适应多种应用场景的安全稳定控制系统通信单元的研制

2020-09-29马玉龙曹镓熙

山东电力技术 2020年9期

陶翔，马玉龙，夏雨，3，郭勋，曹镓熙

（1.国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 211106；2.南瑞集团有限公司，江苏南京 211106；3.智能电网保护和运行控制国家重点实验室（南瑞集团有限公司），江苏南京 211106）

0 引言

安全稳定控制系统（以下简称“稳控系统”）是保证电力系统安全稳定运行的重要防线。当前我国特高压交直流混联电网建设纵深推进，新能源发电占比稳步提高，电网安全稳定问题正发生深刻变化［1-2］，提高稳控系统性能及可靠性的需求也日益迫切。

稳控系统是由2 个及以上厂站的稳控装置通过通信设备联络构成的系统［3］，同一系统中位于不同厂站的稳控装置通过通信单元接入同步数字体系（SDH）通信专网，从而进行点对点的通信。基于SDH通信专网的组网方式广泛应用于常规稳控系统、特高压交直流电网稳控系统、毫秒级精准负荷控制系统中［4-5］，在小规模电网安全稳定实时控制系统中的应用已有研究［6］。通信单元作为系统中的重要环节，在一定程度上影响着稳控系统的可靠性［7-8］。

现有稳控系统中应用的通信单元存在型号繁多、硬件平台差异大、接口不统一的问题，给工程设计、运行和维护带来了一定难度，稳控系统的可靠性难以保证。

针对稳控系统中存在的上述问题，分析现有稳控系统中所用通信单元的功能及接口类型，结合稳控系统中现有的接口资源，提出了适应多种应用场景的安全稳定控制系统通信单元的设计方案，研制样机并进行了系统验证。

1 通信单元接口需求分析

1.1 传统稳控系统通信单元接口需求

稳控系统中的稳控装置按照功能可划分为3 个层次，即控制主站、控制子站及执行站，由于接口需求类似，仅以主站为例分析通信单元接口需求，传统稳控系统控制主站通信如图1 所示。为保证可靠性，稳控装置一般采用双重化配置。

图1 稳控系统控制主站通信

相邻层级的稳控装置依托由SDH 通信专网分配的2M（速率为2 048 kbit/s 通道的简称）专用通道通信，稳控装置间的通信一般通过预留的光纤通道完成，而厂站中的SDH 通信设备则采用E1 接口提供服务。通信单元的作用即是将稳控装置的光纤接口转换为符合E1 规范的同轴电缆或光纤接口，并连接至厂站中的SDH 设备。

因此，传统稳控系统通信单元应具备：1）用于和稳控装置通信的光纤接口；2）若干组E1 同轴电缆或光纤接口用于连接2M 专用通道。

1.2 毫秒级精准负荷控制系统通信单元接口需求

毫秒级精准负荷控制是电网故障情况下的紧急控制措施，精准负荷控制系统属于稳控系统的一种。与传统稳控系统类似，精准负荷控制系统也采用主站、子站以及执行站3 层架构，但控制对象由变电站负荷线路转变为电力大用户低压馈线，因此接入系统的控制对象数量非常大。

精准负荷控制系统控制主站与控制子站上行通道的接口需求与传统稳控系统相同，此处不再赘述。下面重点分析精准负荷控制子站下行通道与海量控制执行站接入的通信单元接口需求。

1.2.1 控制子站下行通道通信单元接口需求

控制子站下行通道负责汇集其所辖范围内所有控制执行站的负荷信息，并下达切负荷命令。精准负荷控制系统由于执行终端数量繁多，若仍采用传统稳控系统子站下行通道设计方案，则需占用大量2M专线资源。因此，文献［9］提出了采用STM-1 接口将控制子站下行通道接入SDH 通信专网，极大地节约了设备及空间资源，如图2 所示。

图2 精准负荷控制子站下行通道接入

精准负荷控制系统子站下行通道的通信单元应满足：1）具备光纤接口与控制子站中稳控装置的光纤接口相连；2）提供符合STM-1 规范的光纤接口用于连接SDH 设备。

1.2.2 控制执行站通信单元接口需求

与传统稳控系统不同，精准负荷控制系统的执行站不再是变电站中的稳控装置，而是装设于电力用户处的负荷控制终端。通信单元可与负荷控制终端备用的电以太网接口或专用光纤接口连接；SDH通信专网接入则要考虑电力用户处是否具备2M 专线接入的条件。

1）具备2M 专线接入条件的执行站。

部分负荷控制终端装设在燃煤电厂及水电站等接入条件较好的厂站中，这些厂站一般已装设SDH通信设备，具备2M 专线接入的条件。通信单元应具备2 组E1 同轴电缆或光纤接口接入2M 专线，并提供1 组电以太网接口或专用光纤接口用于和负荷控制终端通信，如图3 所示。

图3 燃煤电厂负荷控制终端接入

2）不具备2M 专线接入条件的执行站。

系统中大量负荷控制终端装设在工业用户的配电房中，并不具备2M 专线直接接入的条件。因此，一般选择用户附近有SDH 通信设备的变电站作为系统接入点。为了节约2M 专线资源，文献［9］提出了8 个电力用户共享1 条2M 专线的接入方案，通信单元采用8 路专用光纤接口与用户处的接口装置通信，同时提供2 组E1 同轴电缆或光纤接口接入2M 专线，如图4 所示。

为满足该应用场景的接口需求，就近变电站的通信单元应具备2 组E1 同轴电缆或光纤接口，并具备多组专用光纤接口连接负荷控制终端。

图4 工业用户负荷控制终端接入

2 新型通信单元设计

2.1 硬件架构

新型通信单元采用基于可扩展处理器系列（ZYNQ）的高性能片上系统（SoC）平台，装置的硬件架构如图5所示，其中PHY 表示以太网物理层接口芯片。

图5 新型通信单元硬件架构

为兼顾接口可扩展性与整机成本，装置分为处理器主板与接口子板2 部分。

处理器板SoC 采用低压差分信号（Low Voltage Differential Signaling，LVDS）接口外扩3 组光纤接口，其中1 组为STM-1 接口，2 组为百兆以太网光纤接口；内置1 路百兆以太网MAC 模块，并通过RMII接口的以太网PHY 外扩1 路百兆电以太网接口。2路百兆以太网光纤接口用于和稳控装置通信；STM-1接口用于精准负荷控制系统子站下行通道的接入；以太网电口用作调试接口。

接口子板分为同轴电缆接口板和光纤接口板两种，可根据具体应用灵活配置。同轴电缆接口板对外提供8 组符合E1 规范的同轴电缆接口，可以满足8路2M 专线的接入。光纤接口板具备8 组光纤接口，可用作E1 光纤接口，也可在精准负荷控制系统中连接负荷控制终端，使用HDLC 链路层协议与负荷终端通信。

2.2 稳控装置通信链路聚合技术

通信单元在精准负荷控制系统子站下行通道应用场景中的数据流量达到峰值。STM-1 接口传输63条2M 通道的数据，单条2M 下行通道的应用数据为24 B，精准负荷控制系统的数据传输间隔为1.667 ms，不计及链路层及传输层通信协议带来的额外开销，单个STM-1 接口的实际数据流量为

式中：BW为单个STM-1 接口的实际数据流量；n 为STM-1 通道中所含2M 通道的数目；SD为单条2M 通道中的应用数据量；Tint为数据传输间隔。

新型通信单元采用光纤与稳控装置通信，设计采用百兆光纤以太网接口，设计传输带宽能够满足应用需求。但依据IEEE 802.3 以太网数据链路层规范，单个以太网帧的最大长度为1 518 B，去除规范中所需校验码等必要内容，可传输的应用数据最大长度为1 500 B［10］。STM-1 接口单次发送的应用数据量为1 512 B，超过了以太网接口单次发送限制。解决以太网帧单次发送容量的问题一般考虑采用多帧传输方案，即将STM-1 接口单次发送的应用数据分成多个以太网帧，分次传输，但分帧传输将对系统实时性产生不利影响。

为解决此问题，提出基于百兆光纤以太网的稳控装置通信链路聚合技术，即采用2 条百兆光纤以太网同步传输，以满足稳控系统应用数据的实时性要求。

使用STM-1 接口通信时，63 路2M 应用数据分配至2 条百兆以太网光纤通道中传输，其中1 路光纤通道传输32 路2M 数据，另1 路传输31 路2M 数据。稳控装置与通信单元采用1 500 B 自定义数据格式通信，帧结构如图6 所示。

图6 自定义数据帧格式

图6 中，BJ_ID 表示稳控装置通道ID 号，用于识别光纤通道；FNUM 表示帧序号，每发送1 帧数据后，序号自动加1，用于防止重复帧；Syn 分为低字节Syn_L 和高字节Syn_H，表示中断序号；Sta 分为低字节Sta_L 和高字节Sta_H，表示接收端状态字。

3 新型通信单元在稳控系统中的应用

3.1 在传统稳控系统中的应用

传统稳控系统的应用场景中，新型通信单元与稳控装置通过1 路百兆光以太网通信，根据现场SDH 设备的E1 接口类型，选择同轴电缆或光纤接口板。单个通信单元最多可支持与4 个同一系统中的稳控装置通信。图7 为典型的稳控主站应用。

图7 新型通信单元在传统稳控主站中的应用

3.2 在精准负荷控制系统子站下行通道中的应用

新型通信单元应用于精准负荷控制系统的控制子站下行通道中时，使用2 个百兆光以太网与稳控装置通信，再通过通信单元链路聚合技术，将2 条百兆以太网中的数据合并，并重新编码为符合STM-1接口规范的码流，并从STM-1 光纤接口发送出去；反之，将STM-1 接口上传的数据分流至2 条以太网通道中。新型通信单元的连接如图8 所示，该应用中可不选配接口子板，以节约装置成本。

3.3 在精准负荷控制系统控制执行站的应用

新型通信单元在精准负荷控制系统执行站接入层的应用同样分为具备2M 专线接入条件的场合（如燃煤电厂、水电站等），以及不具备2M 专线接入的场合。

在具备2M 专线接入的场合，新型通信单元使用光纤接口板上指定的2 对光纤作为E1 光纤接口，连接SDH 网络设备；与负荷控制终端通信的光纤接口可为光纤接口板剩余6 对光纤中的任意1 对。考虑实时性的需求，新型通信单元与负荷控制终端采用HDLC 协议通信。连接关系如图9 所示。

图8 新型通信单元在精准负荷控制系统下行通道的应用

图9 新型通信单元在燃煤电厂负荷控制终端接入的应用

当用作工业用户接入时，新型通信单元安装在用户附近的接入层变电站中，使用2 路E1 光纤接口接入SDH 设备；另外6 路通过光纤连接到大用户配电房中安装的负荷控制终端，同样采用HDLC 协议进行通信，连接关系如图10 所示。

图10 新型通信单元在工业用户负荷控制终端接入的应用

4 系统验证

为验证新型通信单元各通信接口功能及传输实时性，按照精准负荷控制系统架构，搭建了如图11的测试系统。系统包含控制主站、控制子站、燃煤电厂典型接入方式与工业电力用户接入方式4 类典型应用，可最大化覆盖通信单元的接口。

测试系统采用安控测试仪向控制主站发出切负荷命令，测试了原系统接入方式与研制的新型通信单元接入方式下，主站决策至子站收到控制命令、子站决策至工业用户负荷控制终端收到命令、子站决策至燃煤电厂负荷控制终端收到命令3 个环节的通信耗时，如表1 所示。试验数据表明，新型通信单元接入方式在通信耗时方面优于原有接入方式。