国家电力调度数据网组网研究

0　引 言 随着计算机与网络技术的发展，数字化电网的新时代正在向我们走来。电网调度系统是引入数字化电网应用较早的领域之一。目前，在电网调度自动化领域已建立了比较完善的能量管理系统(EMS)、调度员培训模拟(DTS)系统、电能量计量(TMR)系统、水调自动化系统等。尽管在应用层面取得了实效，但在数据传输网络化方面，仍然是局部的、不完整的和初级的。因此，针对调度系统的特点，适应各应用系统的需要，建设满足实时性要求、安全可靠的数据网络，为调度各应用领域数据传输提供网络平台已成为当前调度系统中的一项重要任务。 本文通过对目前IP网络技术的深入分析，在调度业务需求和电力通信实际情况的基础上，综合考虑目前调度管理体制，结合国家电力调度数据网的网络设计，提出调度数据网的组网研究方案，该方案将在工程实施中进一步优化。 1　电力调度数据网要考虑的因素 调度数据网的建设必须考虑调度数据业务的特点，这些特点是组建调度数据网应考虑的基本要素。 1.1 数据信息是网络承载的主要业务 目前调度系统数据通信业务大致可分为2类，即以EMS、广域相量测量系统等为代表的实时监控业务和以电力交易支持系统、调度日报传输、TMR等为代表的调度运行管理的相关业务。这两类业务的共同特点是以数据处理为主，周期性传输，所占用信道带宽不大。数据具有分布采集、分层传输、集中汇聚的特点。数据一般在调度对象(发电厂、变电站)产生，送至对其直接调度的上一级调度部门，处理后按需向更高一级调度转发。 1.2 实时性要求 实时监控业务的数据传输周期为秒级。例如按设计规定，遥测数据传送时间不大于3s，遥信数据变化传送时间不大于2s，遥控、遥调命令传送时间不大于4s，自动发电控制命令发送周期为3s～15s。这些实时性要求，除了数据网必须具有较短的延迟，还需要有优先级机制来保证这些时间敏感数据的可靠传输。 1.3 可靠性要求 实时监控业务除了反映电网运行工况外，更重要的是控制电气设备的投入和退出，下达功率调节命令，对电力系统运行产生直接影响。这类业务的可靠性至关重要，因此数据网络必须满足所承载业务可靠性的要求。在网络设计时应该考虑单点设备或通道故障时网络不分裂，不影响业务系统的数据传输。 1.4 安全性要求 调度系统相关业务的安全是调度安全生产的基础，部分业务具备实时监控功能，直接关系到调度生产安全，此类业务对网络的安全性提出了高要求。按照国家经贸委[2002]30号令《电网和电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护规定》以及“全国电力二次系统安全防护总体方案”的要求，承载调度业务的调度数据网应通过SDH/PDH的n×2 Mbit/s专线组建，实现与其他网络系统的物理隔离，成为调度业务可信赖的网络。 1.5 数据通道现状 目前电力通信网提供的数据通道以微波通道为主，日后将逐步发展为以光通信为主。现阶段物理通道不算充足，难以完全保证迂回路由与电路的无关性要求。个别电路转接较多，通道质量难以满足网络通信的要求，另外，部分边远厂站的电路质量更难以保证，这些因素在组网设计时应给予充分重视。 2 组网基础研究 2.1 技术体制的选择 纵观骨干数据网络技术体制，存在4种典型模式：IP＋SDH＋ATM＋Fibre,IP＋ATM＋Fibre,IP＋SDH＋Fibre和IP＋Fibre。4种体制在技术发展的不同暑期各占有一定的主导地位。从目前的趋势来看，IP＋SDH＋ATM＋Fibre和IP＋SDH＋Fibre并存的时代即将过去，现已逐步发展为以IP＋SDH＋Fibre为主的局面。从长远来看，随着光通信技术的发展，IP＋Fibre将是IP骨干网的发展方向。 对于调度组网的技术体制选择，从技术的成熟性和建网的经济性上讲，采用IP＋SDH＋Fibre模式更适合调度业务的需求和电力通信的现状。华东电力设计院进行的国调业务流量分析表明，国调总业务数据流量为15318.2kbit/s(峰值)，带宽需求在n×2Mbit/s水平，因此IP overSDH更有利于基于2Mbit/s带宽的扩充，使投入产出比处于最佳状态。另外，电力通信通道正处于微波通道为主向光纤通道为主的发展过程，对于偏远电厂、变电站，可利用原有的PDH通道，无须另外增加通道投资。同时，该模式对IP业务的“物理隔离”能较好满足调度业务的总体安全要求。 2.2 拓扑结构的几点考虑 2.2.1 总体结构 国家电力调度数据网节点多，网络规模大，其总体结构应采取分级、分层、多自治域设计；总体结构拟以省调为分界点分为2级，即国家电力调度数据骨干网和省调度数据网(以下简称为骨干网和省网)，两级网络相对独立。骨干网和省网内部均按标准IP网络分层设计，可分为核心层、骨干层和接入层。核心层为网络业务的交汇中心，通常情况下只完成数据交换功能；骨干层位于核心层和接入层之间，负责层内数据交换以及层间业务的汇聚、分发；接入层将用户业务接入网络，实现质量保证和访问控制。骨干网为一个自治域，每个省网分别为各自独立的自治域。 结合目前调度管理体制，调度数据网的骨干网可由国、网、省调节点构成，省网可由省、地调组成。骨干网核心层节点包括国调、网调及部分省调，骨干层由省（市）调节点构成，接入层为电厂和变电站。 2.2.2 骨干网拓扑设计 骨干网拓扑设计主要是基于电力通信传输网络的结构，兼顾调度管理体制，立足于方便网络建设、运行和管理的原则；同时应满足调度业务的可靠性、实时性要求。骨干网网络拓扑示意图如图1所示。 2.2.1 可靠性设计 为提高网络运行的可靠性，避免通道中断导致网络故障，从电路组织看，电路的无关性应至少满足N-1原则，即应避免由于通信电路单点故障导致网络多条链路的同时中断，从而造成数据网络分区分裂或迂回链路过载使网络瘫痪。 核心层是网络拓扑的中心，既是路由交换的核心，也是跨区信息流的骨干通道，应具有较高的拓扑冗余度。另外，核心层节点之间、核心层与骨干层之间、骨干层节点之间的链路连接均应满足无单点故障，即均有两条路由不同的电路和以保证层内、层间的迂回路由。接入层节点可视通道情况采用双归或单归拉入到骨干层节点。 2.2.2.2 实时性保障 根据调度业务目前的信息量要求，调度组网的基础带宽可定为n×2Mbit/s，在运行中可根据网络流量的增加，适时扩容链路。鉴于网络核心层信息流量大于骨干层，为避免网络拥塞，核心层的链路带宽设计至少应是骨干层带宽的2倍～4倍。 为满足业务的实时性要求，避免节点间跳数太多导致时延过长，拓扑中任两节点间的最大跳数原则上不应超过3跳。 2.2.2.3 拓扑设计 对于骨干网，为方便管理，同时考虑电路的走向，可选择国调、网调以及部分地理位置较核心的省(市)调(如三峡、四川、山东)作为核心层节点，各网调及网内省调形成本区域的骨干层，同时选择网内的某一省调(该省调应是本区通信枢纽中心)作为本骨干层的第2出口与核心层相连。 2.3 网络路由 2.3.1 域间路由 国家电力调度数据网采用何种路由结构，即是穿越自治域＋接入自治域，还是单自治域，抑或多穿越自治域的方式，与IP网络设计能力有很大关系，网络规模对路由结构起决定性作用，除技术因素外，调度管理体制也是考虑因素。 调度数据网的规模，地埋上覆盖全国。从节点个数来讲，若国、网、省调按双节点配置，设备总数不超过80台，各省网内部(含地、县调)的网络设备估计不超过100台；全国网络设备(不包括厂站节点)约3000台。 单自治域的方式，即国、网、省、地、县调均处于单一路由策略和统一的技术模式下，从现实意义来讲，网络建设和管理存在较大困难，同时该自治域内路由器总数较多，受IP网技术限制，域内路由器数目、路由条目过多将极大地影响网络性能，设备、链路多会降低路由协议收敛速度而导致网络效率降低，故障概率升高会导致全网经常处于路由震荡状态中，影响网络运行。 多穿越自治域的模式，即国、网、省调各自为政，自成体系，网络划分粒度较细，缺乏整体性的网络规划设计，没有规模效益，网络效率难以达到最优。国、网、省、地、县的分治，对厂站的两点接入带来困难。分散的结构，使综合网络管理难以部署，并给网络故障诊断带来较大困难。同时，各自治域需分别设计，多头重复建设，各自运行，难以降低建设、管理、运行成本。 穿越自治域＋接入自治域模式，即国、网、省调构成调度数据网骨干网，形成穿越自治(路由)域；省、地、县调节点构成各省内部的调度数据网(简称省网)，形成接入自治(路由)域；各省网与骨干网通过两点互联，省网之间不设直接通道。在组网初期，网络规模较小，网架尚未完善，业务需求也不高，可先采用静态路由和单点接入方式实现省网与骨干网的域间互联。 相对于单自治域及多穿越自治域方案，该方案网络结构简单，层次清晰明了，在网络效率、稳定性、可扩性、可管理性以及建设和运行成本等方面具有综合优势。 国家电力调度数据网网络结构如图2所示。 3.2 域内路由 2.3.2.1 路由规划 按现调度网络的规模，自治域内采用链路状态协议——开放式最短路径优先协议(IS-IS)，整个路由域设计为层次结构，分为2层，即一个主干区和若干子区，各子区相对独立，网络路由分为区内和区间，每个区内路由的变化仅在区内完成收敛，不会影响到其他区。采用分层协议能增强网络稳定性，使网络具有弹性，便于扩展。同时，分层协议隐藏了其他层次的拓扑结构，降低了路由计算的复杂度，既增强网络的安全性，也提高路由收敛速度。层次化路由，也使层间可以进行网络地址汇聚，缩短路由表长度，提高网络寻址效率。 在目前网络规模及路由分区组织的情况下，OSPF与IS-IS协议均可满足调度网络总体技术要求。鉴于在企