步超倫，葉通，吳鵬，張小建，吳軍民（.上海交通大學區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室，上海0040；.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，南京0003）

智能變電站光交換網(wǎng)絡的實現(xiàn)

步超倫1，葉通1，吳鵬2，張小建2，吳軍民2
（1.上海交通大學區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)
國家重點實驗室，上海200240；2.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，南京210003）

摘要：針對智能變電站通信網(wǎng)絡中業(yè)務傳輸時延和時延抖動較大的問題，設計了一種新型類似無源光網(wǎng)絡（PON）結(jié)構(gòu)的分布式環(huán)形光交換網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。針對智能變電站中的各類電力業(yè)務設計了相應的調(diào)度算法，并通過仿真實驗驗證了算法的性能。

關鍵詞：智能變電站；全光交換；無源光網(wǎng)絡；調(diào)度算法

0　引言

隨著我國電力建設事業(yè)的迅猛發(fā)展，智能變電站的完善變得越來越重要，其核心技術之一是網(wǎng)絡通信技術。目前國內(nèi)智能變電站網(wǎng)絡主要基于變電站網(wǎng)絡通信和IEC61850系列標準建設[1,2]，采用工業(yè)以太網(wǎng)電交換機進行過程層通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡體系設計，規(guī)模一般為5臺電交換機，每臺18個百兆端口，4個千兆端口。交換機之間通過千兆端口互連，百兆端口直接接入智能變電站的電網(wǎng)業(yè)務，所有端口的使用率約為70%。1臺中心交換機連接其余4臺交換機，每臺交換機連接12臺電氣設備，每4臺設備組成1個間隔，一個間隔類似于1個小的局域網(wǎng)。此外，中心交換機還需要連接母差保護（負責管理智能變電站中所有節(jié)點的核心設備），所有設備都要與母差保護進行通信。

為改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，政府于1996年開始在糧食主產(chǎn)區(qū)集中連片地建設“穩(wěn)定高產(chǎn)”的大型商品糧生產(chǎn)基地。

為了提高網(wǎng)絡的實時性，文獻[3，4]從提高網(wǎng)絡傳輸速率和調(diào)整組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，分析了智能變電站的通信網(wǎng)絡，但這只能在一定程度上緩解現(xiàn)有系統(tǒng)實時性不足的問題，無法從根本上解決業(yè)務時延和抖動的缺陷[5，6]。因此，本文引入光交換技術，將無源光網(wǎng)絡技術應用到智能變電站通信系統(tǒng)中，提出一種新型的光智能變電站通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)于2013年12月3日發(fā)布了國際學生評估項目(PISA)2012測試結(jié)果，在參加測試的國家和地區(qū)中，上海學生做家庭作業(yè)和完成老師布置作業(yè)的時間居第一位，平均每周800多分鐘，是香港、澳門、臺北的2倍多，更是韓國、芬蘭、捷克等國的4倍多。[13]

1　智能變電站通信需求

目前，智能變電站通信系統(tǒng)大多基于IEC61850標準定義的數(shù)據(jù)接口模型，采用“三層設備，兩層網(wǎng)絡”結(jié)構(gòu)，設備裝置根據(jù)需要實現(xiàn)的功能不同被分為站控層、間隔層和過程層設備，層與層設備間的信息交換是通過站控層網(wǎng)絡和過程層網(wǎng)絡實現(xiàn)的。本文主要研究智能變電站過程層網(wǎng)絡中的電網(wǎng)業(yè)務，即GOOSE業(yè)務和SV業(yè)務。

我們采用輪詢的方式來調(diào)度周期業(yè)務，并針對SV業(yè)務和GOOSE中心跳業(yè)務的特征，對輪詢調(diào)度算法進行了相應的改進，使其能更符合智能變電站的要求。以心跳業(yè)務為例，其輪詢調(diào)度算法如圖3所示。

SV業(yè)務即采樣值業(yè)務，包括一些模擬量，如電流和電壓。在智能變電站中通常使用電子互感器就地采樣電流和電壓，然后按一定格式傳給間隔層設備和母差。SV業(yè)務也是一種周期性業(yè)務，其對可靠性和實時性的要求與心跳業(yè)務類似，時延不能超過10μs，但相比心跳業(yè)務,SV業(yè)務的業(yè)務量更大,每秒能達4000幀。

2　分布式環(huán)形光交換網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

為判斷調(diào)度算法是否符合實時性要求，我們對該算法進行仿真。

圖1　分布式環(huán)形光交換結(jié)構(gòu)

圖1中，母差保護/故障錄播類似于PON中的OLT，需要與其它所有節(jié)點交換信息，而環(huán)上的每個節(jié)點類似于PON中的ONU。每4臺電氣設備組成1個間隔掛在節(jié)點上。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，每個節(jié)點都采用雙向發(fā)送的方式，確保母差和其它節(jié)點都能收到數(shù)據(jù)。環(huán)在母差處斷開，保證發(fā)送的數(shù)據(jù)不會一直存留在環(huán)上影響后續(xù)數(shù)據(jù)。節(jié)點結(jié)構(gòu)和母差結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖2（a）可以看出，針對智能變電站通信網(wǎng)絡中的兩大類業(yè)務，我們采用物理方式進行隔離，即用兩種不同波長λ0和λ1分別傳送SV和GOOSE兩種不同的業(yè)務。光節(jié)點結(jié)構(gòu)主要由2組發(fā)射機（Tx）、2組接收機（Rx）、2個環(huán)形器、1個AWG模塊和3個光耦合器（OC）構(gòu)成。節(jié)點可同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)射機發(fā)出的數(shù)據(jù)經(jīng)環(huán)形器和AWG后，由光耦合器分至左右兩路分別傳送，接收過程與之相反。

3.2突發(fā)業(yè)務調(diào)度

3.1周期業(yè)務調(diào)度

圖2　分布式環(huán)形網(wǎng)絡的節(jié)點結(jié)構(gòu)和母差結(jié)構(gòu)

3　業(yè)務調(diào)度

評審標準：采用評分制。對報告書進行考核，形成量化考核標準。根據(jù)主要考核點將報告書分等。形成不合格、合格待定（需補充、修改或?qū)＜乙庖姴唤y(tǒng)一）、合格（不需修改或較小改動）三等。

在科技強國的大背景下，我國高度重視新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，《中國制造 2025》、重點領域技術路線圖等綱領性文件、指導性文件的下發(fā)，給了全方位的政策支持。在關鍵戰(zhàn)略材料方面，緊緊圍繞新一代信息技術產(chǎn)業(yè)、高端裝備制造業(yè)等重大需求，突破材料及器件的技術關和市場關，完善原輔料配套體系，提高材料成品率和性能穩(wěn)定性，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模應用。在前沿新材料方面，加強基礎研究與技術積累，注重原始創(chuàng)新，加快在前沿領域?qū)崿F(xiàn)突破。積極做好前沿新材料領域知識產(chǎn)權(quán)布局，圍繞重點領域開展應用示范，逐步擴大前沿新材料應用領域。

GOOSE業(yè)務是指通用的面向變電站對象事件，主要用于間隔層設備與過程層智能操作箱之間的信息傳輸，分為心跳業(yè)務和跳閘業(yè)務兩類。心跳業(yè)務屬于周期性業(yè)務，業(yè)務量較小，幀長為300字節(jié)，每秒10幀，可靠性要求一般。而跳閘業(yè)務屬于突發(fā)性業(yè)務，單個電子設備的突發(fā)流量約為2.4Mb/s，對可靠性要求較高。在實時性方面，智能變電站對心跳業(yè)務的時延抖動有較高要求，時延抖動不超過10μs。對于跳閘業(yè)務，智能變電站對其時延要求較高，時延不能超過10μs。

假設智能變電站通信系統(tǒng)內(nèi)共有20個節(jié)點，心跳業(yè)務按每秒10幀計算，幀長為300字節(jié)，通信鏈路采用速率為10Gb/s的信道，則每個輪詢發(fā)送周期的長度為1s/10幀=100ms，每幀長度為0.24μs。輪詢調(diào)度的策略是將這20個節(jié)點的數(shù)據(jù)在一個周期（100ms）內(nèi)均勻分布并發(fā)送，兩個節(jié)點之間的間隔為5ms，這種機制能確保業(yè)務的時延穩(wěn)定且時延抖動為0。

圖3　周期性業(yè)務輪詢調(diào)度算法

從圖2（b）可以看出，母差結(jié)構(gòu)與節(jié)點結(jié)構(gòu)稍有不同，它在設計上采用左端發(fā)送右端接收的方式，因此不需要使用光耦合器。發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)由發(fā)射機發(fā)出，經(jīng)環(huán)形器和AWG后，由最頂端的環(huán)形器向左路發(fā)出；接收數(shù)據(jù)時信號從右路下并最終被送至接收機。

水流從表面上來看對水體污染的治理沒有直接關系，但從水資源污染的發(fā)展情況來看，水流速度往往會影響河流的生態(tài)基流，從而間接影響水污染情況的發(fā)展。城市中很大一部分水體惡化的基礎原因為城市河流自身水流速度較慢，致使城市水體自身具備的凈化功能不斷弱化，甚至失去各項功能，在自身凈化功能不再發(fā)揮作用后，水環(huán)境問題也將接踵而至，隨著時間的推移，其污染情況也會日漸嚴重[1]。基于此，在對城市水環(huán)境進行治理過程中，還應對水流速度進行適當?shù)恼{(diào)整，可以將其他水源注入河流中，提升城市水流速度，同時也可經(jīng)由對水流的調(diào)整改變水流動力，最終實現(xiàn)水體的循環(huán)流動。

為保證GOOSE跳閘業(yè)務的實時性，本文采用隨機訪問和沖突避免的方式進行調(diào)度，針對GOOSE中跳閘業(yè)務的特點，調(diào)整了傳統(tǒng)的隨機退避算法，并結(jié)合了電網(wǎng)業(yè)務中的“8421”轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，重新為變電站中的突發(fā)性業(yè)務設計了退避策略，具體算法如圖4所示。

突發(fā)性業(yè)務會在任何一個時隙到達，它可能會與周期性業(yè)務發(fā)生沖突，或與其它節(jié)點的突發(fā)性業(yè)務發(fā)生碰撞。根據(jù)系統(tǒng)的同步機制，節(jié)點會偵測到其它節(jié)點周期性業(yè)務的到來時刻。

拜別雨鸞師父，三人來到王積薪的棋室，上官星雨覺得這一關應好過，沒成想棋圣他老人家不玩長生譜，也不玩媼婦譜，偏要三人一道與他對弈四象數(shù)獨棋，這是他當年過昆侖山與癡和尚賭錢時所創(chuàng)，三人由青龍、白虎、朱雀、玄武里迷迷瞪瞪地掙脫出來，又與王積薪考較了一番他由長生譜里領悟出來的長生真氣，總算是被他老人家重拿輕放，放出了棋室。

圖4（a）中，在情形1，節(jié)點的跳閘業(yè)務到來時，信道正好在傳輸心跳業(yè)務，為了避免沖突，該跳閘業(yè)務在[0,8]個時隙區(qū)間內(nèi)隨機選取一個時隙值先退避再發(fā)送，相對于跳閘業(yè)務時延，該退避時間可以忽略。在情形2，節(jié)點偵測到跳閘業(yè)務的到來時刻正好在心跳業(yè)務的前一時刻，為了避免兩種業(yè)務發(fā)生碰撞，對跳閘業(yè)務采用同樣的退避機制，避免業(yè)務發(fā)生沖突。在情形3，節(jié)點偵測到此時信道正處于空閑狀態(tài)，則跳閘業(yè)務到來時可以正常傳輸。

不同節(jié)點的跳閘業(yè)務之間也會發(fā)生沖突，圖4（b）中，節(jié)點1和節(jié)點2的跳閘業(yè)務同時到達信道，發(fā)生沖突。我們同時對這兩個跳閘業(yè)務采用隨機退避策略，兩個跳閘業(yè)務在[0,8]個時隙區(qū)間內(nèi)分別隨機選取一個時隙值先退避再發(fā)送，如果在退避后仍然發(fā)生沖突，則將退避區(qū)間減半，兩個業(yè)務分別在[0,4]區(qū)間內(nèi)隨機選取一個時隙繼續(xù)向后退避，依此類推，直到退避區(qū)間達到[0,1]。

我們可以大致將傳輸業(yè)務分成兩類，一類是周期業(yè)務，即SV和GOOSE的心跳業(yè)務，發(fā)送時間固定。另一類為突發(fā)業(yè)務，即GOOSE的跳閘業(yè)務，這類業(yè)務發(fā)送時間不確定，但業(yè)務量相對較小。

黃友義認為，外宣翻譯需遵循“外宣三貼近”原則， 即貼近中國發(fā)展的實際， 貼近國外受眾對中國信息的需求，貼近國外受眾的思維習慣 (黃友義，2004)。因此，為貼近受眾，故宮解說詞的英譯有必要借鑒歐美博物館解說詞的文本特點和謀篇布局，與歐美博物館的信息呈現(xiàn)方式、表述方式相接軌。其自然屬性可借鑒歐美博物館的數(shù)據(jù)羅列形式，以可視化的形式減少純文字的枯燥感。而其文字摘要部分可關注文物的文化屬性和社會屬性，如增譯歷史背景，對文物的評述，館長的推薦語等等。以故宮的象耳轉(zhuǎn)心瓶的解說詞英譯為例，筆者將其改譯如下。

4　仿真結(jié)果

為降低傳統(tǒng)智能變電站通信網(wǎng)絡中業(yè)務時延和時延抖動較大的缺陷，我們結(jié)合無源光網(wǎng)絡的優(yōu)勢，設計出一種類似PON結(jié)構(gòu)的分布式環(huán)形光交換網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中收發(fā)機的速率為10Gb/s。

4.1物理結(jié)構(gòu)功率預算

由此看來，印刷企業(yè)不應被現(xiàn)時所謂的低迷而震懾，根據(jù)產(chǎn)品的銷量決定資金的投入，淘汰不適應市場需求的產(chǎn)品，有意識地去調(diào)節(jié)品種，開拓新市場，往高質(zhì)量和高水平的方向發(fā)展，或可讓印刷企業(yè)活得更久，活得更好。

附加損耗是指信號通過耦合器時會丟失一部分光信號，定義為輸入功率和總輸出功率的比值，用分貝表示的耦合器附加損耗為：

附加損耗

其中，P1為鏈路的直通功率，P2為下路耦合功率。我們令環(huán)形鏈路中耦合器的光功率分配百分比為90%，令節(jié)點發(fā)送信號時分路至左右兩端的光耦合器為光功率均分的3dB耦合器。從圖1、圖2可以看出，在分布式環(huán)形光交換結(jié)構(gòu)中，取節(jié)點數(shù)為n，母差左右兩端的節(jié)點之間相互傳輸時，節(jié)點發(fā)出的信號損耗最大。此時，節(jié)點發(fā)送信號需要先經(jīng)一個3dB耦合器，再在光鏈路中經(jīng)過n-2個光功率分配為90%的耦合器，到達目的節(jié)點后，信號首先通過一個光功率分配為10%的耦合器，然后下路經(jīng)過一個3dB耦合器，最后通過AWG模塊經(jīng)環(huán)形器送至接收機，AWG模塊的損耗按3dB計算。因此，整個系統(tǒng)中信號最大的附加損耗為：-3×3+(n-2)×10lg0.9+10lg0.1=-(n-2)×0.46-19(dB)。如果我們令系統(tǒng)中的節(jié)點數(shù)目為20，則整個系統(tǒng)中信號的最大附加損耗為-(20-2)×0.46-13dB=-27.28dB。

4.2調(diào)度算法仿真

我們采用C++對調(diào)度算法進行仿真，整個鏈路的通信速率為10Gb/s，觀察在節(jié)點數(shù)和環(huán)形鏈路周長不同的情況下各業(yè)務的時延和時延抖動。由于周期性業(yè)務采用了輪詢算法，時延和抖動都是固定的，因此本文只仿真采用隨機退避算法的GOOSE跳閘業(yè)務。

在環(huán)形網(wǎng)絡鏈路周長不同的情況下，隨著網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點數(shù)量的變化，GOOSE跳閘業(yè)務的時延變化情況如圖5所示。在環(huán)形鏈路周長小于5km且節(jié)點數(shù)低于50的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，GOOSE跳閘業(yè)務的平均時延都保持在10μs以內(nèi)，相對于傳統(tǒng)電交換機，電網(wǎng)業(yè)務的實時性能得到了改善。

在環(huán)形網(wǎng)絡鏈路周長不同的情況下，隨著網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點數(shù)量的變化，GOOSE跳閘業(yè)務平均時延抖動的變化情況如圖6所示。當環(huán)形網(wǎng)絡鏈路周長小于2km時，平均時延抖動可以保持在10μs以內(nèi)。當環(huán)形網(wǎng)絡鏈路周長達到3km時，想要使平均時延抖動維持在10μs以內(nèi)，要求節(jié)點數(shù)量低于40。當周長達到5km時，抖動呈現(xiàn)急劇上升態(tài)勢，在節(jié)點數(shù)達20后，平均時延抖動超過10μs。

圖5　GOOSE跳閘業(yè)務的平均傳輸時延

圖6　GOOSE跳閘業(yè)務的平均傳輸時延抖動

5　結(jié)束語

本文提出了一種類似PON結(jié)構(gòu)的分布式環(huán)形光交換網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，并為智能變電站通信網(wǎng)絡中兩大類電網(wǎng)業(yè)務設計了相應的調(diào)度算法。仿真結(jié)果表明，本結(jié)構(gòu)和設計的調(diào)度算法能顯著降低智能變電站通信網(wǎng)絡中業(yè)務的時延和時延抖動，很大程度上保證了業(yè)務的實時性。本文的研究成果在電力通信高速光傳輸系統(tǒng)中具有廣闊的發(fā)展前景，雖然還沒有投入到實際的應用中，但是可以為智能變電站全光網(wǎng)絡的設計和優(yōu)化提供參考。

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Realization of intelligent substation optical switching network

BUChao-lun1，YETong1，WUPeng2，ZHANGXiao-jian2，WUJun-min2
(1. State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2. State Grid Smart Grid Research Institute，Nanjing 210003，China)

Abstract:In order to solve the issue of high delay and delay jitter of the business in the intelligent substation communication network, the paper designs a new kind of network structure called distributed optical ring switching network, which is similar to the passive optical network (PON). It also designs the corresponding scheduling algorithm for each electric power business of intelligent substation, and verifies the performance of the algorithm by simulation experiments.

Key words:intelligent substation, all-optical switching, passive optical network, scheduling algorithm

中圖分類號：TN915

文獻標識碼：A

文章編號：1002-5561（2016）01-0001-04

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.001

收稿日期：2015-09-25。

基金項目：全光交換關鍵技術及電網(wǎng)應用研究項目資助課題。

作者簡介：步超倫（1991-），男，碩士研究生，主要從事光通信網(wǎng)絡性能分析。