区域保护控制系统网络拓扑研究

杨贵，彭安，李莉

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京211102）



专论与综述

区域保护控制系统网络拓扑研究

杨贵，彭安，李莉

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京211102）

摘要：为解决区域保护控制系统分布式业务的对等通信需求，实现变电站间保护业务的对等通信机制，在现有电力系统多业务传输平台（multi-service transfer platform，MSTP）组网结构基础上研究基于MSTP的对等通信网络拓扑实现方案；同时研究适用于电力系统分组传送网（packet transport network，PTN）的对等通信网络拓扑实现方案；为了弥补MSTP网络环网保护的缺陷，研究了基于高可靠性无缝冗余（high-availability seamless redundancy，HSR）环网技术的对等通信实现方案，并对各种方案进行对比，为将来区域保护控制系统的网络建设提供了有益指导。

关键词：区域保护控制；对等通信；高可靠性无缝冗余；多业务传输平台；分组传送网

随着社会经济的发展，人们对电力的需求和依赖越来越大，对供电质量的要求也越来越高，对于核心业务要求不间断供电。然而，随着互联电网区域的扩大、交换容量的增加及电网电压等级的提高，由互联电网故障引起的特大停电事故几乎成为社会灾难，停电造成的损失也越来越大。保障互联电网的运行安全性，避免重大停电事故的发生变得越来越困难。现有的电力系统三道防线［ 1，2 ］已无法满足日益提供的供电可靠性要求。为了有效提升电力系统的整体供电可靠性，需要改变现有的后备保护模式，采用主动收集相关变电站信息的方式加快后备保护及稳定控制动作时间［ 3 ］，从而达到实现提升供电质量的最终目标。区域保护与控制系统是基于这种目的而诞生的保护控制系统。

1　区域保护控制系统现状

在区域保护实施初期借鉴了很多智能变电站站内的组网方案和保护原理，具体可参考文献［4］了解智能变电站站内的实现方法。区域保护与控制系统由变电站间的站间通信为基础，由控制中心、传输网、各变电站的站域保护控制设备构成。

整个系统由区域保护控制主站、多个区域保护控制子站、就地采集控制设备、通信网关设备等组成，在每个变电站布置区域保护控制子站，任意一个变电站布置区域保护控制主站、主站与子站之间、子站与子站之间通过区域过程层通信网相互连通，协调完成某一区域电网内的所有保护与控制功能。

其中保护系统的拓扑结构为对等通信模型。如图1所示，保护系统由各个变电站内的站域保护设备构成，各个变电站内的站域保护控制设备接收相关变电站内站域保护控制设备发送的报文，并依据报文信息完成区域保护功能。区域内各个变电站内的信息没有统一的接收设备，各设备处于对等的地位。每个变电站内负责与其他变电站进行信息交互的设备为站域保护控制设备，该设备负责收集站内各个间隔的信息，并将信息发送给其他变电站的站域保护控制设备，同时接收其他相关变电站发送的信息并进行保护功能计算及动作。

图1　保护系统架构

区域保护控制系统中的保护业务具有站间对等通信需求，而现网的通信均采用点对点的主从通信模式，无法满足多站间对等通信需求。如将区域保护控制主站当作特殊的站域保护控制设备，那么整个区域保护控制系统可看作一个完整的对等通信模型来建立，文中将以这个前提来讨论最适合区域保护控制系统需求的网络拓扑结构。

区域保护控制系统根据业务类型的不同，要求也有很大的差异，基于目前区域保护控制系统通道延时小于10 ms，误码率小于10-6的要求进行网络方案设计及验证［ 3 ］。

2　通信技术发展

电力系统目前传输网主要由多业务传输平台（multi-service transfer platform，MSTP）设备构成［ 5 ］，该设备采用同步数字体系（synchronous digital hierarchy，SDH）作为业务的载体，采用时分复用（time division multiplexing，TDM）技术进行业务传输；同时，为兼容日益增加的IP等其他传输机制业务需求，开发了支持IP等不同传输机制的业务接入板卡，实现了多业务共平台传输。SDH采用刚性通道进行业务传输［ 6 ］，其具有传输延时相对固定的特点，非常适合可靠性要求高的保护等业务传输。

目前，电力系统开始尝试使用分组传送网（packet transport network，PTN）设备组建传输网，并进行了大量的PTN测试；PTN设备采用分组交换的原理进行报文传输，非常适合新型IP业务的传输。PTN设备采用柔性通道进行业务传输，为确保业务的可靠性，必须借助服务质量（quality of service，QoS）等辅助手段来提升业务的传输可靠性［ 7 ］。但是，PTN设备具有更大的传输带宽，在电力系统业务日益增加、带宽需求日益变大的情况下，有可能成为未来电力系统传输网的主要组网设备。

针对区域保护控制系统的特点，需要实现基于传输网的对等通信网络架构。在对等通信技术方面，目前可用的环网技术主要是快速生成树协议（rapid spanning tree protocol，RSTP）和IEC 62439-3规定的高可靠性无缝冗余环（high-availability seamless redundancy，HSR）技术［ 8 ］，其他一些私有环网技术也可应用在区域保护控制系统中，但通用性较差，文中不作推荐。

为适应现网的传输网设备情况和未来传输网技术的更新，并结合各种环网技术的特点，下文的方案论证中将在SDH和PTN 2个平面进行对等通信实现方式的分析介绍。

3　拓扑结构研究

基于现网SDH的配置情况和目前主流的PTN设备的配置情况，结合环网技术的支持程度进行方案的论证。

3.1基于SDH的RSTP环网方案

如图2所示，利用SDH设备SDH承载以太（ethernet over SDH，EoS）板卡进行以太层的接入，开通业务时采用相邻站间根据业务流量开通SDH侧的通道带宽，可以是1个或几个虚拟通道12 （virtual channel 12，VC12），当业务量足够大时也可开通虚拟通道3（virtual channel 3，VC3）。站点业务报文通过虚拟局域网（VLAN）进行隔离，每个站点接收和发送的VLAN号和数量根据业务情况进行配置。

该方案采用EoS板卡提供的RSTP功能进行环保护，采用该方式需要各站点上传的组播报文在SDH通道上均进行传输，防止单纤故障后组播报文无法从另一个方向传输而导致异常业务终端。该方式总带宽使用情况为：N倍的业务带宽N，N为节点个数。该方式较传统的子网连接保护 （subnetwork connection protection，SNCP）保护方式具有更好的带宽利用率。

图2　基于SDH的RSTP环网方案

但是，该方式受限于EoS板卡的RSTP功能，目前SDH设备的EoS板卡虽然支持了RSTP功能，但RSTP无法有效判断同步传输模块（synchronous transfer module，STM）侧的通道链路状态，导致环网恢复时会出现短暂的通道异常。实验测试发现，在环网STM侧链路中断等情况发生时，会出现2～20 s的环路异常状态，包括2～10 s的短时网络风暴，而该种情况无法满足区域保护控制系统的50 ms链路恢复网络指标要求。

3.2基于SDH的HSR环网方案

如图3所示，利用支持HSR功能的交换机实现业务的接入，HSR通过SDH设备EoS板卡实现双向接入，开通业务时采用相邻站间根据业务流量开通SDH侧的通道带宽，可以是1个或几个VC12通道，当业务量足够大时也可开通VC3通道。站点业务报文通过VLAN进行隔离，每个站点接收和发送的VLAN号和数量根据业务情况进行配置。

该方案采用HSR交换机提供环网保护功能，通过EoS板卡实现HSR双向接入，并开通双向的点对点通道。采用该方式实现各站点上传的组播报文在SDH双向通道上均进行传输，防止单纤故障后组播报文无法从另一个方向传输而导致异常业务终端。该方式总带宽使用情况与3.1节相同，但环网恢复时间为0 ms，优于区域保护控制系统的指标要求。

3.3PTN环网方案

如图4所示，根据MPLS-TP环保护倒换（MPLS-TP ring protocol switch，MRPS）环网要求［ 7 ］，每个站点部署2个分组板卡，每个分组板卡出1个GE端口作为环网的东、西向，业务从分组板卡FE端口接入，分组板卡业务配置采用MRPS方式将业务转发至面板GE端口 （作为MPLS-TP环网的东西向端口，端口类型为 NNI）。分组业务采用 MPLS-TP （MPLS-transport profile）环网保护方式（配置在分组板卡）；保护倒换时间小于50 ms。

图3　基于SDH的HSR环网方案

图4　PTN环网方案

假设组播业务按照A→B→C→D方向逐跳转发，环网中组播带宽只占用1份带宽。在环网中可设置阻塞节点预防广播风暴的发生，当发生节点故障时，打开阻塞点进行保护倒换。当C—D之间的链路故障时，A—D之间的阻塞点打开，保证业务不中断传输。当C站点的单板故障时，A—D之间的阻塞点打开，确保业务不中断传输，受影响的仅是故障单板业务。

3.4基于PTN的HSR环网方案

如图5所示，每个站点部署2个分组板卡，每个分组板卡出1个GE端口作为HSR环网的东、西向，业务首先接入HSR交换机，HSR交换机的2个环网端口分别接入到PTN设备的2个分组接口板上，分组接口板分别对应东、西分组板卡。PTN设备不采用任何保护方式，通过HSR交换机实现环网保护功能，环网倒换时间为0 ms。

假设组播业务按照A→B→C→D方向逐跳转发，环网中组播带宽只占用左、右方向各1份带宽。在HSR环网中发生单节点故障时，依然能够确保组播业务正确送达接收终端。同时，PTN设备给出链路故障告警，方便用户进行故障定位。

图5　基于PTN的HSR环网方案

3.5HSR环网方案

如图6所示，每个站点部署1台HSR交换机，站点之间通过专用光纤进行HSR交换机的环网连接。每个站点的HSR交换机分别通过环网端口与左、右方向站点的HSR交换机级联，最终构成各站点间的HSR环网。

图6　HSR环网方案1

该组网方式为标准的HSR环网方式，环网恢复时间为0 ms。

3.6方案对比

以上5种不同的业务开通类型均可满足对等通信的理念要求，但是，每种方案均有优点和不足，表1从带宽利用情况、环网恢复时间、保护业务开通、延时特性、安全特性等几个最为主要的方面进行了比较。

表1　各种方案比较

从比较结果来看，基于SDH平面的方案中RSTP环网方案具有较好的带宽利用率和保护功能，需求业务带宽为（N'-1）倍的每路报文流量，其中N'为区域保护控制系统中主子站的总和，开启的环保护功能可以保护到EoS板卡，SNCP保护仅能保护到SDH层面；但该方式的环网恢复时间无法满足区域保护控制系统业务的需求。基于SDH的HSR环网方案可满足区域保护控制系统业务的需求，在业务带宽需求上与基于SDH的RSTP环网方案一致，因此，在现网的情况下更适合推广应用。

PTN平面上的2种方案中纯PTN平面具有更好的传输延时、带宽利用率和较少的板卡，通道切换时间也可以满足区域保护控制系统业务需求。但是与基于PTN的HSR环网方案比较，无法做到通道故障时的无缝切换。

PTN平面解决方案相较SDH平面解决方案，具有传输通道非硬通道（非TDM通道）的缺点，在一些重要应用场合需要考虑如何确保业务安全性的问题。从PTN技术发展与保护业务的不断融合来看，将来纯PTN平面的传输网将有可能取代SDH而被大面积采用。因此，现网推荐采用基于SDH平面的VLAN环网方案，PTN平面建议采用纯PTN环网方案作为区域保护控制系统的网络拓扑方案。

HSR环网解决方案有效地解决了基于SDH平面的带宽有限问题，同时也解决了PTN平面的非刚性通道的业务串扰问题。不过该组网方案需要额外通过光缆构成独立的HSR站间环网，局限性较大，不利于大范围的推广应用。

4　结束语

以现网传输设备的现状和通信技术的发展为出发点，完成了基于SDH平面、PTN平面和专网等各种满足对等通信组网方案的研究。分别提出了利旧的SDH解决方案、符合新技术的PTN解决方案和HSR组网组网方案，并对各种组网方案进行了对比，其对将来的区域保护控制系统的业务开通具有一定的指导意义。随着技术的发展，区域保护控制系统承载的业务不断完善，需要研究基于SDH平面和PTN平面的站间对时技术和安全防护等方面的问题；甚至为了减少业务开通时的配置工作量，需要开展基于IP层面的动态路由技术研究，来满足不断变化的业务需求。

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杨贵（1976），男，吉林柳河人，高级工程师，从事变电站自动化系统、智能变电站系统及交换机研发工作；

彭安（1983），男，湖南汨罗人，工程师，从事变电站自动化及配电网自动化工作；

李莉（1976），女，陕西渭南人，工程师，从事变电站交换机技术研发工作。

Research on the Network Topology of Regional Protection Control System

YANG Gui， PENG An， LI Li
（Nanjing Nari-Relays Electric Co. Ltd.， Nanjing 211102， China）

Abstract：In order to meet the peer-to-peer communication demand of distributed services of regional protection and control system and to realize the peer-to-peer communication mechanism of protection and control service between substations， the network topology for realizing peer-to-peer communication based on Multi-Service Transfer Platform is studied. At the same time， the network topology for peer-to-peer communication based on packet transport network （PTN） equipment is investigated. Also， the network topology for peer-to-peer communication based on high-availability seamless redundancy （HSR） ring network technology is studied. At last， the comparisons between various network schemes are presented， which provides a beneficial guidance for the construction of regional protection and control system.

Key words：regional protection control system； peer-to-peer communication； high-availability seamless redundancy （HSR）；Multi-Service Transfer Platform （MSTP）； packet transport network （PTN）

中图分类号：TM77

文献标志码：A

文章编号：1009-0665（2016）03-0001-04

作者简介：

收稿日期：2015 -12-05；修回日期：2016-01-27