王瑋

（國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，江蘇 南京 210003）

1 引言

IEC61850標準是基于通用網(wǎng)絡通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)國際標準，通過對設備的一系列規(guī)范化，使其形成一個規(guī)范的輸出，實現(xiàn)系統(tǒng)的無縫連接。智能變電站自動化系統(tǒng)建立在IEC61850通信技術規(guī)范基礎上，按分層分布式來實現(xiàn)站內(nèi)智能電氣設備間的信息共享和互操作性，在邏輯功能上由站控層、間隔層和過程層3層設備組成。目前工程實踐中，智能變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡一般采用物理上獨立的站控層網(wǎng)絡和過程層網(wǎng)絡。站控層網(wǎng)絡用于連接站控層設備和間隔層設備，過程層網(wǎng)絡用于連接過程層設備和間隔層設備。為了保證網(wǎng)絡的可靠性，每層網(wǎng)絡通常會采用冗余的雙星型拓撲。過程層網(wǎng)絡又會分為獨立的GOOSE(generic object oriented substation event)網(wǎng)和 SV(sampled measured value)網(wǎng)。

“共網(wǎng)共口”是指智能變電站通信網(wǎng)絡不再分為獨立的站控層網(wǎng)絡與過程層網(wǎng)絡，而是構(gòu)建站內(nèi)一體化高速通信網(wǎng)絡，并且同一臺IED （intelligent electronic device）的GOOSE、SV及MMS業(yè)務報文共用一個以太網(wǎng)端口連接至該通信網(wǎng)絡。構(gòu)建基于“共網(wǎng)共口”的站內(nèi)一體化高速通信網(wǎng)絡，是新一代智能變電站通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。

“共網(wǎng)共口”技術的理論依據(jù)介紹如下。

·共網(wǎng)技術。通過VLAN(virtual local area network)和動態(tài)多播協(xié)議按照實際要求劃分多個多播子網(wǎng)，將業(yè)務報文進行安全隔離。

·共口技術。根據(jù)國家電網(wǎng)公司相關技術規(guī)范，IED發(fā)送SV的抖動不能超過10 μs，發(fā)送GOOSE的時延不能超過3 ms。當SV、GOOSE、MMS共纜傳輸時，先將SV發(fā)送優(yōu)先級置為最高，GOOSE次之、MMS最低，或者采用分時傳輸?shù)姆绞絹肀ＷC共纜傳輸?shù)膶崟r性與可靠性。

2 VLAN+分時傳輸方法

在智能變電站中，SV和GOOSE數(shù)據(jù)是多播發(fā)送的，交換機會將SV和GOOSE數(shù)據(jù)廣播傳送，所有的智能設備都會收到相關數(shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)卡的過濾傳送給應用模塊，所以SV和GOOSE的網(wǎng)絡負載會對整個網(wǎng)絡上的智能設備產(chǎn)生影響。

根據(jù)理論計算，過程層采樣值通信流量只占用100 Mbit/s端口的4%左右，過程層網(wǎng)絡中GOOSE報文的流量遠遠小于采樣值的流量。目前智能變電站中，1個間隔的SV流量不會超過5 Mbit/s，一個間隔的GOOSE流量不會超過0.1 Mbit/s。假設整個變電站有30個間隔，考慮到GOOSE報文的流量遠遠小于采樣值的流量，那么過程層網(wǎng)的負載不會超過150 Mbit/s。百兆網(wǎng)無法負擔，如果采用吉比特網(wǎng)，過程層網(wǎng)絡的負載不會超過15%，這個流量對于交換機來說比較輕松，但對于保護、測控等智能設備而言就是一個不小的流量，需要采取措施來降低過程層網(wǎng)絡的負載。目前常用VLAN或者多播注冊協(xié)議（GMRP）將過程層數(shù)據(jù)按照間隔進行隔離，控制過程層數(shù)據(jù)的流量，降低過程層數(shù)據(jù)對智能設備的影響，使得共網(wǎng)成為可能。

圖1是基于VLAN實現(xiàn)共網(wǎng)的示意。VLAN技術將物理網(wǎng)絡劃分為多個邏輯子網(wǎng)，從而減少網(wǎng)絡帶寬占用，抑制網(wǎng)絡風暴。GMRP技術可以動態(tài)構(gòu)成多個多播子網(wǎng)，從而達到類似VLAN劃分的結(jié)果。GMRP僅對SV、GOOSE有效，對MMS無效，因此一般首先利用VLAN技術，大致劃分為幾個大的邏輯子網(wǎng)，至少將MMS獨立出去，然后在同一個VLAN中，再利用GMRP自動構(gòu)成多播子網(wǎng)。

變電站內(nèi)SV、GOOSE、MMS業(yè)務以共口方式從設備中傳輸時，先將SV發(fā)送優(yōu)先級設置為最高，GOOSE次之，MMS最低。如果某個優(yōu)先級很低的大報文正在發(fā)送中，而SV報文發(fā)送時刻到了。此時，是不可能取消正在進行的發(fā)送任務的，只能等待。

因此，比較可靠的方式是采用分時傳輸，工程應用中直采 SV采樣率為 4 kHz，如圖2所示，將時間片以250 μs為單位進行劃分，對于每個時間片，進一步劃分為如下兩個子片。

· 子片 1：0～50 μs，專供 SV發(fā)送用，不得占用。

· 子片 2：50～250 μs，供 GOOSE、MMS 使用。

為了保證GOOSE實時性，應采用優(yōu)先級調(diào)度，將GOOSE存儲到高優(yōu)先級發(fā)送隊列中，只有該隊列為空時，才考慮MMS發(fā)送。圖2為共口傳輸基本模型。

圖1 基于VLAN實現(xiàn)共網(wǎng)示意

圖2 分時傳輸共口傳輸基本模型

考慮智能終端上送信號均帶有變位時標，所以GOOSE的發(fā)送時延并不對間隔層設備的遙信分辨率造成影響。GOOSE重傳機制中變位發(fā)送間隔一般設置為2 ms，所以兩幀SV之間插入2幀GOOSE發(fā)送不會造成報文的積累問題。

3 波長映射方法

波分復用（wavelength division multiplexing，WDM）是提高一根光纖傳輸容量的主要技術，類似于無線電系統(tǒng)中的頻分復用技術。它將多個不同波長的光載波信號（攜帶各種不同信息）在發(fā)送端經(jīng)復用器（multiplexer）匯合在一起，并耦合到同一根光纖中進行傳輸，在接收端使用解復用器（de-multiplexer）將各個波長的光載波分離，然后由光接收機進行進一步的處理以恢復原始信號。只要相鄰波長信道的間隔距離足夠遠，不同的波長信道之間就不會產(chǎn)生相互干擾，因此在一根光纖中可實現(xiàn)多路光信號的復用傳輸。另外，雙向傳輸可將兩個方向的信號分別安排在不同的波長上實現(xiàn)。

如圖3所示，將波長等效于電交換機內(nèi)的轉(zhuǎn)發(fā)隊列，不同業(yè)務映射至不同波長，不同種業(yè)務之間互不干擾，同種業(yè)務在交換單元內(nèi)采用先進先出的調(diào)度策略。

目前網(wǎng)絡交換設備基于處理電信號的以太網(wǎng)核心交換芯片、采用“存儲—轉(zhuǎn)發(fā)”網(wǎng)絡交換模式。全光交換技術是指不經(jīng)過任何光/電轉(zhuǎn)換，將輸入端光信號直接交換到任意光輸出端。傳統(tǒng)的電交換在帶寬、互連密度、時鐘歪斜、能耗、抗干擾能力等方面均受到限制，即存在“電子瓶頸”。全光交換技術不僅能消除互連交換系統(tǒng)中的光電信號轉(zhuǎn)換帶來的性能損失，極大地提高互連交換性能，更重要的是能極大地提高互連交換的密度，具有帶寬巨大、傳輸透明、低時延、可擴展、可重構(gòu)、低功耗、高可靠性的特點，是解決傳統(tǒng)電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)現(xiàn)存問題的一種理想技術。

如圖4所示，通過邊緣節(jié)點，全光交換網(wǎng)絡可以與普通電交換IP網(wǎng)絡互聯(lián)，邊緣節(jié)點分為發(fā)送部分和接收部分。發(fā)送部分的主要功能為：邊緣端口從傳統(tǒng)以太網(wǎng)接收IP數(shù)據(jù)分組，經(jīng)過FIFO進行速率匹配后接入業(yè)務識別和分類模塊，根據(jù)業(yè)務類型及路由信息將它們進行分類，之后進行二次封裝并生成光分組頭編碼，最后經(jīng)過E/O轉(zhuǎn)換復用到WDM光纖。接收部分的主要功能為：來自WDM光纖的數(shù)據(jù)通過解復用器，經(jīng)過O/E轉(zhuǎn)換后進行光分組頭解碼，將數(shù)據(jù)分組解封裝還原成IP分組，之后根據(jù)路由信息分發(fā)到對應的邊緣端口。

圖3 業(yè)務波長映射及交換示意

圖4 邊緣節(jié)點對業(yè)務進行預處理

在光信號進入如圖5所示的交換節(jié)點后，首先通過一個波分復用器進行波長解復用。各波長的光信號經(jīng)過一個10∶90的光耦合器，10%的輸出端口與控制模塊連接用于光分組頭提取和處理，90%的輸出端口與FDL連接用于等待緩存和交換判決以及光開關所需的切換響應時間?？刂颇K提取光分組中的目標MAC地址和長度等信息，控制模塊上的緩存管理模塊和交換管理模塊分別控制光緩存單元和光交換矩陣，將光分組業(yè)務和光波長業(yè)務正確交換到所需的輸出端口和波長。對于光分組業(yè)務，如果兩路及以上的光分組業(yè)務同時到達，且需要從同一端口的統(tǒng)一波長輸出，則會出現(xiàn)分組沖突，根據(jù)沖突解決算法，控制各路信號支路上的OBU，為各波長上的光分組信號選擇合適的光時延支路解決光分組沖突。經(jīng)過緩存后的光分組信號，經(jīng)過光開關交換矩陣交換到所需的輸出端口和輸出波長上繼續(xù)傳輸。

邊緣節(jié)點針對某些傳統(tǒng)設備如智能變電站測控裝置使用同一網(wǎng)口進行業(yè)務混傳的問題，實現(xiàn)了電交換網(wǎng)絡中的業(yè)務分類，進入全光交換網(wǎng)絡后，業(yè)務承載于獨立的波長，之間互不干擾，在經(jīng)過交換節(jié)點時通過光解復用模塊將不同波長上的數(shù)據(jù)業(yè)務送入不同的光交換電路，完成后再通過光復用模塊復用至光纖上，直至業(yè)務數(shù)據(jù)從邊緣節(jié)點離開全光網(wǎng)絡。變電站業(yè)務可以在同一全光網(wǎng)絡中通過不同波長實現(xiàn)變電站統(tǒng)一網(wǎng)絡，實現(xiàn)MMS、SV、GOOSE共網(wǎng)共口并且完全物理隔離。

4 結(jié)束語

本文研究了變電站共網(wǎng)共口傳輸實現(xiàn)方法，首先研究了基于時分復用的VLAN+分時傳輸?shù)姆椒?，然后研究了基于波分復用的將業(yè)務映射至不同波長的波長映射方法，并在此基礎上重點研究了基于全光交換的共網(wǎng)共口傳輸方法。采用全光交換技術，通過邊緣預處理設備可以實現(xiàn)變電站共網(wǎng)共口傳輸，同時避免了通信網(wǎng)絡各個節(jié)點上的多次光—電轉(zhuǎn)換，具有高實時性、高可靠性、低功耗和業(yè)務物理隔離功能，可以為構(gòu)建智能變電站站內(nèi)一體化高速通信網(wǎng)絡方案提供技術支撐。

圖5 交換節(jié)點

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