刘丽榕（1980-）,女,湖北天门人,高级工程师,从事电力系统通信规划及管理等工作;
随着大容量、远距离特高压直流输电技术的快速发展,风电和光伏等新能源大量并网,远距离跨区输电规模持续增长,电网格局与电源结构发生重大改变,交直流混连电网格局逐步形成,在电网“强直弱交”的过渡期间,系统稳定问题由局部、孤立向全局、连锁方向演化,电网安全防御能力急需提升。
本文将从系统保护功能架构及业务特点出发,分析系统保护业务需求,结合电力通信网建设现状,从技术原理、性能特点、组网方式、安全性等多个层面系统性分析适用于系统保护的光纤通信技术,保障不同类型业务传输的实时性、可靠性以及安全性要求,为系统保护各项功能实现提供前提保障。
1 系统保护
系统保护是利用最新的信息通信和保护控制技术,在加强第一道防线、拓展第二道防线、衔接第三道防线的基础上,构建的具有高可靠、高实时、高安全特性的新一代大电网安全综合防御体系。
1.1 系统保护功能架构
系统保护包括交直流协调控制、主动解列控制、抽水蓄能控制、精准切负荷控制、连锁故障预警及控制、广域联合发电控制以及全网高精度录波、实时监视预警等部分。近期主要实现交直流协调控制、主动解列控制、抽水蓄能控制、精准切负荷控制四大部分。远期将实现连锁故障预警及控制等全景状态感知功能。近期系统保护架构如
1.2 系统保护业务需求
系统保护由区域协控总站、控制主站、控制子站和终端构成。区域协控总站接收控制主站上传的各直流故障信息、可切负荷信息等,给出决策或控制策略,并向各控制主站下达控制指令,进行负荷分配;控制主站负责收集各子站发送来的信息,同时也接收协控总站的控制指令,根据策略,向各子站下达控制指令;控制子站负责收集所辖终端的测量信息,汇总后上送至控制主站,并执行控制主站发来的控制指令,将指令下达到具体的终端,子站主要起上传下达的作用;终端负责将一、二次设备的测量信息上传给控制子站,并接收控制子站的控制指令,快速切除故障或可中断负荷[5]。
1.2.1 业务类型
从系统保护实现功能来看,其业务主要包括稳控、精准切负荷、全景状态感知3种类型。其中稳控及精准切负荷业务属于控制类专线信息,全景状态感知属于采集类信息。
1.2.2 业务流向
分析认为系统内数据传输流向为：
1）区域协控主站、控制主站、控制子站和终端间数据逐级分层传输,跨层级节点间无直接数据交互需求;
2）同一层级内节点间无横向数据交互需求;
3）系统保护除了点到点的双向通信外,还存在点到多点实时通信;
4）稳控数据实时传输,不进行存储;
5）近期协控系统各级站点(协控主站、控制主站、控制子站和终端)均与区域外协控系统各站点间无数据交互需求。远期可能存在区域协控站之间的信息交互和备份。
1.2.3 实时性需求
系统保护要求60 ms内对电网发、输、配及直流系统全景状态监测,300 ms内对重要扰动故障防御控制,采集和控制通信时延均应要求控制在50 ms内。
1.2.4 业务带宽需求
稳控信息及全景状态感知类信息主要在位于330 kV及以上变电站、换流站、发电厂的测控一体化终端与其汇聚接入控制主站之间传输。稳控属于控制信息,全景状态感知属于实时采集信息。
稳控信息属于传统稳控系统点对点专线类,由于控制信息数据量较小,现有工程实际运行时,稳控系统均要求2 Mbps点对点专线带宽。
全景状态感知信息包括电气量信息和非电气量信息,电气量包括三相电压、三相电流、有功、无功、频率、功角共计10个,每周波采集8个点,每个量按4 B浮点数和8 B时标信息考虑,1个变电站按50个元件,则总数据量10×（4 B+8 B）×8×50× 50×8=19.2 Mbps;非电气量包括油温、开关量、控制装置状态信息等,数据量可忽略,故每个点的采集类信息带宽可按19.2 Mbps考虑。
精准切负荷信息主要在位于220 kV及以下变电站、10 kV台变及居民用户的智能负荷控制终端与负荷控制主站之间传输,包括实时采集与控制信息。根据《国网信通部关于精准负荷控制通信系统建设指导意见（试行）的通知》（信通通信【2017】33号）,精准负荷控制的遥测信息包括母线三相电压、各回路三相电流、三相有功、总有功、三相无功及总无功14个电气量,平均每个控制终端按10个负荷回路进行估算,上报周期10 ms,每周波采集
8个点,每个量按4 B浮点数和8 B时标信息考虑,经计算总数据量为3×（4 B+8 B）×50×8+11×
（4 B+8 B）×10×50×8=528 kbps。控制信息为总开关的控制指令,且为突发信息,试点地区业务带宽为0.59 kbps,可忽略不计。故每个点的带宽可按
2 Mbps考虑。
图1
系统保护架构
Fig.1
System protection architecture
不同业务的实时性及带宽需求见
表1
系统保护业务需求
Tab.1
Business requirements of the system protects
1.3 系统保护通信通道需求
控制主站根据功能不同一般位于500 kV交流变电站、直流换流站或省电力公司。测控终端一般位于330 kV及以上等级的变电站或电磁环网的
220 kV变电站内,以及直流换流站和发电厂（含抽蓄、新能源）。智能负荷控制终端一般位于330 kV以下变电站、10 kV台变及用户站内。
由系统保护节点分布情况可知,传统稳控及全景状态感知业务主要由区域网承载,精准切负荷业务主要由省网进行承载。
1.3.1 区域网带宽需求
按照一个区域最多200个330 kV及以上变电站（含电磁环网220 kV）站、100个发电厂测算,若选择区域协控主站、各功能主站为区域通信网骨干节点,选择执行站作为接入节点,每个接入节点的接入带宽为19.2 Mbps+2 Mbps=21.2 Mbps,则骨干层总带宽需要21.2 Mbps×300≈6 Gbps。接入层带宽按照每个控制主站平均接入20个点接入点进行测算,需要21.2 Mbps×20≈400 Mbps。
1.3.2 省负控网带宽需求
每个负控终端的采集带宽按2 Mbps测算,结合江苏精准切负荷实施方案,每个负控子站接入节点数量在200个左右,江苏精准负荷控制实施方案如
图2
江苏精准负荷控制实施方案
Fig.2
Precision load control plan of Jiangsu
从实施方案可见：省内负控网主站至各子站需要2路2 M通道（传输负荷总量信息）;子站至用户就近变电站需要 2路2 M通道（传输就近变电站汇集的用户接入信息）;用户就近变电站至各用户需要2 Mbps带宽（传输终端采集控制信息）。
因此,按照每省1个负控主站,20个控制子站,每个子站200个终端测算,若选择负控主站、控制子站为省负控通信网骨干节点,选择负控终端作为接入节点,则骨干层总带宽需求为2 Mbps×20=40 Mbps,接入层带宽需求为2 Mbps×200=400 Mbps。网络通道需求见
表2
网络通道需求
Tab.2
Demand for network channels
2 电力通信网建设现状
国家电网公司目前已建成覆盖国家电网公司总部、分部、省公司、地调等各级调度机构和35 kV及以上电压等级厂站的光通信网络。现有的电力通信网主要依托于电网基建工程配套建设,受电网网架结构限制,通信网的网络结构与构建保护性通信环网的专业技术需求不一致,导致部分区段存在光缆和带宽资源不足、网架密度偏低等问题,同时存在部分设备老旧、故障率高、设备型号庞杂难以管理的问题,一个重要业务通道需要多级电路串联和多级调度联合分段监控。现有国家电网公司用于承载保护业务的光传输网采用SDH技术体制构建,传输容量多为2.5 G,尤其是跨省、跨区域光传输通道资源瓶颈较为突出,从上文带宽需求结果看,现有网络难以满足系统保护所需的全景实时监测大流量数据功能要求和性能要求。
下文将针对系统保护适用光纤通信技术展开
分析。
3 通信技术分析
系统保护业务具有高可靠性、高带宽、低时延的特点,应采用先进、成熟的通信技术进行承载。目前电力系统应用较为成熟的适用通信技术主要有MSTP、PTN、OTN、IP路由技术4种。
3.1 MSTP技术
MSTP是SDH为了适应传输以太网数据而在SDH基础上改进后的传送平台标准,主要改进是在接口单元增加了ETH/ATM等业务单元,基础传送层主要还是沿用SDH传输,基于SDH的MSTP最适合作为网络边缘的融合节点支持混合型业务[6],特别是以TDM业务为主的混合业务。对于2 M固定专线业务,MSTP设备从SDH集成了优秀的承载、调度能力;对于可变带宽业务,可以直接在MSTP设备上提供端到端透明传输[7]通道,用户之间绝对隔离。该技术普遍应用于电力系统网络建设中,具有较低的时延和较高的可靠性,为电力系统的调度自动化、线路保护、视频、语音等业务提供了安全可靠的信息传输保障,多年来网络已运行稳定。
3.2 PTN技术
MSTP技术以时分复用为交换核心,是基于VC的硬性传输管道,导致其对高突发性的IP业务承载存在带宽利用率不高和承载效率低等问题[8]。PTN技术是一种以分组业务为核心、面向连接并支持多业务提供的高效传输技术,可提供适应IP业务高突发性的软管道。PTN将数据平面与控制平面分离,降低了数据处理的复杂性,增强了OAM和保护自愈能力。PTN支持TDM业务仿真和传送,同时支持频率同步和高精度的时间同步。
电力系统中除线路继电保护业务仍为TDM电路交换方式外,大量业务应用迅速向分组化、IP化转换。图像监控、视频会议、生产MIS、办公OA、客服、配用电信息等IP类业务占据了通信网络带宽的90%以上。
由于电网业务高带宽、大容量、IP化的驱动,PTN技术成为国家电网公司“十三五”通信规划前期重点关注技术领域,目前,公司在山东、河南、河北等9个单位已经试点部署了PTN网络。其中山东、河北、河南电力的 PTN 网络规模较大,其他 6 个单位均为小规模试点。PTN采用伪线仿真方式传送TDM E1业务,其传输通道时延取决于收发两端设备处理时延（1~2 ms）和传输距离,中间节点的转发时延为μs级,可忽略不计[9]。在现网测试及实际运行中误码率满足业务稳定性要求。但PTN技术通过VLAN进行业务隔离,电力生产业务要求完全物理隔离,因此PTN技术组网在安全性方面有待进一步论证。国家电网公司试点建设的PTN网络主要用于传送变电站图像监控、行政视频会议、应急指挥、营销、办公信息自动化（MIS）、配网用电等数据类业务。目前,各公司PTN网络运行情况总体
稳定。
3.3 OTN技术
OTN是以波分复用技术为基础、在光层组织网络的下一代骨干传送网。OTN技术继承了SDH和WDM的双重优势[10],基于ITU-T G.709的OTN帧结构可以支持多种客户信号的映射和透明传输[11],如SDH、ATM、以太网等相对于SDH的VC-12/VC-4的调度颗粒,OTN复用、交叉和配置的颗粒要大很多,OTN定义的电层带宽颗粒为光通路数据单元(O-DUk,k=0,1,2,3),即ODU0(GE,1000M/S)ODU1(2.5 Gb/s)、ODU2(10 Gb/s)和 ODU3(40 Gb/s),光层的带宽颗粒为波长,能够显著提升高带宽数据客户业务的适配能力和传送效率;强大的开销和维护管理能力。OTN提供了与SDH类似的开销管理能力,OTN光通路(OCh)层的OTN帧结构大大增强了该层的数字监视能力;增强了组网和保护能力。OTN将提供更为灵活的基于电层和光层的业务保护功能,如基于ODUk层的光子网连接保护和共享环网保护、基于光层的光通道或复用段保护等。
目前,国家电网公司已建成大容量骨干光传输网,大部分省公司也已建成省内大容量骨干光传输网,OTN网络运行稳定,能够提供多种类型客户信号的传送、复用、管理、监控及保护,提供更短的物理封装,传送效率更高、带宽更大、传送层监管更完善、协议完全透明的传送管道,为公司调度数据网、数据通信网等承载网络提供了有力的带宽保障。
3.4 IP路由技术
IP网络是由通过路由设备互连起来的IP子网构成,这些路由设备负责在IP子网间寻找路由,并将IP分组转发到下一个IP子网。目前国家电网公司调度数据网[12]及数据通信网均采用IP over SDH/OTN技术组网,网络覆盖所有电力调度机构和35 kV及以上厂站,用于承载电网生产及管理信息业务。
3.5 对比分析
上述4种承载网技术中MSTP、PTN、OTN属于传输网技术,主要用于提供刚性的点对点或点对多点通道,适用于组建底层骨干传输网。从传输时延方面看,MSTP、PTN、OTN的传输时延均由光缆时延和设备时延2部分构成。计算分析如下。
3.5.1 光缆时延
光缆时延T1的计算方法为：
3.5.2 设备时延
1）SDH技术。SDH传输系统的设备时延Ts由映射时延Ty（2 M到光口）、去映射时延Tq（光口到2 M）、直通时延Tz（光口到光口）组成[14]。传输设备时延表达式为：
50 ms实时性要求。
2）PTN技术。PTN承载业务的端到端时延主要包括源端设备分组封装时延Tf、网络中间节点交换时延Tz、宿端设备抖动缓存时延Tt、光缆时延组成。传输设备时延表达式为：
2 195+200+500=2 893 μs。在山东公司进行的现网测试中,相同场景下,通道时延在3 ms左右[9],与理论计算结果基本一致,因此,PTN技术承载业务的端到端时延满足系统保护业务50 ms实时性要求。
3）OTN技术。目前电力系统普遍采用OTN电交叉设备,在业务传输时需要经过光—电—光的转换,对于端到端业务将增加累计时延。OTN传输系统的设备时延Ts由映射时延Ty（GE到光口）、去映射时延Tq（光口到GE）、直通时延Tz（光口线路板到光口线路板）组成。时延表达式为：
2 195+80+2 000=4 275 μs。OTN技术主要用于组建大容量骨干层网络,提供大带宽通道,组网时通常与SDH或PTN技术相结合。从计算结果可知,设备传输时延约3 ms。根据国家电网公司电网现状,区域内距离一般在3 000 km以内,采用OTN+SDH组网时,通过上述计算结果可知,端到端时延满足系统保护业务50 ms实时性要求。
从以上分析可知,MSTP、PTN、OTN 3种传输网技术组网承载系统保护业务,从时延方面均满足50 ms要求。且从现网实际承载情况看,3种技术均具备很好的通道稳定性,满足电网系统保护业务传输要求。考虑到PTN技术通过VLAN进行业务隔离,在安全性方面有待进一步论证,因此暂不建议采用其组建承载电网生产控制业务的系统保护通信专网。MSTP、OTN技术在网络安全、运行维护、时延特性等方面基本类似,可为保护、安控等对时延十分敏感的专线业务提供完全物理隔离的传输通道。
IP路由技术属于数据网技术,其在骨干网络中需利用传输所提供的通道进行组网,通过广播和寻址方式实现点到点、点到多点的数据通信,适用于多类型IP化业务的综合承载。
4 通信技术选择及组网建议
综合考虑系统保护业务带宽、通道时延指标、安全可靠性等因素,建议采用MSTP技术提供专线通道传输实时控制信息,采用IP路由器技术组建系统保护专用数据网承载全景状态感知信息。
区域骨干网应根据系统保护功能架构,当系统保护架构以区域为主体时可按骨干、接入两层结构设计;当设置国调总站,需要区域协控主站互联时,通信网可按核心、骨干、接入三层结构设计。近期可采用10 G MSTP技术进行组网,在区域核心层或部分区段带宽需求预测大于10 G的情况下,建议采用OTN技术进行组网,在OTN网络中配置SDH设备实现小颗粒业务接入。远期建设专用数据网承载全景状态感知信息。
省内负控网可按骨干、接入两层结构设计,结合实际带宽需求,建议采用2.5 G/10 G MSTP技术进行组网。
5 结语
系统保护通信专网建设应结合近远期系统保护功能实现情况,根据节点设置及业务需求进行带宽流量测算,带宽测算结果应为电网发展留有一定余量,在此基础上选择适用的通信专网技术体制及组网方案,为系统保护功能的实现提供重要保障。
(编辑:张京娜)
参考文献
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王玉东（1972-）,男,山西朔州人,高级工程师（教授级）,从事电力系统通信规划及管理等工作;
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马睿（1978-）,男,河南郑州人,高级工程师,从事数据通信网络、网络管理系统等研究工作;
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孙雨潇（1982-）,男,吉林德惠人,工程师,从事电力系统通信网络建设及运维等工作。