張頡 ，吳鵬 ，王勝 ，王海 ，張?zhí)?，張凌浩

（1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072；2.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，江蘇 南京 210003）

1 引言

智能站對站內(nèi)通信傳輸進行網(wǎng)絡化處理，各類保護、測控、計量等裝置通過站內(nèi)的交換網(wǎng)絡進行信息傳遞，改變了傳統(tǒng)變電站內(nèi)各設備之間采用電纜進行模擬傳輸?shù)默F(xiàn)狀，極大地簡化了變電站內(nèi)的通信拓撲結構，實現(xiàn)了智能站內(nèi)各設備之間的信息共享[1]。根據(jù)IEC61850及變電站的實際通信需求，智能站的站內(nèi)通信流主要分為SV報文、GOOSE報文及MMS報文，SV報文主要處理各類采樣值數(shù)據(jù)，將各間隔、主變及母線的各類參數(shù)經(jīng)合并單元送給保護、測控、計量等設備，數(shù)據(jù)流表現(xiàn)為單向、快速傳輸，對通信時延要求極高[2]。變電站內(nèi)的開關發(fā)生變化，其狀態(tài)、位置信號及閉鎖信號將通過GOOSE報文傳遞到相應裝置，或者當保護裝置發(fā)布的跳閘命令也由跳閘GOOSE報文發(fā)送到相應的智能終端，GOOSE報文同樣要求快速、準確地傳輸?shù)侥康牡亍MS報文主要為站控層與間隔層之間以及站控層設備之間的通信傳輸報文，MMS報文對網(wǎng)絡時延要求沒有SV報文及GOOSE報文高[3]。

由于變電站的復雜結構，站內(nèi)大量的采樣信息需要進行實時采樣處理，要求變電站的通信網(wǎng)絡必須可靠、穩(wěn)定運行，且通信網(wǎng)絡具有極強的處理、轉(zhuǎn)發(fā)能力，對變電站的交換機處理能力有極高要求，方能滿足變電站內(nèi)的通信實時性要求。另一方面，隨著全光交換技術的發(fā)展與成熟，人們開始考慮將全光交換技術引入變電站[4]，由于全光交換避免了交換機內(nèi)部的光—電—光轉(zhuǎn)換，將提升交換機的處理能力，大大縮短了交換機內(nèi)的處理時間，將十分有利于變電站內(nèi)的實時通信傳輸。同時，由于全光傳輸不受周圍電磁環(huán)境干擾，全光交換也解決了變電站內(nèi)電傳輸?shù)母蓴_問題[5]。

2 面向智能站的全光交換組網(wǎng)方案

根據(jù)智能站的通信業(yè)務的具體特點和時延要求，全光交換網(wǎng)絡組網(wǎng)方案選用 “雙纖雙向環(huán)網(wǎng)”拓撲結構，由核心層、邊緣層和外圍終端接入層3部分組成，如圖1所示。其中，核心層由10個核心節(jié)點組成，其中1個節(jié)點為主節(jié)點，其余9個為從節(jié)點，主節(jié)點與從節(jié)點的1、2號端口依次相連，組成雙纖雙向環(huán)網(wǎng)結構。核心節(jié)點根據(jù)接收到的控制信息、路由策略及全網(wǎng)當前狀態(tài)為業(yè)務數(shù)據(jù)的傳輸配置正確鏈路。每個從節(jié)點的3～9號端口連接邊緣節(jié)點，每個從節(jié)點使用獨立的波長信道，并可在主干環(huán)網(wǎng)中對該波長信道的信號進行上下路功能。主節(jié)點具有對9個從節(jié)點使用的波長信道的波長進行轉(zhuǎn)換的能力和上下路功能。邊緣層由邊緣節(jié)點組成，對內(nèi)連接核心層的從節(jié)點，對外承接終端接入層的業(yè)務終端，實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)的接入/分類、數(shù)據(jù)匯聚/裝配、業(yè)務數(shù)據(jù)的調(diào)度和發(fā)送以及業(yè)務數(shù)據(jù)的接收和拆裝。終端接入層中，業(yè)務終端與邊緣節(jié)點相連，生產(chǎn)業(yè)務數(shù)據(jù)和接收來自其他終端的業(yè)務數(shù)據(jù)。

圖1 面向智能站的全光交換組網(wǎng)模型

在環(huán)網(wǎng)結構中，每個從節(jié)點分別占用一個獨立的波長信道，且各從節(jié)點采用的波長均不相同，從而保證各從節(jié)點的業(yè)務在物理上的隔離。各從節(jié)點的波長信道分配包括靜態(tài)配置和動態(tài)配置兩種方式。靜態(tài)配置方式，即系統(tǒng)預先為每個從節(jié)點指定一個固定的波長信道。比如，從節(jié)點SN 1采用波長信道 λ1、從節(jié)點SN 2采用波長信道 λ2、…、從節(jié)點SN 9采用波長信道λ9。這種配置方式的好處在于系統(tǒng)結構和管理控制較簡單，每個從節(jié)點只需要具備一個指定波長的上下路功能。動態(tài)配置方式，即系統(tǒng)可以根據(jù)網(wǎng)絡實際情況動態(tài)地為每個從節(jié)點分配一個波長信道，各從節(jié)點可采用波長信道λ1,λ2,…,λ9中的任意一個。動態(tài)方式對系統(tǒng)管理和控制的要求更高，需要一定的動態(tài)波長信道分配算法。在動態(tài)配置方式中，每個從節(jié)點需要具備任意波長的上下路功能，而相應的邊緣節(jié)點也需要具有波長可調(diào)諧的光收發(fā)器，這提高了系統(tǒng)成本和實現(xiàn)難度。

主節(jié)點結構由 4個1×2光開關、2個光環(huán)形器、2個1×9波導陣列光柵、18個光收發(fā)器和1塊FPGA處理板組成，如圖2所示。主節(jié)點實現(xiàn)對從節(jié)點使用的波長信道的波長轉(zhuǎn)換和9個波長的信號上下路功能，使數(shù)據(jù)可以在不同從節(jié)點之間進行傳輸。1、2號端口與其他節(jié)點相連構成環(huán)網(wǎng)。4個1×2光開關和2個環(huán)形器實現(xiàn)“雙纖雙向”的保護功能，2個1×9的AWG實現(xiàn)對9個波長的復用和解復用，主節(jié)點可接收來自9個從節(jié)點的不同波長信道的數(shù)據(jù)信號，并能通過相應的波長信道向不同的從節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖2 核心層主節(jié)點結構示意

從節(jié)點的結構如圖3所示，由4個1×2光開關、2個光環(huán)形器、1個光插分復用器（OADM）和1個多播交換矩陣組成。圖中的1、2號端口與其他節(jié)點相連構成環(huán)網(wǎng)，3～9號端口連接業(yè)務終端，是業(yè)務數(shù)據(jù)的輸入輸出端口，每個從節(jié)點最多可連接7個邊緣節(jié)點。與主節(jié)點相同，4個1×2光開關和2個環(huán)形器實現(xiàn)“雙纖雙向”的保護功能。OADM實現(xiàn)單波長通道的上下路功能，多播交換矩陣實現(xiàn)從節(jié)點的多播交換功能。每個從節(jié)點占用一個獨立的波長信道，從節(jié)點的波長信道分配包括靜態(tài)配置和動態(tài)配置兩種方式。

圖3 核心層從節(jié)點結構示意

邊緣節(jié)點的信號處理示意如圖4所示，業(yè)務終端發(fā)送的業(yè)務數(shù)據(jù)需要先進入邊緣節(jié)點進行分類、匯聚。在業(yè)務數(shù)據(jù)進入核心層實現(xiàn)光交換之前，均需要添加相應的標簽路由信息，從節(jié)點的控制平面根據(jù)相關路由信息配置光交換矩陣的交換狀態(tài)。在邊緣節(jié)點中，發(fā)送部分將各終端設備的業(yè)務數(shù)據(jù)首先進行業(yè)務匯聚，形成統(tǒng)一的業(yè)務數(shù)據(jù)格式。根據(jù)業(yè)務數(shù)據(jù)的特點，產(chǎn)生相應的光標簽信號，光交換矩陣的控制平面完成標簽中相關路由信息的識別，并控制光交換矩陣的狀態(tài)。已添加標簽信息的業(yè)務數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定的電域緩存控制和電光轉(zhuǎn)換，形成光分組數(shù)據(jù)，進入光交換矩陣進行光交換；接收部分將從節(jié)點發(fā)送的業(yè)務數(shù)據(jù)進行電光轉(zhuǎn)換至電域，經(jīng)過一定的電域緩存控制和標簽解析，實現(xiàn)業(yè)務的分類拆裝，最終發(fā)送給各目標業(yè)務終端。

3 核心層數(shù)據(jù)交換與保護

3.1 從節(jié)點內(nèi)部交換過程

當業(yè)務數(shù)據(jù)的源地址和目的地址在同一從節(jié)點內(nèi)部時，該業(yè)務數(shù)據(jù)可通過從節(jié)點中的光交換矩陣交換到相應的輸出端口，從而到達所需的目的終端。可以看出，該業(yè)務數(shù)據(jù)并不需要經(jīng)過環(huán)網(wǎng)進行傳輸和交換。

3.2 從節(jié)點經(jīng)環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換過程

圖4 邊緣節(jié)點信號處理示意

當業(yè)務數(shù)據(jù)的源地址和目的地址在不同的從節(jié)點內(nèi)部時，該業(yè)務數(shù)據(jù)需要經(jīng)過環(huán)網(wǎng)進行傳輸和交換。以連接從節(jié)點1的源業(yè)務終端向連接從節(jié)點6的目的業(yè)務終端發(fā)送業(yè)務數(shù)據(jù)為例，說明業(yè)務數(shù)據(jù)的傳輸和交換過程，參照圖1。

假設源業(yè)務數(shù)據(jù)由從節(jié)點1匯聚，使用λ1波長信道發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)從節(jié)點1的1號端口上路至環(huán)網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳送到主節(jié)點并經(jīng)過波分解復用器后，主節(jié)點的信號處理模塊對λ1波長信道的數(shù)據(jù)進行接收。經(jīng)過相應的處理后，主節(jié)點使用λ6波長信道轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)并上路至環(huán)網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳送至從節(jié)點6時，從節(jié)點可通過OADM對λ6波長信道的數(shù)據(jù)進行下路，通過從節(jié)點6處的光交換矩陣交換到相應的邊緣節(jié)點，邊緣節(jié)點經(jīng)光電轉(zhuǎn)換等步驟進行業(yè)務拆裝后，將業(yè)務數(shù)據(jù)送至目標業(yè)務終端。

3.3 從節(jié)點在環(huán)網(wǎng)光纖故障時的數(shù)據(jù)交換過程

10個核心層節(jié)點的1、2號端口之間順次連接構成環(huán)網(wǎng)，正常工作時環(huán)網(wǎng)中僅有1條光纖中沿同一方向傳輸信號，當環(huán)網(wǎng)的工作光纖中僅有一處發(fā)生斷裂等異常情況使信號不能正常到達目標節(jié)點時，可以逆向傳輸信號使通信正常完成，即“雙向保護”。當環(huán)網(wǎng)的工作光纖中有多處發(fā)生斷裂等異常情況，即使逆向傳輸也不能正常通信時，啟用備用光纖，信號從備用光纖中傳輸至目標業(yè)務終端，即“雙纖保護”。

下面結合節(jié)點結構做具體說明。如圖5所示，設1端口連接“工作光纖”，2端口連接“備用光纖”，正常情況下光信號僅從“工作光纖”中單向傳輸。當與OADM相連的A’、B’兩個1×2光開關的切換狀態(tài)分別為連接A、B環(huán)形器時，AA’連通、BB’連通，此時業(yè)務終端發(fā)出的光信號從“輸出 1/2端口”上路，從“輸入 1/2端口”下路；當 A’、B’兩個1×2光開關的切換狀態(tài)分別為連接B、A環(huán)形器時，AB’連通、BA’連通，此時業(yè)務終端發(fā)出的光信號從“輸入1/2端口”上路，從“輸出 1/2端口”下路。 A’、B’兩個 1×2光開關在這兩種組合狀態(tài)下（AA’&BB’或 AB’&BA’）切換，實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)中信號傳輸方向的順、逆時針切換，在環(huán)網(wǎng)中“工作光纖”僅發(fā)生1處異常時，可以使環(huán)網(wǎng)中信號逆向傳輸?shù)竭_目標終端，實現(xiàn)“雙向保護”。在網(wǎng)絡中“工作光纖”發(fā)生多處異常情況下，連接1、2號端口的2個1×2光開關可以切換連通狀態(tài)，實現(xiàn)光信號在“工作光纖”和“備用光纖”之間的倒換功能，實現(xiàn)“雙纖保護”。本方案中的“雙纖雙向”的兩重保護保證了電力業(yè)務數(shù)據(jù)的安全穩(wěn)定傳輸。

圖5 “雙纖雙向”保護說明

4 結束語

本文提出的一種針對智能站通信業(yè)務需求的全光交換網(wǎng)絡架構，由核心層、邊緣層與終端接入層組成。核心層由環(huán)形連接的多個節(jié)點組成，該節(jié)點將根據(jù)接收到的控制信息、路由策略及變電站內(nèi)的當前網(wǎng)絡狀態(tài)為業(yè)務數(shù)據(jù)配置正確路由，其中從節(jié)點使用獨立的波長信道，并在主干環(huán)網(wǎng)中對該波長信道的信號進行上下路功能，而主節(jié)點具有對其他從節(jié)點使用的波長信道的波長轉(zhuǎn)換能力和上下路功能。邊緣層內(nèi)接核心層的從節(jié)點，外接終端接入層的業(yè)務終端，完成終端業(yè)務數(shù)據(jù)的分類、匯聚，并生產(chǎn)交換需要的光標簽。

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