新一代智能变电站通信网络关键技术

新一代智能变电站通信网络关键技术

赵琴 唐伟

国网山西省电力公司忻州供电公司 山西省晋中市

摘要：针对智能变电站通信系统以太网组网技术中传输时延抖动较大、环网结构健壮性差的问题，对智能变电站通信网络关键技术进行了研究。新型通信网络基于以太无源光网络和面向连接的交换方式，采用时延可测、业务隔离等技术；搭建实验网络，测试了不同网络负载情况下通信业务的实时性及可靠性指标。测试结果表明，新一代智能变电站通信网络架构能满足变电站业务对通信网络的技术要求，验证了该技术方案的可行性。

关键词：智能变电站；以太无源光网络；时延可测；业务隔离

0 引 言

通信网络是智能变电站的重要组成部分，是自动化业务的传输与交换平台，同时满足站内外对于保护、测控和计量业务信息的通信需求。现有智能变电站多采用工业以太交换网进行数据交换，通过交换机级联构建快速保护环网，采用分层组环、环嵌套的方式满足复杂组网的需要^[1]。但以太网技术在应用中存在时延抖动较大、不同业务数据间资源竞争的问题，主要由面向非连接的传递方式和自由竞争的资源分配方式导致^[2]。新一代智能变电站业务流对通信网络有高可靠、低时延等要求，业务报文三网合一的传输方式对网络的性能提出更高要求，业务报文间的影响不容忽视，需进行业务隔离^[3]。文献[4]对基于以太无源光网络(Ethernet Passive Optical Network, EPON)的智能变电站网络架构进行研究，提出了面向服务的方案，以满足通用面向对象变电站事件报文(Generic Object Oriented Substation Event, GOOSE)的通信要求。文献[5]基于智能变电站通信需求对EPON技术加以改进，提出一种高可靠性固定时延传输技术。文献[6]介绍了基于EPON组建的智能变电站“两层一网”网络构架，实现了间隔层与过程层设备整合。

本文将研究新一代智能变电站通信网络关键技术，分析基于EPON和面向连接交换技术的网络架构，采用时延可测、业务隔离和低时延等技术，保证通信网络信息传输的实时性及有效性。

1 智能变电站通信系统概述

本研究基于EPON和面向连接的多协议标记交换构建新一代智能变电站通信网络。网络单元(Optical Network Unit, ONU)连接至无源光网络(Passive Optical Net-work, PON)，多个终端设备通过分光器连接至中心交换机。业务数据通过终端内两个独立光接口同时发送至两个交换网络，分别经过中心交换机转发至接收端，接收端进行选收。1588对时设备和智能变电站网管系统(Network Management System, NMS)同时接入两个交换网络进行控制和管理。分组交换网络为每两个需要通信的IED之间提供固定连接和带宽，保证通信的可靠性，减少时延抖动。

2 组网关键技术

2.1 时延可测

时延可测是指采样值 (Sample Value, SV)报文在通信网络内端到端的时延可测，包括可变的芯片转发时延和固定的内部光纤时延。时延可测需构建一个全网同步的时间体系，体系内部自同步，不受外部激励影响。EPON系统是天然的同步体系，每个ONU跟踪光线路终端(Optical line terminal, OLT)的时钟源，ONU上线注册过程即是时间同步过程，因此，采用EPON系统的时间同步体系处理SV报文是可行的。ONU同步采用多点控制协议 (Multi-Point Control Protocol, MPCP) 算法测距，为了使所有ONU时钟一致，每个ONU需把测距的往返时延(Round-Trip Time,RTT)补偿至ONU时钟。测距过程中记录各时间节点的时间戳，以便进行时延补偿。

2.2 业务隔离

IEC 61850标准《第5部分：功能通信要求和装置模型》^[8]中定义了智能变电站三种通信业务报文：(1)快速报文。GOOSE事件信息包括跳闸、合闸、闭锁和解锁等。GOOSE报文传输时延在3～10 ms，并要求时延的抖动较小。系统正常时传输量平稳，故障时突发增长。(2)中速报文。SV报文由合并单元产生，特点是高速、持续、大流量，总量基本恒定，总传输时延<50 ms。(3)低速报文。制造消息规范 (Manufacturing Message Specification, MMS) 报文数据量大，对时延不敏感，一般不超过500 ms，但对数据完整性有严格要求。

2.3 低时延技术

通用EPON系统为提高上行带宽利用率，OLT对ONU的复用周期>500 μs，且为使上传窗口与报文长度匹配，ONU和OLT间需通过MPCP的gate和report报文交互队列中的字节数。而变电站通信网有别于一般网络，它要求报文时延低而不要求带宽利用率高。因此，本研究采用固定带宽分配，取消gate、report报文交互，上行周期从500 μs减小到200 μs以内，减小了因等待窗口而产生的时延。

中心交换机采用物理端口单拷贝技术转发数据，对于同一PON口发出的点到多点业务只转发一份报文给接收端口。对于接收端PON口，与之相连的每个ONU收到报文后根据目的设备判断是否接收报文及转发至用户接口。单拷贝技术省去了报文在交换机同一物理口的复制，降低了转发带宽，减小了转发时延，降低了网络风暴的风险。

3 实验验证及结果分析

3.1 实验网络环境

利用以太网分析仪模拟实际业务发送业务数据包，并测试报文端到端时延和丢包率。系统将该网络划分为GOOSE、SV和MMS三个子网：ONU₁、ONU₄、ONU₇和ONU₁₀组成GOOSE网络，网络号为100，ONU上行带宽均设为固定带宽128 Mbit/s；ONU₂、ONU₅、ONU₈和ONU₁₁组成SV网络，网络号为101，上行带宽保证128 Mbit/s；ONU₃、ONU₆、ONU₉和ONU₁₂组成MMS网络，网络号为102，带宽峰值均为200 Mbit/s。

在分析仪中设置如下数据流：在GOOSE网络中，ONU₁、ONU₄、ONU₇和ONU₁₀两两互发数据流；在SV网络中，ONU₂发往ONU₅、ONU₈和ONU₁₁的数据流，ONU₅、ONU₈和ONU₁₁发往ONU₂各一条数据流；在MMS网络中，建立ONU₃～ONU₆、ONU₆～ONU₉、ONU₉～ONU₁₂、ONU₁₂～ONU₃各一条数据流。GOOSE报文为最高优先级，报文长度为128 Byte；SV数据为次高优先级，报文长度为256 Byte；MMS信息为低优先级，报文长度为64～1 518 Byte。网络分析仪分别模拟轻载、重载和超载负荷的情况，来测试三种业务网络性能。轻载时，每个ONU加载20 Mbit/s业务；重载时，GOOSE和MMS网络每个ONU加载80 Mbit/s业务，SV网络加载30 Mbit/s业务；超载时，GOOSE网络每个ONU加载80 Mbit/s业务，SV网络加载30 Mbit/s业务，MMS网络加载500 Mbit/s业务。每次测试10 min，分别记录各业务端对端最大时延、最小时延、平均时延以及丢包率。

4 结束语

本文研究的基于EPON和面向连接的分组交换技术的新一代智能变电站通信网络，采用低时延、业务隔离等关键技术，实现了信息传输。通过实验网络测试了不同网络负载下各业务报文的实时性、可靠性指标，结果表明，采用低时延、业务隔离等关键技术的网络性能优于规定标准，验证了新一代智能变电站通信网络关键技术的有效性，为智能变电站通信组网提供了技术支持。

参考文献：

[1] 王飞，刘洪才，潘立冬. 分层式结构变电站自动化通信系统研究综述 [J]. 华北电力大学学报，2007,34(1)：22-25.

[2] 易永辉，王雷涛，陶永健. 智能变电站过程层应用技术研究 [J]. 电力系统保护与控制，2010,38(21)：1-5.

[3] 汪强，徐小兰，张剑. 一种新的智能变电站通信业务安全隔离技术的研究 [J]. 电力系统保护与控制，2015,43(17)：139-144.

[4] Takagiwa K, Kubo R, Ishida S, et al. Feasibility Study of Service-oriented Architecture for Smart Grid Communications [C]// ISIE 2013.Taipei:IEEE ,2013:1-7.

[5] 凌 光，许伟国，王志亮，等. 基于EPON+的高可靠性固定时延网络在智能变电站应用研究 [J]. 电力系统保护与控制,2016,44(14)：89-94.

[6] 俞辰颖，高亚栋，尹康，等. 基于无源光网络技术的智能变电站网络构建研究 [J]. 机电工程，2015,32(3)：429-432.

[7] 沈羽纶，何岩，杨柳. EPON 中的多点控制协议(MPCP)的研究 [J]. 光通信研究，2003,(2)：5-8.

[8] IEC 61850-2004,Communication Networks and Systems in Substation [S].