基于SDH光網絡的分層區域式保護通信系統的可靠性研究

梅魯海

（浙江機電職業技術學院電氣電子工程學院，浙江 杭州 310053）

0 引言

電力系統的廣域保護系統是一種為實時監控電力設備的運行狀況，通過專用信息網絡和通信手段獲得電力系統中各個監測點的動態實時信息、進而綜合判斷可能給電力系統帶來不良后果的損害，并采取相應的控制措施消除或減輕損害的電力控制保護系統。按照決策和控制結構劃分，廣域保護系統通常有集中式、分布式和分層區域式三種方式。相對于分布式結構和集中式結構，分層區域式結構的保護系統可以實現全局最優決策，也可以擺脫對保護中心的過度依賴，因此得到了普遍應用。分層區域式結構保護系統的保護功能必須依靠專用通信網絡來實現，專用通信網則一般由通信主干網和區域網組成[1]。

廣域保護系統的可靠性關系到電力系統的安全經濟運行，而保護系統整體的可靠性在一定程度上主要取決于所承載的專用通信網絡的可靠性，當前，國內對廣域保護系統通信網絡可靠性的專門性研究還不多。SDH是一種在光纖上實現數字同步信號的傳送、復接、交叉和分接的網絡，有世界統一的網絡接口標準，在組網上多采用自愈環的網絡結構。本文以分層區域式保護SDH自愈環網和星型網為例，根據SDH光通信原理，利用狀態空間法分析了二纖單向通道保護環網和星型網絡的可靠性模型和可用度評估方法，并闡述了網絡冗余和過程層設備的組網結構，對廣域保護系統的相關理論計算和工程設計等具有重要的學術意義和參考價值[2]。

1 分層區域式保護通信主干網和區域網的可靠性研究

電力系統分層區域式廣域保護的通信主干網主要用來連接系統保護中心與區域保護中心，而區域網絡主要用于連接區域保護中心與變電站和電廠等。一般來說，電力通信網絡系統的通信主干網主要采用SDH自愈環網的結構，而廣域保護的區域網絡則可以根據連接的廠站的類型與數量，靈活選擇SDH自愈環網或SDH星型網。

1.1 分層區域式保護SDH自愈環網的可靠性模型及可用度評估

在實際的工程應用中，SDH自愈環一般分為通道保護環和復用段保護環兩種組網方式，而二纖單向通道保護環是通道保護環的一種，因為具有傳輸延時小和協議簡單的優點，被普遍應用在電力通信網絡系統設計中。二纖單向通道保護環實質上是由2路光纖各自組成2個獨立的環網。在發送端，光發送設備同時向2路光纖發送業務和數據信號，信號在主用和備用光纖中沿2個相反方向同時流動和傳輸，在接收端，光接收設備通過倒換開關來選擇接收2路光纖中信號質量較好的其中1路信號，默認接收主用光纖的信號[3]。當主用光纖的某一段發生故障時，光設備通過倒換開關切換信號，數據和業務信號隨即接入備用光纖傳輸，保障了信號的連續性，二纖單向通道保護環如圖1。

圖1 二纖單向通道保護環Fig.1 Two fiber unidirectional path protection ring

假設用通信接口IU表示復用模塊和保護倒換模塊的組合，并設信號在主用光纖沿順時針方向傳輸，在備用光纖信號沿逆時針方向傳輸。這里，如果任何1個接口IU出現故障，即等同為SDH通信主干環網的故障，不同故障程度對SDH通信主干網的影響也不同，但都會影響信號的正常傳輸。從主干網可靠性評估的角度，可以使用圖2所示的串聯系統來表示[4]。

倒換開關一般都采用并聯冗余的結構，因此可以認為完全可靠，則系統單個接口的可用度可表示為

式中：λIU表示設備接口的故障率；μIU表示設備接口的修復率。

圖2 主干環網的等效串聯系統圖Fig.2 Equivalent backbone ring series system diagram

每區段光纖的獨立故障和共模故障模型共同組成了一般光纖通信系統的可靠性模型，因為每一個傳輸區段的光纖可分別發生獨立的故障，也可能由于同樣的原因同時發生故障。為了評價系統的可靠性，根據網絡法和狀態空間法可以建立如圖3所示的一個區段光纖的狀態模型圖[5]。

圖3 一個區段光纖的狀態模型Fig.3 A section of the state of optical model

圖3中，μL表示1根光纖的修復率，λL表示1根光纖的故障率，λ1表示主用光纖和備用光纖的共模故障率。

設定P=[P0P1P2P3]，P中的各元素分別是狀態0、1、2、3的穩態概率，由此可以求出狀態0、1、2、3的穩態概率。這里，1區段主用和備用光纖都正常的概率為P0，1區段只有備用光纖有故障的概率為P1，1區段只有主用光纖有故障的概率為P2，1區段主備用光纖都有故障的概率為P3。因為光纖本身的可靠度較高，假定最多只有2個區段的光纖發生故障，而光纖通信系統中其他設備發生故障的概率對整個環網可靠性的影響可以忽略不計，因此，整體光纖通信網絡的運行和故障有如下情況[6]。

（1）如果只有1個區段光纖已有故障，有三種情況：1）假設1區段2光纖都有故障，則故障概率為這時的SDH自愈環網可以使用。2）假設1區段只有備用光纖有故障，則故障概率為這時的SDH自愈環網可以使用。3）假設1區段只有主用光纖有故障，則故障概率為這時的SDH自愈環網也可以使用。

（2）如果2個區段光纖有故障，有三種情況：1）假設2個區段都是只有1條光纖有故障，又有三種情況：a）假設1個故障區段主用光纖有故障，另一個區段備用光纖有故障，這種情況的故障概率為這時會發生某一節點不能向另外節點發送信息，或者某一節點不能接收另外節點的信息，所以SDH自愈環網不可以使用。b）假設故障區段都是備用光纖有故障，這種情況的故障概率為這時的SDH自愈環網可以使用。c）假設故障區段都是主用光纖有故障，這種情況的故障概率為這時的SDH自愈環網可以使用。2）假設1個區段主備光纖都有故障，另一區段1條光纖故障，則故障概率這種故障比上述a）的情況更嚴重，所以SDH自愈環網不可以使用。3）假設2個區段都是2條主備光纖同時有故障，則故障概率這時的SDH自愈環網也不可以使用。

由此，整體光纖通信網絡系統的可用度可表示為

而SDH自愈環網的可用度則可表示為

1.2 分層區域式保護通信星型網的可靠性模型和可用度評測

除了上述環形網絡的情況，一般的分層區域式廣域保護通信網還可采用星型的網絡。星型網絡的特點是所有子站都和區域保護中心連接，網絡結構如圖4所示，這里的站點SDH設備之間均采有2根光纖通信。區域式廣域保護通信網采用星型結構的可靠性模型可表示為2個SDH光端設備間光纖的狀態轉移圖，如圖5所示。

圖4 分層區域式廣域保護星型網Fig.4 Region wide area protection star network

圖5 分層區域式廣域保護通信星型網可靠性模型Fig.5 Region wide area protection communication star network reliability model

μ1表示1區段2路光纖的共模失效率，μL表示1區段1路光纖的獨立修復率，λL表示1區段1路光纖的獨立失效率，假定3個狀態的穩態概率矩陣表示為P=[P0P1P2]，則可以得出光纖的可用度表示為ALi=P0+P1。

由以上分析，如果發生網絡中某SDH設備失效、2個SDH設備之間的2條光纖都失效或1條光纖失效三種情況中的的任一種情況，本區域式廣域保護通信網就宣告失效，由此，區域星型網絡本身的可用度可表示為

其中，n為子站的個數，而整體光纖通信網的可用度可表示為

其中：k表示區域網的數目；Azg表示通信主干網的可用度，一般Azg=ARNET。Aqyj表示編號為j的區域式廣域保護通信網的可用度，如果是星型網絡，則Aqyj=ASNET，如果是環型網絡，則Aqyj=ARNET。

2 網絡冗余和過程層設備組網

通信系統、控制系統和保護系統等子系統的可靠性決定了電力系統及其變電站安全運行的可靠性。作為提高通信網可靠性的主流方式，冗余技術常用作通信組網的主要手段。按照實現方法，冗余包括節點冗余和網絡冗余兩種，節點冗余要求全部通信設備必須雙重備份，相當于建立2個完全獨立運行的網絡，成本很高，應用也不多。網絡冗余無需備份，組網成本低，應用較多。例如當通信鏈路出現故障時，為保證可靠性，IEC62439作為并行結構的冗余通信協議，可實現無延時信號切換，工作原理如圖6。

圖6中的鏈路冗余體LRE負責冗余管理和處理重復報文，是網絡的核心環節。圖6中，具有雙連接點的2個IED網絡設備，是通過雙連接的端口各自連接到2個獨立的網絡上[7]。當網絡設備從線路上接收到1幀的數據后，LRE將會從2個端口處提取第1次接收到的數據，并且丟掉一些重復的數據幀。當網絡設備接收到上一層的1幀數據后，LRE要在該數據的相關位置上增加一個冗余的標識，再向2個端口同時發送數據。

圖6 IEC62439網絡節點模型Fig.6 IEC62439 network node model

如圖7所示，按照網絡拓撲方式劃分，變電站通信網絡的過程層設備有點到點直連和組網連接等幾種。圖7(a)是采用點到點直連的方式，這種方式不與其他節點共享數據，不存在競爭帶寬，實時性好，缺點是需要大量的光纜設備，工程維護不便。圖7(b)是采用交換機組網進行數據傳輸的方式，交換機具有支持組播技術、虛擬局域網VLAN和報文優先級的性能，可以實現數據之間的共享，也可以節省電纜，這種方式的缺點是存在由于交換機排隊轉發的數據延時。

圖7 過程層設備組網結構Fig.7 Process layers device networking structure

3 廣域保護通信網可靠性例舉

目前，電力系統的通信網線路通常使用復合地線光纜或自承式光纜聯網，通信線路一般與輸電線路并行敷設，因此變電站之間只要有電力線路相連，就有通信線路連接。以IEEE14母線系統為例，如圖8所示，組建1個分層區域式廣域保護的通信網。這里，電力通信系統可分為3個區域，其中站5是系統的保護中心，同時作為區域3的區域保護中心，而站2和站4分別是區域1和區域2的保護中心，站2、站4和站5通過光纖環網連接，組成本系統的通信主干網，每個區域網絡則為星型方式連接。通過可靠性分析，可得表1為網絡元素的可靠性基本數據。

圖8 母線系統與廣域保護通信網Fig.8 Bus system and wide area communication network

表1 網絡元素的可靠性參數Table 1 Reliability parameters of network elements

假設SDH自愈環網的光纖修復時間為48 h，SDH設備接口的故障修復時間為24 h，通過計算，可得表2為廣域保護通信網的可靠性參數。

表2 廣域保護通信網的可靠性參數Table 2 Wide area protection reliability of communication network

以上數據可以看出，光纖的故障率雖然高于設備接口的故障率，但是如果發揮SDH自愈環網的通道保護功能，則可以減小因為光纖故障對整個環網可靠性造成的影響。由此可見，提高設備接口的可靠性是保證SDH環網的可靠性的關鍵。如果接口數目相同，SDH自愈環網使用的光纖數量雖然比星型網要多，但相應的可靠性也比星型網要高。

4 結語

分層區域式的廣域保護系統在決策和組網結構方面優勢明顯，基于SDH的自愈環保護網和星型網在電力廣域保護通信系統中正得到廣泛應用。研究基于SDH光網絡的分層區域式廣域保護通信系統的可靠性模型，進而得出傳輸鏈路細分區段的故障概率和可用度等定量指標，可以為電力系統廣域保護網絡的論證設計及通信系統的可靠性評價提供參考和理論依據。

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