適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)景的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)通信單元的研制

陶 翔，馬玉龍，夏 雨，3，郭 勛，曹鎵熙

（1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；2.南瑞集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 211106；3.智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南瑞集團(tuán)有限公司），江蘇 南京 211106）

0 引言

安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)（以下簡稱“穩(wěn)控系統(tǒng)”）是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要防線。當(dāng)前我國特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)建設(shè)縱深推進(jìn)，新能源發(fā)電占比穩(wěn)步提高，電網(wǎng)安全穩(wěn)定問題正發(fā)生深刻變化［1-2］，提高穩(wěn)控系統(tǒng)性能及可靠性的需求也日益迫切。

穩(wěn)控系統(tǒng)是由2 個(gè)及以上廠站的穩(wěn)控裝置通過通信設(shè)備聯(lián)絡(luò)構(gòu)成的系統(tǒng)［3］，同一系統(tǒng)中位于不同廠站的穩(wěn)控裝置通過通信單元接入同步數(shù)字體系（SDH）通信專網(wǎng)，從而進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信?；赟DH通信專網(wǎng)的組網(wǎng)方式廣泛應(yīng)用于常規(guī)穩(wěn)控系統(tǒng)、特高壓交直流電網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)、毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)中［4-5］，在小規(guī)模電網(wǎng)安全穩(wěn)定實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用已有研究［6］。通信單元作為系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，在一定程度上影響著穩(wěn)控系統(tǒng)的可靠性［7-8］。

現(xiàn)有穩(wěn)控系統(tǒng)中應(yīng)用的通信單元存在型號(hào)繁多、硬件平臺(tái)差異大、接口不統(tǒng)一的問題，給工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)帶來了一定難度，穩(wěn)控系統(tǒng)的可靠性難以保證。

針對(duì)穩(wěn)控系統(tǒng)中存在的上述問題，分析現(xiàn)有穩(wěn)控系統(tǒng)中所用通信單元的功能及接口類型，結(jié)合穩(wěn)控系統(tǒng)中現(xiàn)有的接口資源，提出了適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)景的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)通信單元的設(shè)計(jì)方案，研制樣機(jī)并進(jìn)行了系統(tǒng)驗(yàn)證。

1 通信單元接口需求分析

1.1 傳統(tǒng)穩(wěn)控系統(tǒng)通信單元接口需求

穩(wěn)控系統(tǒng)中的穩(wěn)控裝置按照功能可劃分為3 個(gè)層次，即控制主站、控制子站及執(zhí)行站，由于接口需求類似，僅以主站為例分析通信單元接口需求，傳統(tǒng)穩(wěn)控系統(tǒng)控制主站通信如圖1 所示。為保證可靠性，穩(wěn)控裝置一般采用雙重化配置。

圖1 穩(wěn)控系統(tǒng)控制主站通信

相鄰層級(jí)的穩(wěn)控裝置依托由SDH 通信專網(wǎng)分配的2M（速率為2 048 kbit/s 通道的簡稱）專用通道通信，穩(wěn)控裝置間的通信一般通過預(yù)留的光纖通道完成，而廠站中的SDH 通信設(shè)備則采用E1 接口提供服務(wù)。通信單元的作用即是將穩(wěn)控裝置的光纖接口轉(zhuǎn)換為符合E1 規(guī)范的同軸電纜或光纖接口，并連接至廠站中的SDH 設(shè)備。

因此，傳統(tǒng)穩(wěn)控系統(tǒng)通信單元應(yīng)具備：1）用于和穩(wěn)控裝置通信的光纖接口；2）若干組E1 同軸電纜或光纖接口用于連接2M 專用通道。

1.2 毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)通信單元接口需求

毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制是電網(wǎng)故障情況下的緊急控制措施，精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)屬于穩(wěn)控系統(tǒng)的一種。與傳統(tǒng)穩(wěn)控系統(tǒng)類似，精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)也采用主站、子站以及執(zhí)行站3 層架構(gòu)，但控制對(duì)象由變電站負(fù)荷線路轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏Υ笥脩舻蛪吼伨€，因此接入系統(tǒng)的控制對(duì)象數(shù)量非常大。

精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)控制主站與控制子站上行通道的接口需求與傳統(tǒng)穩(wěn)控系統(tǒng)相同，此處不再贅述。下面重點(diǎn)分析精準(zhǔn)負(fù)荷控制子站下行通道與海量控制執(zhí)行站接入的通信單元接口需求。

1.2.1 控制子站下行通道通信單元接口需求

控制子站下行通道負(fù)責(zé)匯集其所轄范圍內(nèi)所有控制執(zhí)行站的負(fù)荷信息，并下達(dá)切負(fù)荷命令。精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)由于執(zhí)行終端數(shù)量繁多，若仍采用傳統(tǒng)穩(wěn)控系統(tǒng)子站下行通道設(shè)計(jì)方案，則需占用大量2M專線資源。因此，文獻(xiàn)［9］提出了采用STM-1 接口將控制子站下行通道接入SDH 通信專網(wǎng)，極大地節(jié)約了設(shè)備及空間資源，如圖2 所示。

圖2 精準(zhǔn)負(fù)荷控制子站下行通道接入

精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)子站下行通道的通信單元應(yīng)滿足：1） 具備光纖接口與控制子站中穩(wěn)控裝置的光纖接口相連；2） 提供符合STM-1 規(guī)范的光纖接口用于連接SDH 設(shè)備。

1.2.2 控制執(zhí)行站通信單元接口需求

與傳統(tǒng)穩(wěn)控系統(tǒng)不同，精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的執(zhí)行站不再是變電站中的穩(wěn)控裝置，而是裝設(shè)于電力用戶處的負(fù)荷控制終端。通信單元可與負(fù)荷控制終端備用的電以太網(wǎng)接口或?qū)Ｓ霉饫w接口連接；SDH通信專網(wǎng)接入則要考慮電力用戶處是否具備2M 專線接入的條件。

1）具備2M 專線接入條件的執(zhí)行站。

部分負(fù)荷控制終端裝設(shè)在燃煤電廠及水電站等接入條件較好的廠站中，這些廠站一般已裝設(shè)SDH通信設(shè)備，具備2M 專線接入的條件。通信單元應(yīng)具備2 組E1 同軸電纜或光纖接口接入2M 專線，并提供1 組電以太網(wǎng)接口或?qū)Ｓ霉饫w接口用于和負(fù)荷控制終端通信，如圖3 所示。

圖3 燃煤電廠負(fù)荷控制終端接入

2）不具備2M 專線接入條件的執(zhí)行站。

系統(tǒng)中大量負(fù)荷控制終端裝設(shè)在工業(yè)用戶的配電房中，并不具備2M 專線直接接入的條件。因此，一般選擇用戶附近有SDH 通信設(shè)備的變電站作為系統(tǒng)接入點(diǎn)。為了節(jié)約2M 專線資源，文獻(xiàn)［9］提出了8 個(gè)電力用戶共享1 條2M 專線的接入方案，通信單元采用8 路專用光纖接口與用戶處的接口裝置通信，同時(shí)提供2 組E1 同軸電纜或光纖接口接入2M 專線，如圖4 所示。

為滿足該應(yīng)用場(chǎng)景的接口需求，就近變電站的通信單元應(yīng)具備2 組E1 同軸電纜或光纖接口，并具備多組專用光纖接口連接負(fù)荷控制終端。

圖4 工業(yè)用戶負(fù)荷控制終端接入

2 新型通信單元設(shè)計(jì)

2.1 硬件架構(gòu)

新型通信單元采用基于可擴(kuò)展處理器系列（ZYNQ）的高性能片上系統(tǒng)（SoC）平臺(tái)，裝置的硬件架構(gòu)如圖5所示，其中PHY 表示以太網(wǎng)物理層接口芯片。

圖5 新型通信單元硬件架構(gòu)

為兼顧接口可擴(kuò)展性與整機(jī)成本，裝置分為處理器主板與接口子板2 部分。

處理器板SoC 采用低壓差分信號(hào)（Low Voltage Differential Signaling，LVDS） 接口外擴(kuò)3 組光纖接口，其中1 組為STM-1 接口，2 組為百兆以太網(wǎng)光纖接口；內(nèi)置1 路百兆以太網(wǎng)MAC 模塊，并通過RMII接口的以太網(wǎng)PHY 外擴(kuò)1 路百兆電以太網(wǎng)接口。2路百兆以太網(wǎng)光纖接口用于和穩(wěn)控裝置通信；STM-1接口用于精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)子站下行通道的接入；以太網(wǎng)電口用作調(diào)試接口。

接口子板分為同軸電纜接口板和光纖接口板兩種，可根據(jù)具體應(yīng)用靈活配置。同軸電纜接口板對(duì)外提供8 組符合E1 規(guī)范的同軸電纜接口，可以滿足8路2M 專線的接入。光纖接口板具備8 組光纖接口，可用作E1 光纖接口，也可在精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)中連接負(fù)荷控制終端，使用HDLC 鏈路層協(xié)議與負(fù)荷終端通信。

2.2 穩(wěn)控裝置通信鏈路聚合技術(shù)

通信單元在精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)子站下行通道應(yīng)用場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)流量達(dá)到峰值。STM-1 接口傳輸63條2M 通道的數(shù)據(jù)，單條2M 下行通道的應(yīng)用數(shù)據(jù)為24 B，精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸間隔為1.667 ms，不計(jì)及鏈路層及傳輸層通信協(xié)議帶來的額外開銷，單個(gè)STM-1 接口的實(shí)際數(shù)據(jù)流量為

式中：BW為單個(gè)STM-1 接口的實(shí)際數(shù)據(jù)流量；n 為STM-1 通道中所含2M 通道的數(shù)目；SD為單條2M 通道中的應(yīng)用數(shù)據(jù)量；Tint為數(shù)據(jù)傳輸間隔。

新型通信單元采用光纖與穩(wěn)控裝置通信，設(shè)計(jì)采用百兆光纖以太網(wǎng)接口，設(shè)計(jì)傳輸帶寬能夠滿足應(yīng)用需求。但依據(jù)IEEE 802.3 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范，單個(gè)以太網(wǎng)幀的最大長度為1 518 B，去除規(guī)范中所需校驗(yàn)碼等必要內(nèi)容，可傳輸?shù)膽?yīng)用數(shù)據(jù)最大長度為1 500 B［10］。STM-1 接口單次發(fā)送的應(yīng)用數(shù)據(jù)量為1 512 B，超過了以太網(wǎng)接口單次發(fā)送限制。解決以太網(wǎng)幀單次發(fā)送容量的問題一般考慮采用多幀傳輸方案，即將STM-1 接口單次發(fā)送的應(yīng)用數(shù)據(jù)分成多個(gè)以太網(wǎng)幀，分次傳輸，但分幀傳輸將對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性產(chǎn)生不利影響。

為解決此問題，提出基于百兆光纖以太網(wǎng)的穩(wěn)控裝置通信鏈路聚合技術(shù)，即采用2 條百兆光纖以太網(wǎng)同步傳輸，以滿足穩(wěn)控系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求。

使用STM-1 接口通信時(shí)，63 路2M 應(yīng)用數(shù)據(jù)分配至2 條百兆以太網(wǎng)光纖通道中傳輸，其中1 路光纖通道傳輸32 路2M 數(shù)據(jù)，另1 路傳輸31 路2M 數(shù)據(jù)。穩(wěn)控裝置與通信單元采用1 500 B 自定義數(shù)據(jù)格式通信，幀結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 自定義數(shù)據(jù)幀格式

圖6 中，BJ_ID 表示穩(wěn)控裝置通道ID 號(hào)，用于識(shí)別光纖通道；FNUM 表示幀序號(hào)，每發(fā)送1 幀數(shù)據(jù)后，序號(hào)自動(dòng)加1，用于防止重復(fù)幀；Syn 分為低字節(jié)Syn_L 和高字節(jié)Syn_H，表示中斷序號(hào)；Sta 分為低字節(jié)Sta_L 和高字節(jié)Sta_H，表示接收端狀態(tài)字。

3 新型通信單元在穩(wěn)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 在傳統(tǒng)穩(wěn)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)穩(wěn)控系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景中，新型通信單元與穩(wěn)控裝置通過1 路百兆光以太網(wǎng)通信，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)SDH 設(shè)備的E1 接口類型，選擇同軸電纜或光纖接口板。單個(gè)通信單元最多可支持與4 個(gè)同一系統(tǒng)中的穩(wěn)控裝置通信。圖7 為典型的穩(wěn)控主站應(yīng)用。

圖7 新型通信單元在傳統(tǒng)穩(wěn)控主站中的應(yīng)用

3.2 在精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)子站下行通道中的應(yīng)用

新型通信單元應(yīng)用于精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的控制子站下行通道中時(shí)，使用2 個(gè)百兆光以太網(wǎng)與穩(wěn)控裝置通信，再通過通信單元鏈路聚合技術(shù)，將2 條百兆以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)合并，并重新編碼為符合STM-1接口規(guī)范的碼流，并從STM-1 光纖接口發(fā)送出去；反之，將STM-1 接口上傳的數(shù)據(jù)分流至2 條以太網(wǎng)通道中。新型通信單元的連接如圖8 所示，該應(yīng)用中可不選配接口子板，以節(jié)約裝置成本。

3.3 在精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)控制執(zhí)行站的應(yīng)用

新型通信單元在精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)執(zhí)行站接入層的應(yīng)用同樣分為具備2M 專線接入條件的場(chǎng)合（如燃煤電廠、水電站等），以及不具備2M 專線接入的場(chǎng)合。

在具備2M 專線接入的場(chǎng)合，新型通信單元使用光纖接口板上指定的2 對(duì)光纖作為E1 光纖接口，連接SDH 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；與負(fù)荷控制終端通信的光纖接口可為光纖接口板剩余6 對(duì)光纖中的任意1 對(duì)?？紤]實(shí)時(shí)性的需求，新型通信單元與負(fù)荷控制終端采用HDLC 協(xié)議通信。連接關(guān)系如圖9 所示。

圖8 新型通信單元在精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)下行通道的應(yīng)用

圖9 新型通信單元在燃煤電廠負(fù)荷控制終端接入的應(yīng)用

當(dāng)用作工業(yè)用戶接入時(shí)，新型通信單元安裝在用戶附近的接入層變電站中，使用2 路E1 光纖接口接入SDH 設(shè)備；另外6 路通過光纖連接到大用戶配電房中安裝的負(fù)荷控制終端，同樣采用HDLC 協(xié)議進(jìn)行通信，連接關(guān)系如圖10 所示。

圖10 新型通信單元在工業(yè)用戶負(fù)荷控制終端接入的應(yīng)用

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證新型通信單元各通信接口功能及傳輸實(shí)時(shí)性，按照精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)架構(gòu)，搭建了如圖11的測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)包含控制主站、控制子站、燃煤電廠典型接入方式與工業(yè)電力用戶接入方式4 類典型應(yīng)用，可最大化覆蓋通信單元的接口。

測(cè)試系統(tǒng)采用安控測(cè)試儀向控制主站發(fā)出切負(fù)荷命令，測(cè)試了原系統(tǒng)接入方式與研制的新型通信單元接入方式下，主站決策至子站收到控制命令、子站決策至工業(yè)用戶負(fù)荷控制終端收到命令、子站決策至燃煤電廠負(fù)荷控制終端收到命令3 個(gè)環(huán)節(jié)的通信耗時(shí)，如表1 所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，新型通信單元接入方式在通信耗時(shí)方面優(yōu)于原有接入方式。

圖11 新型通信單元測(cè)試系統(tǒng)

表1 通信耗時(shí)對(duì)比 ms

5 結(jié)語

提出能夠適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)景的安全穩(wěn)定控制單元的設(shè)計(jì)方案并完成了樣機(jī)試制。搭建對(duì)比測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試了原有接口裝置與研制的新型通信單元在相同應(yīng)用場(chǎng)景下的通信耗時(shí)，結(jié)果表明研制的新型通信單元能夠滿足穩(wěn)控系統(tǒng)的通信接口需求，通信耗時(shí)優(yōu)于原有接口裝置。

提出的通信單元接口方案僅適用于基于SDH 通信專網(wǎng)組網(wǎng)的穩(wěn)控系統(tǒng)，采用無線組網(wǎng)方式（如電力4G 無線專網(wǎng)）的穩(wěn)控系統(tǒng)是今后的研究方向，未來可進(jìn)行基于電力無線專網(wǎng)的通信接口裝置的研究。