan, LI Yanbo, WANG Hu

(China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

With the rapid expansion of electrical power network, the existing “three lines of defense” strategy has been unable to meet the requirement of the complex power system security and stable operation. A new generation of large electric power integrated defense system is urgently necessary. Furthermore, It is required to build a high-speed, real-time, safe and reliable electric power communication network to support the system protection function, such as AC/DC control, pumped storage control, accurate load shedding, panoramic perception, etc. Based on the current situation of power communication network, firstly this paper analyses the business requirement of system protection including site distribution and information flow, transmission distance, channel bandwidth, and communication time delay. Secondly, this paper compares varies communication techniques and chooses two appropriate technologies to fulfill the system protection requirement. Finally, this paper carries out a test verification on time delay of two technology schemes, which provides a theoretical and practical reference for the construction of system protection communication network.

system protection; communication requirement; communication technology; test verification

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(系統(tǒng)保護(hù)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體制及關(guān)鍵技術(shù)研究)

TM 73

A

1000-7229(2017)05-0116-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2017.05.016

2017-03-20

王智慧(1981)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信技術(shù)研究與設(shè)備測(cè)試；

汪洋(1981)，男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)信息通信技術(shù)；

秦璇(1981)，女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信技術(shù)研究與設(shè)備測(cè)試；

李艷波(1982)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)測(cè)試；

王湖(1982)，男，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)測(cè)試。