郝少華, 李 勇, 張鐵峰, 朱 瑪

(1. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 河北省保定市 071003; 2. 國(guó)網(wǎng)紹興供電公司, 浙江省紹興市 312000)

新一代智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)及管理系統(tǒng)方案

郝少華1, 李 勇2, 張鐵峰1, 朱 瑪2

(1. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 河北省保定市 071003; 2. 國(guó)網(wǎng)紹興供電公司, 浙江省紹興市 312000)

通過(guò)分析新一代智能變電站網(wǎng)絡(luò)管理的特點(diǎn)和功能需求,對(duì)電信網(wǎng)絡(luò)管理體系結(jié)構(gòu)和功能模型進(jìn)行裁剪,提出新一代智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的整體框架和功能部署方案。研發(fā)了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥詣?dòng)成圖、業(yè)務(wù)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)建、物理回路與虛回路相結(jié)合可視化等關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合紹興楓橋變電站工程實(shí)例,驗(yàn)證了方案的可行性。方案推廣應(yīng)用后,將提升智能變電站網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維能力,降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本。

智能變電站; 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò); 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng); 電信管理網(wǎng)

0 引言

通信網(wǎng)絡(luò)是智能變電站(下文簡(jiǎn)稱智能站)的重要組成部分,承擔(dān)著實(shí)時(shí)和可靠傳輸采樣值、斷路器分合狀態(tài),甚至是跳閘命令、時(shí)鐘同步信號(hào)等關(guān)鍵信息的重任[1],通信網(wǎng)絡(luò)管理在智能站運(yùn)維管理中的重要性日益突出。

傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀記錄業(yè)務(wù)報(bào)文,檢測(cè)報(bào)文編碼正確性、時(shí)序合理性及數(shù)據(jù)合法性,并通過(guò)報(bào)文離線回放復(fù)現(xiàn)問(wèn)題,不具備對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控分析并給出告警信息的功能。隨著數(shù)字化變電站的發(fā)展,開始向在線監(jiān)測(cè)[2]與故障診斷[3]和智能站高級(jí)應(yīng)用軟件[4]方向發(fā)展。

實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的前提是建立表征通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的信息模型。由于IEC 61850并未構(gòu)建交換機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息模型,文獻(xiàn)[1,5-6]研究了交換機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息模型,以期解決網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法直接獲取網(wǎng)絡(luò)和交換機(jī)狀態(tài)信息的問(wèn)題。

智能站虛擬二次回路(又稱虛回路)取代電纜硬回路導(dǎo)致信息不透明,且作為二次系統(tǒng)運(yùn)行配置依據(jù)的變電站配置描述(substation configuration description,SCD)文件龐大復(fù)雜,可閱讀性差。當(dāng)前的SCD文件可視化可顯示設(shè)備之間虛連接的配置信息和動(dòng)態(tài)運(yùn)行信息[7-8],但未顯示輸出虛端子的發(fā)送源和各輸出虛端子間的同源關(guān)系,也未顯示虛端子間的雙向交互情況。文獻(xiàn)[9]研究了面向設(shè)計(jì)和調(diào)試人員,從多視角圖形化查看各智能電子設(shè)備(intelligent electronic device,IED)的虛端子及其連接關(guān)系的方法,但未實(shí)現(xiàn)面向運(yùn)維人員的物理回路與虛回路相結(jié)合的可視化。

文獻(xiàn)[10]提出了SCD文件管控策略,以有效確定SCD文件升級(jí)時(shí)需同步升級(jí)配置的裝置。文獻(xiàn)[11]通過(guò)分析不同SCD文件版本中二次回路的差異,并進(jìn)行二次回路關(guān)聯(lián)性分析,用于指導(dǎo)改擴(kuò)建工程二次系統(tǒng)調(diào)試。文獻(xiàn)[12]提出了SCD集成配置解耦方法,以減少配置中更新迭代的次數(shù),提高集成效率。上述研究均側(cè)重于設(shè)計(jì)和配置SCD文件,未針對(duì)運(yùn)維環(huán)節(jié)做進(jìn)一步研究和討論。運(yùn)維人員使用和操作SCD文件存在較大困難,SCD文件的版本管理是困擾變電站運(yùn)維的棘手問(wèn)題[13]。采樣值(sampled value,SV)/面向通用對(duì)象的變電站事件(generic object oriented substation event,GOOSE)的業(yè)務(wù)配置需運(yùn)維人員根據(jù)業(yè)務(wù)配置圖,利用設(shè)備網(wǎng)管對(duì)各業(yè)務(wù)的節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行手工配置。改擴(kuò)建導(dǎo)致SCD文件變更后,虛擬局域網(wǎng)(virtual local area network,VLAN)仍需人工調(diào)整,工作反復(fù)冗雜。雖然組播注冊(cè)協(xié)議(GARP multicast registration protocol,GMRP)可減少人工配置工作量,但由于其可靠性及可控性較差,使用較少。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的使用對(duì)象是網(wǎng)絡(luò)維護(hù)部門和人員,很少面對(duì)通信業(yè)務(wù)使用單位和人員。重要業(yè)務(wù)的端到端及時(shí)保障、不同業(yè)務(wù)的主動(dòng)服務(wù)和差異化服務(wù)、在線監(jiān)測(cè)和被動(dòng)維護(hù)轉(zhuǎn)為預(yù)警監(jiān)測(cè)均需要拓展傳統(tǒng)網(wǎng)管系統(tǒng)應(yīng)用范圍。新一代智能變電站[14]在系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)備形態(tài)和關(guān)鍵技術(shù)方面均發(fā)生較大變化,為網(wǎng)絡(luò)管理帶來(lái)新契機(jī)。

本文利用電信管理網(wǎng)(telecom management network,TMN)體系結(jié)構(gòu)和功能模型,提出了適合新一代智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)(下文簡(jiǎn)稱網(wǎng)管系統(tǒng))的總體框架和功能部署方案,在新一代智能變電站網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,研發(fā)了具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自動(dòng)成圖、業(yè)務(wù)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)建、物理回路與虛回路相結(jié)合可視化等關(guān)鍵技術(shù)的網(wǎng)管系統(tǒng),效果良好。

1 新一代智能變電站自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

1.1 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

新一代智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)為自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò),其建立在以太網(wǎng)環(huán)境的基礎(chǔ)上,通過(guò)引入分組傳送網(wǎng)絡(luò)(packet transport network,PTN)、無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(passive optical network,PON)、高精度時(shí)間同步(precision time protocol,PTP)、并行網(wǎng)絡(luò)(parallel redundancy protocol,PRP)和專用業(yè)務(wù)網(wǎng)等技術(shù),對(duì)現(xiàn)行以太網(wǎng)進(jìn)行改造和提升;通過(guò)應(yīng)用PTN技術(shù)提高通信的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性;通過(guò)應(yīng)用PON技術(shù)提高系統(tǒng)的集成度和覆蓋能力;通過(guò)應(yīng)用PTP技術(shù)形成了亞微秒精度的同步測(cè)控環(huán)境;通過(guò)應(yīng)用PRP機(jī)制提高系統(tǒng)的可靠性和可用率,增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和生存能力;通過(guò)應(yīng)用專用業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)形成了一個(gè)能復(fù)用多種類型業(yè)務(wù)的統(tǒng)一物理網(wǎng)絡(luò)的通信平臺(tái)。

自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)具有以下3個(gè)重要特征:①網(wǎng)絡(luò)具備靈活的部署方式、彈性的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和良好的多業(yè)務(wù)支撐場(chǎng)景,不受電壓等級(jí)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞纫蛩叵拗?可同時(shí)滿足變電站內(nèi)過(guò)程層、區(qū)域性主動(dòng)配電網(wǎng)和廣域保護(hù)控制的通信需求;②網(wǎng)絡(luò)可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源最優(yōu)分配和傳輸路徑規(guī)劃,自適應(yīng)算法可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化轉(zhuǎn)發(fā)路徑,實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡和冗余路徑切換等功能,確保網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性;③天然支持IEC 61850標(biāo)準(zhǔn),可實(shí)現(xiàn)IED即插即用。只需SCD文件即可完成SCD文件定義的虛擬二次連線,真正做到網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)配置。

自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)主要由部署于用戶側(cè)的終端接入設(shè)備和光網(wǎng)絡(luò)單元(optical network unit,ONU)一體機(jī)、光分路器、部署于局端的交換機(jī)和光線路終端(optical line terminal,OLT)一體機(jī)組成,采用“1+1網(wǎng)絡(luò)路徑”保護(hù)模式,雙星形對(duì)稱的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有利于實(shí)施高精度時(shí)間同步技術(shù)并提高同步技術(shù)可靠性。將PTN引入智能站通信業(yè)務(wù)融合領(lǐng)域,針對(duì)IEC 61850業(yè)務(wù),可實(shí)現(xiàn)復(fù)用業(yè)務(wù)和業(yè)務(wù)隔離。自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of adaptive network system

1.2 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 統(tǒng)一物理網(wǎng)絡(luò)和獨(dú)立邏輯網(wǎng)絡(luò)

自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)在統(tǒng)一物理網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)資源可管理,實(shí)現(xiàn)了針對(duì)不同業(yè)務(wù)的邏輯網(wǎng)絡(luò),包括SV,GOOSE,以及制造報(bào)文規(guī)范(manufacturing message specification,MMS)和PTP等。

統(tǒng)一物理網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)為:物理上建立兩層一網(wǎng),全面實(shí)現(xiàn)所有IDE之間的互連互通,物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的雙星形,雙網(wǎng)絡(luò)互為備用。邏輯上具備強(qiáng)大的資源劃分能力,可為各重要功能分配獨(dú)立的邏輯網(wǎng)絡(luò),充分利用數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)、數(shù)據(jù)流整形、網(wǎng)絡(luò)資源獨(dú)享等技術(shù)保證數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性。統(tǒng)一物理網(wǎng)絡(luò)示意圖見附錄A圖A1。

獨(dú)立邏輯網(wǎng)絡(luò)通過(guò)采用時(shí)隙分配技術(shù)和交換機(jī)隧道技術(shù),將物理網(wǎng)根據(jù)業(yè)務(wù)需求分成N層獨(dú)立邏輯網(wǎng)絡(luò),每層邏輯網(wǎng)獨(dú)占預(yù)分配的隊(duì)列資源和數(shù)據(jù)緩存空間。

自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)部署實(shí)例如圖2所示。自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)終端為各種IED,交換機(jī)與OLT一體機(jī)是網(wǎng)絡(luò)的核心部分,由交叉矩陣組成,任意兩IED均可通過(guò)該矩陣實(shí)現(xiàn)互通。終端接入設(shè)備和ONU一體機(jī)和交換機(jī)與OLT一體機(jī)負(fù)責(zé)接入IED數(shù)據(jù),在終端接入設(shè)備和ONU一體機(jī)處為各類型數(shù)據(jù)提供專門的分類接口,如圖2所示,有GOOSE,SV,MMS,PTP等,分別接入控制、采樣、定值管理和時(shí)間同步數(shù)據(jù)。接入網(wǎng)絡(luò)通過(guò)分時(shí)復(fù)用技術(shù)復(fù)接上述業(yè)務(wù),與分類接口一起保證數(shù)據(jù)全速無(wú)瓶頸接入交叉矩陣。利用分組傳送技術(shù)實(shí)現(xiàn)的交叉矩陣按照業(yè)務(wù)需要在各終端之間建立交叉連接,并為每條交叉連接分配資源,建立一條連接確定、資源可保障的通信通道。通過(guò)組態(tài)和資源配置形成多個(gè)按業(yè)務(wù)類型劃分的專用業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)平面,如GOOSE,SV,MMS和PTP網(wǎng)絡(luò)平面,各業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)平面可以按照業(yè)務(wù)的特點(diǎn)組織網(wǎng)絡(luò)。為GOOSE和SV業(yè)務(wù)建立由專用通道組成的點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò),重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性;為MMS等管理類業(yè)務(wù)建立多點(diǎn)自學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò),重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)靈活接入和資源利用率,為時(shí)間同步業(yè)務(wù)專門劃分資源建立時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)。這種工業(yè)分組傳送網(wǎng)的復(fù)用方案可在同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)承載要求差別很大的業(yè)務(wù),適應(yīng)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳遞要求。

圖2 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)例Fig.2 Adaptive network example

1.2.2 共網(wǎng)共口和業(yè)務(wù)隔離

為實(shí)現(xiàn)SV,GOOSE和MMS報(bào)文在統(tǒng)一物理網(wǎng)絡(luò)上的共網(wǎng)共口傳輸,需嚴(yán)格控制SV/GOOSE/MMS報(bào)文在ONU和交換機(jī)內(nèi)的業(yè)務(wù)隔離。對(duì)ONU而言,可通過(guò)以太網(wǎng)TYPE字段識(shí)別SV,GOOSE和MMS報(bào)文類型,不同報(bào)文類型進(jìn)入獨(dú)占的報(bào)文緩存空間和隊(duì)列緩存空間。同一種報(bào)文類型內(nèi)部,SV/GOOSE根據(jù)應(yīng)用標(biāo)識(shí)(application identification,APPID)細(xì)分流,并對(duì)每一條細(xì)分流做入口限速。業(yè)務(wù)隔離示意圖見圖3。

圖3 業(yè)務(wù)隔離Fig.3 Service isolation

ONU上行PON口采用硬分時(shí)的方式,分別為SV/GOOSE/MMS提供上行傳輸窗口,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的嚴(yán)格隔離。交換機(jī)內(nèi)部為了滿足三網(wǎng)合一的要求,開發(fā)訪問(wèn)控制列表(acess control list,ACL)/偽線(pseudo wire,PW)/標(biāo)簽交換路徑(label switch path,LSP)/Buffer/Queue等幾種隔離技術(shù),保證了業(yè)務(wù)的安全隔離,實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)的安全隔離和延時(shí)抖動(dòng)的獨(dú)立性?；贏CL技術(shù)通過(guò)報(bào)文具體特征進(jìn)行業(yè)務(wù)識(shí)別,對(duì)于滿足需要的報(bào)文才允許進(jìn)入系統(tǒng),否則直接丟棄?；赑W/LSP的標(biāo)簽技術(shù)通過(guò)對(duì)業(yè)務(wù)添加不同的PW/LSP標(biāo)簽,使業(yè)務(wù)進(jìn)入不同業(yè)務(wù)隧道,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)在邏輯隧道上的完全隔離,避免了不同業(yè)務(wù)間的串?dāng)_?；贐uffer/Queue的技術(shù)通過(guò)Buffer/Queue管理以協(xié)調(diào)不同業(yè)務(wù)間的瞬態(tài)突發(fā),保證不同業(yè)務(wù)間的轉(zhuǎn)發(fā)且調(diào)度不受其他業(yè)務(wù)的影響,從而保證不同業(yè)務(wù)之間的延時(shí)抖動(dòng)不受其他業(yè)務(wù)的影響。

1.2.3 D-EPON系統(tǒng)

文獻(xiàn)[15]深入研究了電力二次設(shè)備在多種報(bào)文共口條件下接收與發(fā)送的優(yōu)化處理機(jī)制。自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)以EPON物理架構(gòu)為基礎(chǔ),GOOSE,SV和MMS數(shù)據(jù)報(bào)文同時(shí)到達(dá)時(shí),ONU端可根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)排隊(duì)復(fù)用時(shí)隙進(jìn)行上傳,稱為D-EPON系統(tǒng),其網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)接入關(guān)系見附錄A圖A2。

1.2.4 時(shí)延可測(cè)及時(shí)延可控

時(shí)延可測(cè)[16]是指SV報(bào)文在通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)端到端時(shí)延可測(cè),包括可變的芯片轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和固定的內(nèi)部光纖時(shí)延。在時(shí)延可測(cè)基礎(chǔ)上,配合高性能交換機(jī)和優(yōu)秀算法,充分利用多協(xié)議標(biāo)簽交換(multi-protocol label switching,MPLS)交換機(jī)的層次化服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)調(diào)度技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field-programmable gate array,FPGA)芯片可自定義編程的特點(diǎn),可以保證不同業(yè)務(wù)經(jīng)過(guò)不同優(yōu)先級(jí)隊(duì)列,各隊(duì)列獨(dú)占緩存,最終保證報(bào)文在確定時(shí)間內(nèi)到達(dá)目標(biāo)端口,實(shí)現(xiàn)報(bào)文在通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)間固定的功能。

2 新一代智能變電站網(wǎng)管系統(tǒng)

新一代智能變電站系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)備形態(tài)和關(guān)鍵技術(shù)為網(wǎng)管系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

2.1 網(wǎng)管系統(tǒng)概述

針對(duì)新一代智能變電站自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)管理的特點(diǎn)和功能需求,借鑒TMN體系結(jié)構(gòu)和功能模型的理論與方法,通過(guò)對(duì)模型和功能裁剪,可得到適合于新一代智能變電站網(wǎng)管系統(tǒng)的總體框架和功能部署方案。

TMN體系的網(wǎng)絡(luò)管理功能包括性能管理(performance management,PM)、配置管理(configuration management,CM)、故障管理(fault management,FM)、安全管理(security management,SM)和賬務(wù)管理(accounting management,AM)。由于變電站網(wǎng)絡(luò)不屬于運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò),AM需裁剪掉。TMN體系劃分的功能層由高到低依次為:事務(wù)管理層(business management layer,BML)、業(yè)務(wù)管理層(service management layer,SML)、網(wǎng)絡(luò)管理層(network management layer,NML)、網(wǎng)元管理層(element management layer,EML)和網(wǎng)元層(network element layer),網(wǎng)管系統(tǒng)的BML和SML被裁剪掉以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。因此,網(wǎng)管系統(tǒng)總體框架包含TMN所定義的PM,CM,FM和SM,并處于EML和NML兩層,即除了實(shí)現(xiàn)EML規(guī)定的所有網(wǎng)絡(luò)單元管理功能外,還實(shí)現(xiàn)了部分網(wǎng)絡(luò)管理層的功能。

網(wǎng)管系統(tǒng)提供完善的端到端網(wǎng)絡(luò)管理,并能通過(guò)內(nèi)置網(wǎng)元管理模塊實(shí)現(xiàn)與本地維護(hù)終端(local craft terminal,LCT)相同的單站本地管理和維護(hù)功能。網(wǎng)管系統(tǒng)基于分布式、多進(jìn)程、跨平臺(tái)和模塊化設(shè)計(jì),是統(tǒng)一管理PTN產(chǎn)品的廠商級(jí)網(wǎng)管平臺(tái),可提高設(shè)備運(yùn)維效率,降低用戶運(yùn)維成本。

2.2 總體框架

網(wǎng)管系統(tǒng)通過(guò)直觀且用戶友好的界面,實(shí)現(xiàn)設(shè)備配置管理、端到端業(yè)務(wù)管理、拓?fù)涔芾?、告警管理、性能管理和安全管理等各方面網(wǎng)管功能。網(wǎng)管系統(tǒng)通過(guò)南向接口完成各類被管理設(shè)備的配置和維護(hù),同時(shí)向上提供北向接口以滿足電力系統(tǒng)上層服務(wù)的對(duì)接要求。網(wǎng)管系統(tǒng)總體框架見附錄B圖B1。

交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)可由網(wǎng)管系統(tǒng)事先從底層劃分為多個(gè)業(yè)務(wù)網(wǎng),不同業(yè)務(wù)網(wǎng)的配置信息相互隔離,通信數(shù)據(jù)和通信質(zhì)量互不干擾。同時(shí)劃分專用于網(wǎng)管數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)管專用網(wǎng)絡(luò)(稱為零號(hào)網(wǎng)絡(luò)),零號(hào)網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)交換機(jī)端口需空出可供零號(hào)網(wǎng)絡(luò)使用的帶寬。

網(wǎng)管系統(tǒng)可根據(jù)用戶不同需求,采取不同部署方案。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時(shí),單服務(wù)器緊湊型部署方案更加簡(jiǎn)便和經(jīng)濟(jì),緊湊型部署示意圖見附錄B圖B2。由于變電站內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜?jiǎn)單固定,即兩臺(tái)中心設(shè)備管理若干ONU,數(shù)據(jù)通信網(wǎng)采用二層交換機(jī)方式組建。

2.3 主要功能模塊

智能網(wǎng)絡(luò)集中管控平臺(tái)包括了業(yè)務(wù)管理、拓?fù)涔芾?、配置管理、安全管理、故障管理、性能管理、系統(tǒng)管理、維護(hù)管理和統(tǒng)計(jì)管理等功能模塊,主要功能模塊見附錄B圖B3。

拓?fù)涔芾硪晕锢硗負(fù)渥詣?dòng)構(gòu)圖關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)元和設(shè)備間段的光纖鏈接,即拓?fù)?、段和保護(hù)環(huán)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn),簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建操作。提供分級(jí)的域、子網(wǎng)、網(wǎng)元結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的有效導(dǎo)航和管理。支持主拓?fù)湟晥D、業(yè)務(wù)視圖、時(shí)鐘視圖等多視圖功能,滿足用戶的信息掌握需求。

業(yè)務(wù)管理實(shí)現(xiàn)了GOOSE,SV和MMS業(yè)務(wù)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和端到端業(yè)務(wù)管理。業(yè)務(wù)多級(jí)路徑視圖可通過(guò)可視化方式展示端到端業(yè)務(wù)在不同層次的邏輯關(guān)系,使用戶對(duì)業(yè)務(wù)的管理更加清楚和方便。根據(jù)用戶的選擇可靈活構(gòu)建業(yè)務(wù),包括自動(dòng)最優(yōu)路徑選擇、標(biāo)簽自動(dòng)計(jì)算、業(yè)務(wù)保護(hù)實(shí)現(xiàn)等,使復(fù)雜的創(chuàng)建業(yè)務(wù)的過(guò)程變得簡(jiǎn)單、可靠、高效。支持通過(guò)對(duì)實(shí)際設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行反向計(jì)算,以重構(gòu)用戶業(yè)務(wù),從而使重構(gòu)和恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)更加簡(jiǎn)便。GOOSE業(yè)務(wù)管理實(shí)現(xiàn)界面見附錄B圖B4。

業(yè)務(wù)管理可提供用戶創(chuàng)建、刪除、過(guò)濾、刷新、激活和去激活等操作功能,并提供查看業(yè)務(wù)拓?fù)湔故?、路由信息、虛擬業(yè)務(wù)邏輯端口信息、交叉連接信息。SV和GOOSE業(yè)務(wù)還可查看不完整信息、發(fā)送控制塊、通道列表和虛端子列表信息。

故障和性能管理支持告警和性能的快速查詢并定位到端到端對(duì)象,支持基于不同類型和對(duì)象的告警、性能及事件的圖形化統(tǒng)計(jì)分析,并提供長(zhǎng)期性能的監(jiān)視和分析,支持對(duì)告警狀態(tài)、級(jí)別和規(guī)則進(jìn)行有效管理,并進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析和故障定位。

3 網(wǎng)管系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 物理拓?fù)渥詣?dòng)成圖

現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌阉鞣椒╗17]和網(wǎng)絡(luò)管理工具可實(shí)現(xiàn)三層或二層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的拓?fù)渥R(shí)別,但無(wú)法動(dòng)態(tài)獲取變電站中二層交換機(jī)和所連接IED間的拓?fù)潢P(guān)系[18]。

網(wǎng)管系統(tǒng)通過(guò)使能多點(diǎn)控制協(xié)議(multi-point control protocol,MPCP)發(fā)現(xiàn),中心設(shè)備向ONU設(shè)備定時(shí)發(fā)送注冊(cè)報(bào)文,未注冊(cè)的ONU應(yīng)答,網(wǎng)管系統(tǒng)收到應(yīng)答后可自動(dòng)注冊(cè)或由用戶確認(rèn)是否注冊(cè)。當(dāng)ONU完成注冊(cè)及授權(quán)或者解注冊(cè)時(shí),中心設(shè)備上報(bào)事件到網(wǎng)管系統(tǒng),或者網(wǎng)管系統(tǒng)通過(guò)命令向中心設(shè)備查詢ONU的注冊(cè)及授權(quán)狀態(tài)。上報(bào)事件或者響應(yīng)消息包含各ONU的VLAN、MAC地址、IP地址、狀態(tài)、類型和PON口(I/O)等信息。

網(wǎng)管系統(tǒng)利用實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)和信息,自動(dòng)生成網(wǎng)絡(luò)連接圖,并以可視化形式展示中心設(shè)備、ONU和IED之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。物理拓?fù)渥詣?dòng)構(gòu)圖實(shí)現(xiàn)界面見附錄C圖C1。

3.2 SV/GOOSE業(yè)務(wù)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)與配置

網(wǎng)管系統(tǒng)在導(dǎo)入和分析SCD文件基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)與配置。當(dāng)SCD文件發(fā)生變化時(shí),網(wǎng)管系統(tǒng)自動(dòng)將變化的SCD文件與現(xiàn)有業(yè)務(wù)進(jìn)行比較,自動(dòng)修改和完善現(xiàn)有業(yè)務(wù)。通過(guò)簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)配置操作,提高業(yè)務(wù)連接的可操作性和維護(hù)性,實(shí)現(xiàn)真正意義上的業(yè)務(wù)自動(dòng)配置。

圖4所示為導(dǎo)入和分析SCD文件流程圖。當(dāng)SCD文件導(dǎo)入成功后,網(wǎng)管系統(tǒng)分析SCD文件中的APPID、業(yè)務(wù)類型、發(fā)布者IED和訂閱者IED,生成一系列四元組{APPID,業(yè)務(wù)類型,發(fā)布IED,訂閱IED}。提示內(nèi)容分為業(yè)務(wù)接收端缺失、業(yè)務(wù)接收端冗余和業(yè)務(wù)連接完整。業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)和提示內(nèi)容實(shí)現(xiàn)界面見附錄C圖C2、圖C3。

當(dāng)網(wǎng)管系統(tǒng)接收到業(yè)務(wù)消息時(shí),其業(yè)務(wù)自動(dòng)配置處理流程如圖5所示。網(wǎng)管系統(tǒng)可根據(jù)業(yè)務(wù)類型和業(yè)務(wù)APPID查詢SCD文件解析出的列表,確定業(yè)務(wù)消息的源端和宿端,為虛擬業(yè)務(wù)邏輯接口設(shè)置默認(rèn)帶寬,校驗(yàn)QoS,并計(jì)算路由,為每條業(yè)務(wù)分配唯一可用的VLAN。最后配置下發(fā)業(yè)務(wù)APPID,QoS和業(yè)務(wù)VLAN至硬件,從而建立發(fā)送IED和訂閱IED的端到端業(yè)務(wù)連接,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)自動(dòng)配置。

業(yè)務(wù)創(chuàng)建界面分為手動(dòng)和自動(dòng)創(chuàng)建,手動(dòng)創(chuàng)建可選擇源網(wǎng)元、宿網(wǎng)元、鏡像網(wǎng)元及端口,自動(dòng)創(chuàng)建是根據(jù)業(yè)務(wù)報(bào)文上報(bào)網(wǎng)管后,網(wǎng)管從SCD文件中解析出源網(wǎng)元、宿網(wǎng)元及端口號(hào),網(wǎng)管系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算全局VLAN,自動(dòng)生成業(yè)務(wù)配置。業(yè)務(wù)創(chuàng)建界面實(shí)現(xiàn)見附錄C圖C4。

3.3 物理回路與虛回路相結(jié)合可視化

通過(guò)物理回路自動(dòng)構(gòu)圖,可獲取物理網(wǎng)絡(luò)連接信息。通過(guò)業(yè)務(wù)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)建過(guò)程,可建立物理網(wǎng)絡(luò)連接信息和SCD文件中虛回路信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)采用IEC 61850對(duì)全站設(shè)備表征網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的運(yùn)行參數(shù)(如端口狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)流量分析等)進(jìn)行建模,在高精度時(shí)鐘保障下,直接對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與分析,以時(shí)間為線索,將通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)分別從源、目的提取時(shí)間信息、報(bào)文信息,并旁路給軟硬件分析,真實(shí)再現(xiàn)業(yè)務(wù)在系統(tǒng)中的傳遞軌跡,使得整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)真實(shí)可視。

圖4 導(dǎo)入和分析SCD文件流程Fig.4 Flow chart for importing and analyzing SCD file

圖5 業(yè)務(wù)自動(dòng)配置流程Fig.5 Flow chart of automatic service configuration

在物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?可進(jìn)一步圖形化展示SV,GOOSE和MMS業(yè)務(wù)的流向,即業(yè)務(wù)通信回路。附錄C圖C5所示為GOOSE業(yè)務(wù)的物理回路與虛回路相結(jié)合可視化的展示,光纖內(nèi)數(shù)據(jù)流可視化,光纖網(wǎng)絡(luò)和虛回路變得透明,不再是黑盒形式。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在介紹自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上,提出了網(wǎng)管系統(tǒng)總體框架、功能部署方案,研發(fā)了網(wǎng)管系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自動(dòng)成圖、業(yè)務(wù)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)建、物理回路與虛回路相結(jié)合可視化等關(guān)鍵技術(shù)。紹興楓橋智能站工程實(shí)例驗(yàn)證了所述方案的可行性。

網(wǎng)管系統(tǒng)的下一步研究方向包括以下幾個(gè)方面。

1)研究網(wǎng)管系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中的管理接口問(wèn)題,以確保資源信息獲取的豐富性、準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

2)研究網(wǎng)管系統(tǒng)功能標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)分析方法標(biāo)準(zhǔn)化和版本化管理,并建立與網(wǎng)管系統(tǒng)相適應(yīng)的維護(hù)制度。

3)隨著基于大數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)管理、基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(network function virtualization,NFV)的網(wǎng)絡(luò)管理、智能Agent和基于移動(dòng)終端的網(wǎng)絡(luò)管理等新型網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的發(fā)展,可在適當(dāng)時(shí)機(jī)加以采納。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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Scheme of Communication Network and Network Management System for New Generation Smart Substation

HAOShaohua1,LIYong2,ZHANGTiefeng1,ZHUMa2

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2. State Grid Shaoxing Power Supply Company, Shaoxing 312000, China)

After the characteristics and functional demands for network management in the new generation smart substation are analyzed, the overall framework and function deployment scheme of the communication network management system are proposed by cutting down the architecture and functional model of the telecommunication network management system. The key technologies of the network topology automatic mapping, service of automatic discovery and creation, visualization of physical loop and virtual loop are also developed. With the Fengqiao substation project in Shaoxing City as an example, the feasibility of the proposed scheme is verified. After the scheme is widely used, the capabilities are enhanced and the costs are reduced in the operation and maintenance management system.

This work is supported by State Grid Corporation of China (No. SGZJ0000BGJS1600324).

smart substation; adaptive network; network management system; telecommunication management network

2016-12-23;

2017-04-20。

上網(wǎng)日期: 2017-07-21。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(SGZJ0000BGJS1600324)。

郝少華(1993—),男,通信作者,碩士研究生,主要研究方向:變電站自動(dòng)化運(yùn)行與管理。E-mail：haoshaohuancepu@163.com

李 勇(1981—),男,工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。

張鐵峰(1974—),男,副教授,主要研究方向:電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。

(編輯 章黎)