山东电网精准切负荷系统的通信技术选型及建设方案研究

周 洁，于秋生，刘 磊，朱尤祥，钟 睿

（国网山东省电力公司信息通信公司，山东 济南 250001）

0 引言

特高压直流工程投运后，山东电网将形成特高压交直流大受端电网，电网结构形态和运行特性将发生本质变化。针对多回特高压直流闭锁，电网安全运行面临故障初期暂态失稳、频率快速跌落、主干通道潮流越限、省际联络线功率超用等问题，通过建设系统保护，实现多回直流调制、抽蓄机组启停、常规切负荷（直接切除220 kV变电站内负荷）和精准切负荷（通过负荷控制终端精准切除大用户负荷）4种控制，在特高压直流故障后快速减少功率缺额，确保电网稳定运行。

精准负荷控制系统重点解决电网故障初期频率快速跌落、主干通道潮流越限、省际联络线功率超用、电网旋转备用不足等问题，根据不同控制要求，分为实现快速负荷控制的毫秒级控制系统和更加友好互动的秒级及分钟级控制系统[1]。毫秒级控制系统针对频率紧急控制要求，第一时限快速切除部分可中断负荷；秒级及分钟级控制系统，第二时限切除部分可中断负荷，实现发用电平衡。因此如何实现毫秒级系统通信是目前建设毫秒级控制系统的重点，在研究毫秒级精准切负荷控制系统通信方案的基础上，提出了基于PTN技术毫秒级精准切负荷控制系统通信方案[2]，有效地缩短了通信时延。

1 电网精准切负荷毫秒级控制系统功能结构

山东电网精准切负荷系统在青州换流站、临沂换流站设置双套切负荷主站，在220 kV站设置双套切负荷子站 （暂定19个）。每个切负荷子站下辖110 kV站作为通信接入变电站，每个110 kV站下辖大用户或开闭所。每个切负荷子站下辖110 kV站的个数，以及每个110 kV站下辖大用户、开闭所的个数，均按照各地市公司实际情况确定。山东电网精准切负荷系统网络架构如图1所示。

图1 山东电网精准切负荷系统架构

2 电网精准切负荷毫秒级控制系统通信网需求

毫秒级控制系统由区域电网协控中心站和省控制中心站、控制主站、控制子站和控制终端构成。

省内主要建设控制终端—控制子站—控制主站的通信系统。控制主站部署于山东青州换流站和临沂换流站。每个地市选择1～2个220 kV变电站部署控制子站，每套控制子站分别接入1台地区级核心／汇聚层通信传输设备。在用户站部署控制终端，通过光纤通道就近接入变电站。控制子站与控制终端之间利用市级电力通信网进行双向通信，控制子站和控制主站之间通过省级电力通信网进行双向通信。通信系统整体结构见图2。

电网精准切负荷毫秒级控制系统通信网系统架构重点可分为3个部分。

控制子站到两个控制主站的通道。根据山东电网切负荷控制子站的选点方案，利用现有山东省网光传输系统资源，满足本工程控制子站至控制主站的通道要求。

用户接入变电站至控制子站的通道建设。根据山东电网切负荷系统接入变电站的选点方案，利用现有各地市地区网光传输系统资源，通过站点接入补强、各级网络增加互联等方式进行网络改造优化，满足本工程用户接入变电站至切负荷控制子站的通道要求。

图2 毫秒级控制功能结构

用户站至接入变电站的光缆物理路由建设。为满足用户站至接入变电站的接入信息要求，重点建设各大用户站点的接入光缆。

重点讨论用户接入变电站至控制子站的通道建设技术选型[3]，探讨是否可以选用PTN技术制式作为主要通信传输方式，充分利用地市级PTN网络。

3 技术选型研究

3.1 利用SDH承载精准负荷控制业务

利用SDH承载精准负荷控制分为利用 “SDH+2M接口转换”和“SDH+工业以太网交换机”2种方式。

3.1.1 利用SDH+2M接口转换装置

主要配置。在接入变电站为每个用户控制终端配置1套接口转换装置，实现以太网光口至2M电口的转换。由于下行广播带宽3M，因此每个控制子站与每个用户之间需要2路2M捆绑，即每个接口转换装置需要实现1个以太网口至4个E1接口的转换。在控制子站所在的枢纽变电站需具备2套SDH设备，每套SDH设备需汇集所有用户的2×2M通道。

占用资源分析。设某个接入变电站接入用户数U个，则此接入变电站需配置U套接口转换装置，SDH需4U个E1接口。设地区总的用户数为N个，则枢纽变电站两套SDH各需汇集的2M接口数量为2N。由于SDH时隙为刚性管道，因此每个用户2个方向共占用8M带宽。即使不考虑SDH业务自愈保护，核心环带宽需求为N×4Mbps。

时延分析。通信系统时延主要由接口转换装置时延和SDH传输时延组成。根据指导意见中的数据，接口转换装置时延达到150 ms数量级。根据SDH实际业务测试情况，对于300 km、10节点典型场景测试结果为8 ms数量级。因此，控制子站与用户控制终端之间的最大时延在160 ms数量级，接入变电站和控制子站侧的接口转换装置成为引起时延的主要因素[4]。

技术可行性分析。此方式需要大量的接口转换装置，对机房供电、屏位均提出更高要求，且接口转换装置成为故障易发点；带宽占用率大，以几个用户较多的地市为例，现有的SDH网络容量已无法满足带宽占用率小于70%的要求，若继续使用现有SDH网络承载，带宽资源将更加紧张；可适用于点对点式的104规约。对于本系统拟采用的GOOSE协议，则需要在控制子站将下行报文复制给所有用户，限制GOOSE协议的组播优势。

综上，利用SDH+2M接口转换装置接口多、时延大、占用端口多，且无法发挥GOOSE协议的先进性能，现有SDH网络带宽无法支持，技术可行性差，不予考虑。

3.1.2 利用SDH+工业以太网交换机

主要配置。为充分利用控制系统通信规约的组播特性，利用工业以太网交换机组网。在枢纽变电站配置2套汇聚交换机，在每个接入变电站配置1台工业以太网接入交换机，通过2个以太网口接入MSTP设备。在MSTP网络上开点对点以太网专线实现交换机的双星型互联。

占用资源分析。设有K个接入变电站，每个接入变电站MSTP设备需2个以太网口，控制子站变电站的2台SDH设备各需K个以太网口。交换机之间通过以太网专线，每条链路需分配2个VC-12。每个接入变电站出口带宽2×4M，核心层带宽为K×4M。

时延分析。通信系统时延主要由传输网时延和交换机时延组成。根据测试结果，对于300 km、10节点典型场景测试结果为8 ms数量级。交换机时延在0.1 ms数量级。通信系统时延主要为SDH系统传输时延。

技术可行性分析。此方式对带宽和端口占用数均以接入变电站数为基数，较SDH+2M接口转换装置低。

由于控制子站下行VLAN对组播组内用户相同，因此专线方式难以做端口汇聚。对于接入变电站较多的地市，此方式依然在控制子站占用较多的以太网端口。此外，接入变电站普遍未配置以太网板，如需使用此方式，需要补充接入变电站的以太网板。

综上，利用SDH+交换机专线方式技术可行，但济南、青岛、潍坊等11个地市的现有SDH网络带宽不支持，同时需要在接入变电站增加以太网板，因此各地市需大量扩建SDH。

3.2 利用PTN承载精准负荷控制业务

GOOSE报文特点及PTN承载方式。通用面向对象的变电站事件（GOOSE）是一种实时应用，最早用于传送智能变电站间隔闭锁信号和实时跳闸信号。GOOSE 网以高速 P2P（peer-to-peer）通信为基础，替代了传统智能电子设备 （IED）之间硬接线的通信方式，为智能变电站逻辑节点之间的通信提供了快速且高效可靠的方法。将GOOSE协议应用于精准负荷控制系统，等同于将智能变电站的间隔层和过程层在市级通信网的广域通信网内实现。

二层组网即PTN统一采用PWE3封装来承载仿真类业务，均在二层模式。即无论业务是何种格式，均将业务封装入以太网接口中，作为以太网业务再封装到PW和LSP中。可实现VPWS或者VPLS等点到点和点到多点的以太网业务模型。由于GOOSE报文符合标准的802.1Q，因此PTN在对其具有天然的承载能力。利用PTN承载的关键在于是否支持需求分析中的业务模型和是否具备业务隔离能力[3]。

测试方案。在A、B、C 3个市级通信网分别开展了华为、中兴、烽火PTN设备的现网设备的测试。测试从3个方面出发，测试示意如图3所示。功能性测试，PTN现网是否支持以太网组播、是否支持对VLAN的隔离、是否可实现精准负荷控制系统业务的流量收发模型；安全性测试，模拟配置误操作场景，观察对业务和网络的影响；性能测试，PTN承载较长（1 000 Byte以上）的以太网组播报文24 h传输性能，包括时延、抖动、丢包、误码等。

测试结论。测试结果表明，PTN设备具备识别以太网组播报文的能力，并可自动向组播组内的所有端口转发。通过正确配置，PTN可识别业务VLAN，进行不同用户的隔离。因此PTN在功能上满足精准负荷控制业务的要求，并可实现隔离要求。

图3 PTN承载精准负荷控制业务现网测试示意

在开通专网业务时，PTN通过伪线（PW）的水平分割，防止二层网络成环，避免广播风暴。测试模拟了由于误操作在某设备上未开启水平分割的场景，发现可引起不必要的转发流量。但由于在出口会有VLAN识别隔离，无用流量会被端口过滤，不会引起不同用户之间的隔离问题。测试证明，利用PTN直接承载控制终端技术上可行。

对360km长度光缆、13节点PTN场景、1518Byte长度二层组播报文24 h长时间测试，时延均值为2.2 ms，无丢包、误码。同等长度和节点的SDH网络，时延为7.8 ms。因此PTN在承载以太网报文的效率和转发速率方面远远优于SDH，可为精准负荷控制系统提供可靠的低时延通道。

根据上述分析内容，从安全性、效能与成本等几方面考虑，山东电网毫秒级精准切负荷控制系统相关通信业务通过PTN承载具有可行性。

4 建设方案

基于上节通信通道可行性对比，选择扩建PTN方式作为主推方案设计，并配以工业光纤交换机接入用户控制终端，统一运行方式，保证业务安全[5]，具体建设方案如图4所示。

图4 山东电网精准切负荷系统通信系统结构

4.1 控制子站与控制主站之间光通信系统建设方案

控制子站所在变电站应具备2套地区级传输设备，分别接1台控制子站装置。同时，控制子站装置至2个控制主站装置之间的A、B通道分别由省级骨干A网、B网承载，采取E1专线通道传输，应全程满足“双设备、双路由”的要求。

对于具有省网设备的控制子站，直接通过省网设备接入省级SDH传输网。对于没有省网设备的控制子站，通过地区网就近接入500 kV变电站，并在500 kV变电站地区网及省网SDH设备上增配155M光接口板，实现“1+1”光口对接。

4.2 控制子站与接入变电站之间光通信系统建设方案

接入变电站至控制子站的通信网络，应满足“双路由”，控制子站应满足“双设备”。

接入变电站配置1套16口光纤工业以太网交换机，通过2个百兆以太网电口分别接入PTN的2个不同的百兆以太网电口板。接入变电站PTN设备通过地区级PTN传输网络接入控制子站2套PTN设备，各开1路以太网专线，保证两条专线路由不相同。对于不满足“双设备”要求的控制子站，新增加1套汇聚层PTN设备，对两侧变电站各开1条GE光路。

4.3 光缆建设方案

用户终端采用裸光纤方式汇聚至接入变电站，用户站控制终端通过专用光缆使用百兆以太网光口接至接入变电站光纤以太网交换机。当用户站存在多个控制终端，采用星形或环形光纤组网。星形组网场景，各控制终端分别接至接入变电站的光纤以太网交换机。环形组网场景，环形两端的控制终端各以1个光路接至接入变电站的光纤以太网交换机。对于没有光缆接入变电站的用户，结合通信网规划新架设光缆。

5 结语

详细分析了PTN技术在山东电网精准切负荷系统中的应用设计，该方案网络信息安全、双设备和双路由等要求均不低于SDH技术承载时的技术标准，充分利用了山东公司现有的PTN通信网络资源，为其他电网企业提供借鉴。