提高电力稳控系统通信网络利用率方法的研究

陈锦昌，陈兴华，钟初礼，黄立贤

（1.广东电网电力调度控制中心，广东 广州 510000；2.江苏华瑞泰科技股份有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

区域性稳控系统[1]由多个变电站、电厂等组成，彼此相距很远，且多处于偏远地区。在稳控系统联调中，需要在主站对多个子站进行联调的指挥，且需要了解各个子站的当前状态。而在变电站中，由于手机等设备有可能影响变电站的装置运行，变电站禁止无绳通讯设备的使用，而可用于联调的微波电话欠缺或者无法置于屏前，无法有效用于联调，并且有些变电站处于偏远地区，信号覆盖不足，基于因特网等手段的通信方式无法有效应用，给联调通信带来了不便。

在稳控系统中，通信是必不可少的配置，基于HDLC 协议[2]的E1 通道[3-4]广泛存在于各个站之间，用于稳控装置之间的通信信道为带宽2 M 的通道，而正常的稳控通信报文仅占用最多不到200 K 的带宽，带宽闲置率较大，资源利用率不高，因此可以利用剩余的90%带宽传输视频与音频信息，这样可以利用原有的通道资源，而且可以进行对多个站的通信，能有效解决联调通信的问题。

1 视音频信号编码方式的研究

由于要在2 M 通道中传输视音频信号，首先要保证原有稳控数据的可靠和稳定，同时为了保证联调通信的质量[5]，需要流畅清晰的视音频信号，因此对视音频信号的编码与压缩也提出了一定的要求。

1.1 稳控报文的特点

作为稳控通信报文[6]，具有长度短、定义明确、格式固定的特点，分正常报文和命令报文，报文由12 个16 位半字组成，包括报文头、命令字、信息字、校验码，其报文（用c 表示）格式如表1。

表1 稳控报文cTable 1 Stability control packet c

依据HDLC 传输规范，一帧稳控报文除其正常内容外还有帧头、长度、地址段、控制段及校验码，因此，一个稳控报文的位长度为

LB=（4+12）×16+6=262 位

若每1.667 ms 传送一次，则每秒600 次，可计算出稳控报文的带宽为

WB=262×600=157.2 kb/s

相对于2.048 Mb/s 的带宽，有90%以上的带宽被闲置。若每3.333 ms 传送一次，则每秒300 次，需要占用的带宽仅为78.6 kbps，即两个稳控报文传输之间存在大量的空闲时间，可以合理利用这个空闲时间，传输联调通信所用的数据。

由于正常通信报文在稳控通道中所占的带宽比较小，可以用来传输其他数据，并且利用稳控通道，就解决了通信网络覆盖的问题，而且主站对子站的一对多通道，也可以进行同时通信，为联调带来了便利。

1.2 视音频数据包的特点

相对于稳控报文，视音频数据包流量大、编码自由度大、并划分有较多的编码层次[7]。这里所采用的H.264 编码[8]，是ISO 和ITU-T 联合制定的新一代视频压缩标准，其特征与主要优势有以下几点：

(1) 低码流[low bit rate]：和mpeg2 和mpeg4 asp等压缩技术相比，在同等图像质量下，采用h.264技术压缩后的数据量只有mpeg2 的1/8，mpeg4 的1/3。

(2) 高质量的图像：h.264 能提供连续、流畅的高质量DVD 图像。

(3) 容错能力强：h.264 提供了解决在不稳定网络环境下容易发生的丢包等错误的必要工具。

(4) 网络适应性强：h.264 提供了网络适应层[network adaptation layer],使得h.264 的文件能容易地在不同网络上传输。

使用H.264 编码，就能在有限的带宽中传输高质量的视频信息。

1.3 采用稳控通道传送视音频所要解决的问题

稳控通道是基于HDLC 协议的码流，网络摄像机是基于RTP 协议的码流[9]，两者之间无任何的融合性，且稳控系统的报文要求严格的实时性和可靠性，必须在精确的间隔时间点上可靠地传输与接收，不能被音视频传输的大流量数据所堵塞，这都是不同码流在同一通道中传输所面临的技术难点。

另外，在处理这两种不同要求的报文的过程中，对其拆包并重新封装的算法较复杂，需要大量的矩乘运算，这对处理器的性能及无损算法的优化都有很高的要求。同时还需兼顾两种报文混编后的标识及各层次报文包的优先级，不能使最后的接收复原产生混叠或接收延迟，这些都需要在技术上有所重新才能满足要求。

2 实现方法及相应的算法

2.1 报文码流的混编和传送

首先采取排定优先级的方法，保证基本的稳控码流的流畅，同时需要碎片化处理音视频数据包，并将稳控报文也变成一个相应的碎片，这使得在传输层次上两者具有了共同的传输特性，可以融合在在同一物理通道上传输，称作碎片化传输法。

设c为稳控报文包，p为视音频数据包的碎化单元，同时对c、p进行碎化处理，则有

其中：E1为稳控报文的碎化因子；E2为视音频数据包的碎化因子。C、P分别是稳控及视音频的碎化报文片。设S为一个封装好的完整的视音频数据包，则有

考虑到稳控报文与视音频数据的不同格式，E1、E2碎化因子中另外包括了对两者的标识[10]和排序作用，其标识分类如图1所示。

图1 标识分类示意图Fig.1 Identifiers of the classification system

经过上述变换，可得出k时刻按时间优先级的传输集，其中左边的优先级最高，可被优先传送，向右逐次降低。这里标识为稳控碎化片的报文优先级最高为0 级。

其中：

T为1.667 ms 时间间隔内所允许传送的数据包的大小。

视音频数据包中包含静态图像数据、动态图像数据、音频数据、连接管道数据等多层次内容，需要依次排定1-4 级优先级，以保证较重要的数据优先传送。按优先级的传输顺序如图2所示。

2.2 码流的接收和无失真分离识别算法

在接收端，需首先进行分离处理，分离因子对接收数据片进行矩乘运算，分离出稳控报文与视音 频数据数组，再将视音频数据数组重组成原始的数据包，称作无缝重组法。

图2 以优先级顺序的码流图Fig.2 Code flow in priority order

以下是接收报文片的集合，按接收到的先后，也就是时间顺序用矩阵形式表示。

以稳控报文分离因子F1矩乘R，即可从R中分离得出原来的稳控报文。

以分离因子F2矩乘R，即可从R中分离得出原来的视音频数据包S。

以上的E和F运算因子亦是矩阵形式，它们之间包含了严格的对应关系，体现了对报文矩阵中各个元素的取舍、排序、标识及优先级的所有内容，从运算的逻辑中保证了拆分及复原的保真正确性。

3 一对一联调通信系统的组成

联调通信系统的架构如图3。

A 站和B 站组成基本的一对一联调通信系统，完全是按基于稳控平台的一体化安自装置设计[11]。其中A 站测量2 条母线、4 台主变、6 条线路、16条负荷线或电源线，具备判断低频低压、主变过流及跳闸、线路过流及跳闸功能，并可根据故障前断面功率检索策略表，产生切机、切负荷命令[12]。并具备了备用电源自动投入功能。B 站模拟电厂8 台机组运行状态，向A 站发送机组的运行状态，接收A 站发来的切机命令并执行。

图3 一对一联调通信系统架构图Fig.3 Architecture of one-to-one joint debugging communication system

基于稳控信道的联调通信系统，主要由三个模块构成：

(1) 视音频采集模块

视音频采集由高性能的网络摄像机完成，网络摄像机同时完成视音频的编码工作，将视音频信息编码为通用的以太网视音频码流[13]。

(2) 通信模块

通信模块为以高性能32 位嵌入式CPU 为核心的通信板，用20532 通信管理芯片[14-15]实现2M 通信，主要完成稳控报文接收、视音频码流接收、码流混编、及发送与接收等工作。内部软件以可靠的中断方式运行，保证了稳控报文的可靠转发。通信板内部原理框图如图4。

图4 通信板原理框图Fig.4 Block diagram of the communication board

(3) 监控模块

监控模块进行视音频码流的译码，同时提供图像显示、音频播放的功能。

通过对一对一联调通信系统的运行试验及验收表明：稳控装置所有的运行状态正确稳定，各种判断及策略准确无误，同时视音频图像清晰流畅、声音清楚洪亮，视音频码流速率可达1.5 Mb/s，满足或超过对图像声音质量的要求，并且对稳控报文的传输不产生任何影响。

4 一对多联调通信系统的实施方案

较复杂的区域性稳控系统通常是一主站对多子站的系统（子站数量≤16 个[16]）。为达到此要求，在主站侧用网络交换机汇聚多个子站的视音频数据，并用多画面的监控软件即可切换各个子站的视音频显示和播放。其架构如图5。

图5 一对多联调通信系统架构图Fig.5 Architecture of one-to-many joint debugging communication system

5 应用实例

本套系统已装设在广东端州站——云浮电厂安稳系统中，在联调安稳系统时发挥了很大的作用。

端州变电站位于肇庆市端州区东边龙门山西侧的马头岗，为220 kV 等级的变电站；云浮发电厂位于云浮市云城区河口街，总装机容量为1 120 MW，两者之间相距47 km。未使用本装置时，两边联调需要主站每做一次实验，就打电话向对面站寻问动作情况。由于装置安放在屏蔽的小室内手机信号弱，造成打电话给对面的调试人员时通话质量差甚至是无法接通的情况经常发生，两个站之间的联络变得很不方便。装设本装置后，云浮电厂的调试人员能够很清楚地看到端州主站的情况，及时向端州主站的调试人员上报情况，极大地提高了调试的工作效率。

端州稳控系统联调时的视频图像截图见图6。

图6 监控图像画面Fig.6 Picture of monitor screen

6 结语

联调中的通信，是稳控系统联调的重要组成部分。通过对不同专业技术综合应用开发，并解决理论算法和应用技术的难题，提出在稳控联调中新的方法和手段，提高了稳控联调的效率和直观性，同时方便了日常运维工作，并使闲置资源得以充分利用。在实际的推广应用中，必将产生更大的经济效益。

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