美姑河流域梯级通信系统设计

2012-12-20段成红

水电站设计 2012年3期

关键词：梯级光缆电站

段成红

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前言

美姑河干流水电开发，采用“一库五级”的开发方案，梯级电站分别为牛牛坝、瓦洛、瓦吉吉、柳洪、坪头，其中柳洪电站于2006年建成发电，坪头电站于2011年5月建成发电。

为便于对流域内各梯级电站进行统一管理，在业主管理营地内设置流域集中控制管理中心。该集中控制管理中心于2006年与柳洪电站同步建成。

以下对美姑河流域梯级光纤通信系统的设计作一简要介绍。

2 流域梯级通信方式的选择

从目前的各种通信方式来看，可供选择的通信方式有光纤通信方式、数字微波通信方式和电力线载波通信方式。

美姑河流域各梯级电站相距较近，集中在50km范围内，各个梯级电站间、各梯级电站与闸首间的距离均在10～15km范围内，且电站厂房均分布于美姑河流域河谷地带。

美姑河流域梯级通信要求实施全流域的综合自动化，除计算机监控系统利用光缆单独组网外，工业电视系统、门禁及安防系统、消防监控系统、企业管理信息(MIS)系统、生产调度和行政通信系统、水情测报系统等都将采用综合组网方案，因此要求梯级流域通信系统传输质量好、容量大、可靠性高。

就目前通信技术，梯级内部网络可采用光纤、微波、卫星及电力线载波等通信方式，但卫星与电力线载波传输速率较低，不能满足梯级流域综合传输网络的要求；微波通信须建多个微波中继站，存在中继站位置选择较困难、通信电源难以解决、投资较大、今后运行维护困难等缺点，目前已很少采用；光纤通信方式具有容量大、传输质量高、投资省、建设快的特点，特别是在电力系统建设光纤通信系统，可以利用电力杆路架设特种光缆，在减少了投资的同时也增加了光缆线路的安全性，因此光纤通信系统较微波通信系统具有更大的传输容量和更高的可靠性。结合施工期通信、运行维护等因素综合考虑，并借鉴宝兴河、南桠河、火溪河等类似流域的成功经验，美姑河流域梯调内部通信系统采用光纤通信系统。

3 光纤通信系统传输平台的选择

3.1 SDH传输平台

SDH是20世纪80年代末取代准同步数字系列(PDH)的同步数字系列传输体制，在通信标准的7层协议中位于最底层，是基于物理层的基础传输技术。SDH采用时分复用技术，提供2M、34M、155M、622M固定的接口，为用户提供点到点专线业务。

(1)SDH的优点主要表现在以下几个方面：

技术成熟，具有完整的系列和国际标准,在电力系统中应用十分广泛；

面向连接，具有服务质量(QOS)保证；

具有完善的网络保护机制，自愈时间短(标准时间50ms)，具有高的可靠性和实时性。

(2)SDH的不足主要表现在以下几个方面：

占用固定的带宽，最小的颗粒度为2M，且为独占方式，网络带宽资源浪费；

侧重于语音和TDM专线服务，对于其他业务，须配置接入设备，不能在SDH的光口或电口上直接实现，多业务性方面较差；

系统扩展性差，只能在带宽上增加；

只能提供点到点的连接，不能提供点到网络或网络到网络的业务。

3.2 多业务传输平台(MSTP)

MSTP是在SDH设备的基础上，增加支持数据业务传输的接口，将以太网口的信号直接映射到SDH的虚容器中，通过SDH网络进行点到点业务传输，从而使网络在支持语音和TDM专线服务的同时，承载数据业务、VoIP、视频业务、各种虚拟专线服务等多种业务，可为用户提供10/100/1000M以太端口、ATM端口和2M端口。

MSTP的优点主要表现在以下几个方面：

面向连接，具有服务质量(QOS)保证；

具有SDH传统的网络保护机制；

应用数据封装、虚级联数据映射、统计复用等技术，有效利用网络带宽资源；

系统开放性较好，支持多种国际标准协议，能与其他SDH和IP网络互联。

3.3 以太网(TP)

以太网技术是计算机局域网的主流技术之一，遵从IEEE802工作组的相关标准，基于CSMA/CD技术，前几年主要应用于数据传输。近年来随着以太网技术的发展，可以支持COS、划分优先级、带宽预留等技术，以太网已成为同时支持话音、数据、图像等多媒体传输的平台。

采用以太网组网有两种方式：一种是纯IP方式，网络的连接采用交换机的接口模块直接连接；另一种是IP承载在SDH上。在电力系统中，采用纯IP方式传输生产调度和行政管理通信、工业电视系统、MIS系统、消防系统、水情测报系统等数据的纯IP网络还没有先例。采用IP承载在SDH上的方式，虽然可以利用SDH完善的网络保护机制，但增加了传输层的设备，系统的投资较大。

对于生产调度和行政管理通信，特别是生产调度通信，在电站的安装、调试、运行和维护中对通信的可靠性、实时性和调度功能都有较高的要求，纯IP网络的VoIP话音解决方案不能满足要求。

首先，VoIP话音可靠性和实时性不能满足要求：一方面是由于IP网络没有端到端服务质量(QOS)保证。虽然IP网络采用拥塞管理、流量控制、以太网802.1p协议(优先级)等技术来保证服务质量，但IP网络不是面向连接，不能提供点到点的固定带宽服务，所有信号以竞争方式占用带宽，VoIP话音可能与数据、图像以及其他业务发生冲突，造成VoIP语音包的丢失、延时以及延时抖动，生产调度通信的通话质量和实时性得不到保证。另一方面当网络出现拥塞或路由器、交换机遭受攻击时，可能造成网络的瘫痪和崩溃，从而造成生产调度通信的中断，这在电站运行、检修中是不允许的。

其次，是VoIP话音的功能不能满足电力系统调度通信的要求。电站的生产调度电话应具有多种调度功能，其中包括强插、强拆、直达热线、一键到位、指挥调度群设置、指挥调度台可编程、直达路由自动选择等上百种调度功能，这些调度功能用VoIP是不能够完成的。

如果采用IP承载在SDH的通信方式，生产调度和行政管理通信、工业电视系统采用SDH网络传输，MIS系统、消防系统、水情测报系统等数据采用IP网络传输，这样组网方式网路结构复杂，不能形成统一的多业务交换平台，工业电视系统不能与MIS系统接口，网络的运行、维护困难，且须配置多个系统的备品备件。

3.4 光纤通信系统传输平台的确定

根据工程对梯级通信系统多业务要求以及以上各种传输平台的技术比较，IP网络不能满足梯级通信系统的可靠性和实时性的要求，不能作为梯级通信系统的传输方式；SDH可以满足梯级通信系统的可靠性和实时性的要求，但在多业务性方面较差，在技术上不具有先进性，不能满足今后流域内多业务的要求。故美姑河流域梯级通信系统采用MSTP方式组网，既满足系统高可靠性和实时性的要求，又具有先进性。

4 梯级通信系统方案

根据美姑河流域梯级电站的地理位置分布，为满足电站及电站闸首之间的通信需要，采用光纤通信环网组建流域内的梯级通信系统。

该光纤通信环网由集控中心、牛牛坝电站、瓦洛电站、瓦吉吉电站、柳洪电站、坪头电站及各电站的闸首组成，全网络共10个通信节点。其中，集控中心、牛牛坝电站、瓦洛电站、瓦吉吉电站、柳洪电站、坪头电站为整个网络的一级节点，分别配置2.5G带宽的MSTP设备，构成网络的2.5G主环网；瓦洛电站闸首、瓦吉吉电站闸首、柳洪电站闸首、坪头电站闸首由于信息点和信息量都较少，为二级通信节点，分别配置传输数率为155.520Mbit/s的SDH接入设备。环网上的各梯级电站通信节点与它们的闸首构成155.520Mbit/的小环网，利用美姑河梯级电站集控中心至各梯级电站固定VC通道与所有的闸首构成一个大的155.520Mbit/的环网，用于数据、图像的传输。其网络结构拓扑见图1。

各梯级电站、集控中心通过光纤通信环网，经集控中心通信节点，由联合开关站沟通梯级电站至四川省电力调度中心的系统通道。

图1 光纤通信系统拓扑

5 已建成的流域梯级光纤通信系统

目前，柳洪电站、坪头电站均已建成发电，集控中心已于2006年建成并投入运行，流域内已建成了集控中心、柳洪电站、坪头电站光纤通信系统。

已建成的光纤通信系统通信节点包括集控中心、柳洪电站、坪头电站、柳洪电站闸首、坪头电站闸首。其中，集控中心、柳洪电站、坪头电站采用STM-16光纤通信环网，柳洪电站闸首、坪头电站闸首采用STM-1环网；柳洪电站闸首利用集控中心至柳洪电站的STM-1环网中固定的VC通道构成一个155.520Mbit/的环网；坪头电站闸首至坪头电站采用1+1链路。光传输设备采用中兴通信的Unitrans ZXMP-S360、S380/S320设备，PCM终端中兴通信的Unitrans ZXMP 310设备。

6 通信系统方案设计特点

6.1 统一规划、分布实施

根据以往设计经验，结合工程进度安排和业主要求，在柳洪电站建设初期，提出了美姑河流域集中控制的建设方案，为今后各梯级电站的通信设计奠定了基础。在随后的柳洪、坪头电站的设计中，按照梯级流域通信系统的整体规划，进行设备配置，在设备配置上充分考虑环网的需求，做到统一规划、分布实施，并随着流域各梯级电站的建成逐步完善。

6.2 高可靠性

该光纤通信系统在网络结构、设备配置、光缆路由的选择上充分考虑系统的可靠性。

(1)在网络结构上，采用光纤环网结构、二纤通道保护，可实现ITU-T建议中的环网自愈保护方式。单一光纤环网可提供“一点保护”，即当某段光缆线路出现断缆或某通信节点一侧线路设备故障时，每个通信节点的通信不会中断；当某个通信节点的设备出现故障时，不会影响其他通信节点的通信，不会出现通信中断，确保梯级内部可靠的通信。

(2)在设备配置上，主环上各通信节点采用MSTP 2.5G设备，155.520Mbit/的小环网上采用SDH155设备，其主控、交叉连接单元、时钟单元以及电源模块等核心部分采用1+1冗余保护配置，可充分保证设备的可靠。

(3)在光缆路由的选择上，采用沿220kV输电线路敷设OPGW光缆，形成光纤通信网络上半环，沿35kV或10kV输电线路敷设ADSS光缆和少量的普通架空光缆形成光纤通信网络下半环，构成梯级内部光缆环网。ADSS光缆、OPGW光缆的采用，提高了梯级通信系统的可靠性，为流域内梯级电站通信系统提供了强有力的技术保证。

6.3 MSTP设备的采用

在设备选型上，采用MSTP设备，增加数据业务传输的接口，不仅满足了梯级通信系统可靠性和实时性的要求，还可支持话音、数据和图像等多媒体业务的传输需求，可传送大量不同的业务和协议，如ATM、IP、SDH、快速以太网和GE信号；同时该系统具有完善的网络保护机制，既具有SDH网络的多种倒换功能和自愈功能，又具有网络级链路层保护ATM VP环保护和以太网STP保护，使得流域梯级通信系统的可靠性大为提高。

6.4 永临结合

2003年，在进行柳洪电站施工通信设计时，进行了自建内部交换网、租用电信公网等多种通信方案的技经比较，并提出了自建流域内部交换网和光缆线路方案。在柳洪电站、坪头电站建设期，先行架设流域内拉玛乡—柳洪厂区12芯ADSS光缆和柳洪35kV变电站—坪头35kV变电站—乐约乡生活营地的20芯ADSS光缆线路，既解决了电站施工期的大量对内、对外通信，同时又将该光缆线路保留到永久梯级通信系统中，做到永临结合，节省投资。

7 存在的不足

在柳洪电站施工期进行拉玛乡—柳洪厂区ADSS光缆设计时，由于当时光缆价格较高，本着经济合理的原则，选用12芯光缆(话音6芯、计算机监控2芯、备用2芯，预留2芯)，能满足当时的通信需求。后应当地政府要求，为支持当地电信业发展，提供4芯光纤给当地电信部门使用，以解决拉玛乡、乐约乡的通信问题；同时，随着通信技术的迅速发展，计算机监控、调度数据网等对通信要求的不断提高，对纤芯数量的要求增加，使柳洪电站投产时，该段光缆芯数完全用满没有备用芯。为确保整个流域梯级通信的稳定可靠，在坪头电站发电时，重新架设了一条拉玛乡—柳洪厂区的20芯ADSS光缆。

在今后进行类似工程设计时，系统结构、设备配置、光缆芯数的设计均应充分考虑设备余量。