（电力系统及其自动化专业论文）广域保护通信系统仿真研究.pdf

a b s t r a c t l a r g es c a l ec o n n e c t i v ep o w e rg r i dr e q u i r e sah i g h e rq u a l i t yo fp o w e r s y s t e mr e l a yp r o t e c t i o n e q u i p m e n t a n d s e c u r i t y a n d s t a b i l i t y c o n t r o l e q u i p m e n t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i d ea r e ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s a n dt h ea p p l i c a t i o no fs y n c h r o n i z e d p h a s em e a s u r e m e n tu n i t ，w i d ea r e a p r o t e c t i o ns y s t e mw h i c hu s e sw i d e a r e ai n f o r m a t i o nh a sb e e nw i d e l v c o n c e r n e db ye l e c t r i cp o w e rr e s e a r c h e r s w i d ea r e ap r o t e c t i o n s y s t e mg e t s i n f o r m a t i o no ft h e p o w e rs y s t e mb yc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，a n d c o o r d i n a t e dc o n t r o li t t h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si st h e k e yt or e a l i z ew i d ea r e ap r o t e c t i o ns y s t e m s oi ti si m p o r t a n tt or e s e a r c ho n p h y s i c a lc a r r i e r ，t r a n s f e rm o d ea n da n a l y z et h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s w h i c hi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ew i d ea r e ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i nt h i st h e s i s ，t h er e s e a r c hs t a t u so fw i d ea r e ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s h a sb e e ns u m m a r i z e d t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nd i f f e r e n tp h y s i c a lc a r r i e r sh a s b e e nc o m p a r e d t h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fa t m ( a s y n c h r o n o u s t r a n s f e r m o d e ) ，s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h ) a n dm p l s ( m u l t i - p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) w h i c ha r e w i d e l yu s e d i nw i d ea r e a c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sh a sb e e na n a l y z e d i nt h et h e s i s ，t h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mo fw i d ea r e ap r o t e c t i o ns y s t e mo fa na c t u a lp o w e rs y s t e mh a sb e e n r e s e a r c h e d ，u s i n go p t i c a lf i b e ra sp h y s i c a lc a r r i e ra n di po v e rs d ha st r a n s f e r m o d e ，a n du s i n gm p l st e c h n o l o g yt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fi t t h e s i m u l a t i o nm o d e lo ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sb e e nm o d e l i n gi no p n e t ， a n d m a n yd i f f e r e n ts i t u a t i o n sh a v eb e e ns i m u l a t e d t h er e s u l to ft h e s i m u l a t i o n ss h o w st h a tt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mf o u n di n t h i st h e s i sc a n s a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fw i d ea r e ap r o t e c t i o ns y s t e m ，a n dt h eu s eo f p r i o r i t yt e c h n o l o g ya n dd i f f s e r vw h i c hr e a l i z e db ym p l sc a ni m p r o v et h e r e a l - t i m ep e r f o r m a n c e i ta l s os h o w st h a tt h eu s eo fm p l st e c h n o l o g yc a n r e a l i z et h ef l o wc o n t r o lo ft h en e t w o r ka n ds e l f - r e c o v e r yw h e nc o m m u n i c a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第| ii 页 l i n kf a i l u r e ，i tc a ni m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko f w i d ea r e ap r o t e c t i o ns y s t e m t h er e s e a r c hi nt h i st h e s i sp r o v i d e sar e f e r e n c e f o rt h ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo fw i d ea r e ap r o t e c t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ；w i d ea r e ap r o t e c t i o n ；n e t w o r ks i m u l a t i o n ；o p n e t 西南交通大学曲南艾遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密面，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：蘑唇私 日期：9 , 0 4 歹 指导老师签名：哆做：荔， 日期：加7 占- 歹 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 御认 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 电力系统广域保护 1 1 1 引言 目前，我国正在实施“西电东送、南北互供、全国互联”的发展战略 1 , 2 1 。随着电力装机容量的增大，特高压交、直流远距离输电网络的建立， 电网规模不断扩大，结构也同趋复杂，给互联大电网的安全稳定运行提出 了新的要求和挑战。继电保护和安全自动控制系统是保证电网安全稳定运 行的重要防线，国内外多年的电网运行经验表明：快速、可靠的继电保护 措施，准确、及时的安全控制和紧急控制措施以及大型互联电网的安全稳 定防御措施是确保电网安全稳定运行的重要保障【3 。】。 然而互联电网之间相互影响，往往某一处的比较严重的故障可能引起 连锁跳闸事故，造成大面积停电事故和整个系统崩溃，实例表明：传统的 继电保护和安全稳定控制装置由于自身的局限性，在互联电网异常事故时 容易发生连锁跳闸，引起系统的崩溃【8 1 0 】。为了提高互联电网的安全性和 稳定性，解决现有保护和控制系统存在的问题，避免大面积停电和系统崩 溃事故，一种基于网络通信、广域量测的广域保护系统近年来受到国内外 学者的广泛关注。通过通信网络获得电网广域信息，综合各种信息对广域 电网进行协调控制，从而抑制大型互联电网连锁跳闸等事故的发生。 为了使广域范围内的装置之间达到相互配合，协调动作的目的，必须 同时获得多点的电气量信息，并加以综合利用。因此如何快速、可靠的传 递广域信息，是实现广域保护系统的关键。随着目前通信技术的发展及其 在电力系统中的应用，电力数据的实时可靠传输已经逐渐变得可能，但利 用现代通信技术实现广域保护信息传送是否满足电力系统的要求仍需要 进一步的研究和分析。 本文从广域保护系统的功能需求出发，学习了目前电力通信系统的现 状和现代通信技术原理，为一个实际电力系统建立了广域保护通信系统。 最后利用o p n e t 仿真软件对通信性能进行了建模仿真。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 2 广域保护的提出 互联电网区域的扩大，电网交换容量增加，由互联电网故障引起的特 大停电事故给社会生活，国家经济带来极其严重的影响。世界上近几年来 发生的众多损失惨重的电网事故。1 3 】：2 0 0 3 年美加“8 1 4 ”大停电，是北 美有史以来最大规模的停电事故，停电涉及美国整个东部互联电网，事故 中至少有21 座电厂停运，约5 0 0 0 万人受到影响，直接经济损失达六十亿 美元；同年9 月，意大利发生的长达约8 小时大面积停电波及到全国2 0 个大区除撒丁大区外的19 个大区，大面积停电使意大利的通讯、铁路、 民航交通运输受阻，企业生产活动被迫停顿，商业和服务业遭受惨重打击。 电网事故给人们生活带来种种不便，迫使世界各国不断投入人力和物力， 寻求电网更为有效的控制措施。预防此类事故的再次发生，确保电力系统 的安全稳定运行，则是摆在电力科研工作者面前的又一重要课题。 继电保护和安全自动装置始终是电力系统中至关重要的环节。虽然目 前已经基本上实现了微机化，总体性能指标有了很大提高，但由于基于本 地量工作的继电保护和安全自动控制装置对电力系统运行方式的变化缺 乏适应能力，反映的仅是系统很小一个区域的运行状态，不能反映较大区 域电网的安全运行水平，装置之间缺乏相互协调和配合，难以对系统进行 优化控制。这样可能导致系统某点发生故障后安全水平下降，造成继电保 护和安全自动装置相继动作。由于这些装置之间缺乏相互的配合协调，可 能进一步扩大故障影响范围，引起系统发生连锁跳闸等严重事故【1 4 l5 | 。北 美及世界范围内的几次大停电事故让人们认识到，事故的发生并不是因为 继电保护和安全自动装置误动作，恰恰相反，它们都能正确动作，但是仍 然不能避免大规模停电事故的发生。其原因就在于它们之间缺乏相应的配 合协调，基于本地量的装置难以反映区域电力系统的运行状况【l 。 丌展基于广域信息的继电保护和安全自动控制系统的研究是解决上 述问题的有效途径之一。如果将装置接收信息的范围扩大至故障相邻区 域，不仅能准确的反映出故障状态，而且能够提供快速可靠的主保护和后 备保护功能，同时能简化保护装置之间动作整定值和动作时间的配合。对 控制系统而言，通过获得广域信息有助于实现更优化的控制措施，各种控 制措施之间能有机的配合协调，最大限度的减小扰动带来的影响和损失。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 1 3 广域保护的研究现状 由于对广域保护系统功能的定位和理解不同，当前国内外对广域保护 系统的研究主要集中在两个领域：安全稳定控制领域和继电保护领域。 1 广域保护用于安全稳定控制领域的研究 广域保护的概念首次由瑞典学者b e r t i li n g e l s s o n 等于1 9 9 7 年提出。文 献 16 所论述的广域保护系统主要用来预防互联电网的长期电压崩溃，这 里的“保护 是指广义上对系统的安全自动控制而不包含继电保护功能， 该系统的通信功能是基于s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 系统的，通过r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 获取所需节点的信息。 s c a d a 采集的数据是非实时的，数据刷新频率较慢，因为用于长期电压 崩溃的预防，不需要进行快速、实时的交换数据，因此这样的通信系统能 够满足要求。 美国许继公司的蔡运清等学者仔细分析了现有的基于广域量测的稳 控技术，介绍了其在实际电网中的一些试运行的成果，并提出了新一代在 线动态安全分析的广域保护系统【1 7 】，其论述的广域保护系统是被定位在常 规保护及s c a d a e m s 之间的系统保护和控制手段，随着计算机技术和 通信技术的发展，借助广域量测系统( w a m s ，w i d ea r e am e a s u r e m e n t s y s t e m ) 及在线动态安全分析技术逐渐发展成为广域保护技术【1 8 。 由于相量测量单元( p m u ，p h a s em e a s u r e m e n tu n i t ) 能提供实时、同步 的电网运行数据，基于w a m s 的系统状态估计比现有的技术将有明显提 高，快速的状态估计使得一些高级分析成为可能，例如电压失稳及低频振 荡的监视及报警、系统动态稳定极限输电功率的确定等。 2 广域保护用于继电保护领域的研究 国内外许多学者自1 9 9 8 年前后开始广域继电保护系统的研究【2 2 2 8 1 。 在国外，日本学者y o s h i z u m is e r i z a w a 等人将广域的概念和继电保护相结 合，于1 9 9 8 年提出使用g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 信号进行精确的时 间同步，通过专用的光纤信道传送多点电流信息，构成广域电流差动后备 保护的观点，该方法克服了现有的两点纵联差动保护方式无法提供快速后 备保护功能的问题【2 3 】【2 4 1 。他所提出的广域差动保护主要完成后备保护功 能。我国学者在广域继电保护方面的研究也取得了一些成绩。广西大学的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 谭建成教授于2 0 0 0 年开始陆续在i e e et r a n s a c t i o n 上发表多篇文章，讨论 将多点信息运用于继电保护，构成广域后备保护的可能性。在利用多点信 息的问题上，提出使用继电器动作a f ( a c t i o nf a c t o r ) 进行故障定位，采用 专家系统对主要信息进行处理和决策【2 5 艺引。 西南交通大学的王晓茹教授提出基于a g e n t 的电网后备保护系统的结 构和算法，a g e n t 之间通过i p 通信实现数据交换，并利用e p o c h s 电力 和通信同步仿真平台在一简单电网上实现了所提出的后备保护系统【2 9 1 。 纵观国内外关于广域保护理论的研究，目前提出的广域保护系统可以 分为基于广域量测的安全稳定系统和基于广域信息的广域后备保护系统。 在广域保护系统中，如何快速可靠的传递多点信息是实现保护控制功能的 关键，而信息传输的实时性和可靠性取决于关于通信网络的性能。随着以 太网在变电站通信网络中的广泛应用、光纤在电力通信网络中的应用，现 代通信技术的提出，保证广域保护数据的实时性和可靠性已经逐渐变得可 能，如何建立满足广域保护要求的通信网络，采用现代通信技术以提高通 信网络性能值得深入的研究。 1 2 广域保护通信系统 1 2 1 广域保护通信系统研究的意义 安全高效的通信系统是实现广域保护的基础，计算机技术和通信技术 的快速发展为广域保护系统的实现提供了必要的条件。通信技术是近年来 发展最迅速的技术之一，同时通信技术也逐步应用于电力通信系统中。以 太网正逐步取代工业控制的现场总线，在许多变电站内都组建了基于以太 网的变电站局域网。许多地区在高压变电站间铺设s d h 光纤坏网，将各 变电站局域网连接起来构成电力系统的广域网。近几年来一些电力通信方 面的标准也纷纷出台，其目的就是保证变电站内和变电站间信息的快速、 可靠交换。基于g p s 时钟同步技术的同步向量测量装置p m u 在电力系统 中的广泛应用，以实现互联电网的同步数据采集，进一步推动了广域保护 的发展。 广域保护系统就是在通信技术不断发展完善的基础上、为满足大规模 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 互联电网对安全稳定运行的要求、解决现有保护和控制系统存在的若干问 题的背景下提出的，广域保护系统要求借助通信获得电力系统多点信息， 因此通信网络的性能是影响广域保护系统实际应用的重要因素，对广域保 护通信系统的研究意义重大，利用现代通信技术实现广域保护信息传送是 否满足电力系统的要求需要进一步的研究和分析。 1 2 2 广域保护通信系统研究现状 通信系统是广域保护系统的一个十分重要的组成部分，快速可靠的通 信网络是实现广域保护必不可少的基础设施。以往的广域保护通信系统多 沿用电力系统中广泛采用的s c a d a 通信模式【3 0 。33 1 ，其通信系统采用以点 对点通信为主的串行通信方式，这类系统一般采用循环式或轮训式的通信 规约，其通信速率较低，实时性不高，且随着子站的数量增加和下降p 4 ， 无法满足广域保护对通信性能的要求。 随着电力系统光纤通信网络的大规模建设，光纤凭借抗干扰强、传输 容量大、传输损耗小等优势被广泛应用于电力系统广域通信【3 5 。 j 。文献 10 讨论了广域保护的概念和广域保护系统的结构和功能，通信网络的配置。 分析了传统的微波通信和光纤通信系统的延时，分析了同步光纤网的优 点，提出采用异步传输模式a t m 交换机和以太网交换机配合使用，通过 全光纤通道，克服在测量数据较大的情况下网络数据传输延时不确定的缺 点。文献 3 8 ，3 9 分析了广域保护系统需要传输的消息种类以及各类消息对 通信系统的要求，在此基础上选择i po v e ra t mo v e rs d h 模式，利用s d h 光纤自愈环的低延时和可靠性，以及a t m 的服务质量和对i p 的多业务支 持，并对所提出的广域保护通信系统进行了仿真研究。 广域量测系统为广域保护系统提供数据来源，因此广域量测系统的通 信网络也受到广泛的关注。文献 4 0 4 2 论述了基于p m u 的广域量测系统 的基本功能，分析了延时和响应时间等因素对该系统的可用性的影响，提 出基于光纤通信技术的新代高速率，低延时的全光纤通信网络是未来电 力系统通信网络的主体。文献【4 3 对广域量测系统的通信网络进行了较为 全面的分析，从网络的需求，设备的性能，通信的流量，通信网络技术的 选择等方面进行了阐述。给出了通信网络的结构。文献 3 6 从通信介质、 通信技术两方面对广域量测系统的通信网络进行了分析和研究，分析了广 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 域通信中的时i 、日j 参数，保证通信实时性和可靠性所需要的技术。重点介绍 了s d h 技术和a t m 模式的优缺点，提出s d h 技术承载a t m 模式的数据 传输技术来构建广域通信网。文献 4 4 采用以太网和异步传输模式( a t m ) 相结合的方式，通过全光纤通道，构建了一套高实时性的全网相角信息实 时传输通道实现测量数据的上传。将以太网交换机与a t m 交换机配合使 用，以克服e i e e 8 0 2 3 协议中因c s m a c d 机制而导致的传输时延不确定 的缺点，消除网络拥塞。为了防止数据丢包或者服务器接收到坏包，以减 小主站数据集中处理的工作量，该系统采用了t c p 协议作为传输层协议。 但采用t c p 虽然提高了数据通信的可靠性，由于t c p 在数据传输时要先 建立连接，这在远程数据传输应用时会增加时间开销，从而会影响通信的 实时性。另外，以太网交换机工作在全双工方式时，不会启动c s m a c d 机制，但如果多个端1 ：3 同时向一个端口发送数据，在交换机中会出现网络 拥塞，即使是在a m t 交换机配合工作的情况下也无法避免。文献 4 5 ，4 6 提出基于光纤+ s d h + i p 技术的继电保护及故障信息传输系统，分为省级主 干s d h 和地区s d h 两级广域网络结构，各地区予网通过省调主站和地调 主站的路由器经由省主干s d h 光纤网实现互联。通过对以上通信方式的 分析，广域保护系统中的实时数据通信采用区域性s d h 光纤通信，变电 站内部数据通信采用以太网通信。 综合已有的研究发现，目前对广域通信系统的研究主要为物理载体的 选择和通信模式的分析比较上，并且已有的研究中所提出的广域通信系统 均需要单独建立通信通道。然而目前我国电力系统通信网络已初具规模， 光纤网络覆盖全国，形成“三横四纵”的光纤主干网，各省的主要发电站 及2 2 0 k v 及以上变电站基本实现光纤通信，已经具备了实时通信的物质条 件 4 7 , 4 8 】，因此如果能够利用已有的电力通信网络，实现广域保护系统数据 和其他电力系统数据的一体化传输【4 9 1 ，同时结合新通信技术，以保证广域 保护系统数据的实时性和可靠性，将具有重要的意义。 1 3 本文的主要工作 电力系统通信网络的发展与通信技术的发展紧密联系，目前现代通信 技术的发展日新月异，这些新技术将为广域保护通信系统的发展带来新的 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 契机。 本文结合广域保护系统的功能需要，结合目前电力系统通信网络的发 展，和通信新技术的应用，为一个实际电力系统设计了一个广域保护通信 系统，并利用网络仿真软件对该系统进行了建模仿真，论文主要工作包括： 1 学习了电力系统通信技术的发展及原理，分析比较了电力线载波、 微波通信、光纤通信的特点。对目前在电力系统通信中使用的s d h 、a t m 、 m p l s 等通信技术进行了学习。 2 分析了电力系统通信业务流量以及广域保护系统对通信网络的性 能要求，比较了适合用于广域保护通信系统的物理介质、通信模式的优缺 点，并对m p l s 技术的优势进行了仿真分析。结合某实际电力系统，以光 纤为物理介质，i po v e rs d h 为通讯模式，设计了一个广域保护通信系统， 并采用m p l s 技术来保证广域保护系统数据的实时可靠的传输。 3 最后利用通信仿真软件o p n e t ，对所设计的广域保护通信系统进 行了建模仿真。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章电力系统通信技术 2 1 电力通信系统物理介质 电力系统通信是电力工业的一部分，但在技术上又受到电信技术的影 响。各种新的电信技术在电力系统通信中得以利用，同时又有自己的特色 和优势，处于两大行业的交叉点，随着电网的延伸、通信技术的发展而不 断发展。我国电力系统通信中主要使用的物理介质从上个世纪7 0 年代的 电力线载波、8 0 年代的模拟微波、9 0 年代的数字微波，发展到目前的光 纤通信【3 5 , 4 9 - 5 1 】。 2 1 1 电力线载波通信 电力线载波通信是电力系统传统的特有通信方式。它利用输电线路为 传输通道，具有通道可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步等得天 独厚的优势，曾经是电力通信的主要方式。它是根据频率搬移、频率分割 原理，将原始信号对载波进行一次或多次调制，搬移到不同的线路传输频 带，然后送到线路上进行传输，从而实现多路通信的一种通信方式。电力 线载波虽然经济，但也存在固有的弱点： ( 1 ) 受频率资源的制约，传输容量有限； ( 2 ) 抗干扰能力弱； ( 3 ) 工频饱和阻塞： ( 4 ) 高频保护通道构成复杂、环节多，所以其可靠性十分差，如该种 技术模式不发生根本改变，很难提高保护装置的正确动作率和投运率； ( 5 ) 高频电力载波传送保护信号模式的日常维护手段落后，每天都需 要进行例行的保护信号倒换试验； ( 6 ) 电力载波模式由于体制落后，没有误码检测和纠错功能，传输时 延得不到根本的改善，无法适应日益复杂的控制系统对传输通道的要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 2 微波通信 微波通信可分为模拟微波和数字微波。由于其通信容量大、投资费用 省( 约占电缆投资的五分之一) 、建设速度快、抗灾能力强等优点，而取得 迅速的发展。8 0 年代后，我国电力进入微波通信的黄金时期，它是适应大 电厂、大电网、超高压长距离输电线路的发展，以及生产调度、行政管理 水平提高的需要而兴起的，顺应电力系统生产和管理的现代化，需要大容 量、高质量和传输多种信号的通信方式的要求。地面上的远距离微波通信 采用中继方式。其原因是： ( 1 ) 微波传输具有视距传输性，而地面是个曲面，为了延长通信距离， 需在通信两地之间设立若干中继站，进行电磁波转接； ( 2 ) 微波传输有损耗，在远距离通信时，有必要采用中继方式对信号 逐段接收、放大和发送。 长距离微波通信干线可经过几十次中继而传至数千公里仍可保持很 高的通信质量。微波站的设备包括天线、收发信机、调制器、多路复用设 备以及电源设备、自动控制设备等。数字微波目前仍然广泛用于电力系统 的微波通信，它具有一般微波的特点，同时又属于数字通信制式，具有数 字通信的特点： ( 1 ) 伸缩性大。数字微波通信容量最少可以用十几个波道传播，当然 容量需求大时也可以用几百个到几千个波道传播； ( 2 ) 使用灵活。如果有移动性的需要，军用或商用数字载波通信装备 架设起来都十分方便，且通信效率也相当高； ( 3 ) 传输质量较高。所传送的信息几乎不受电力系统本身干扰的影响： ( 4 ) 可同时传送电话、电报、图像、数据等多种信息。 但微波通信有着和光波传输相似的弱点：绕射能力差。同时在电波的 传播的过程中，却难免受到地形、地貌及气候状况的影响而引起反射、折 射、散射和吸收现象，产生传播衰减和传播失败。 2 1 3 光纤通信 光纤通信是以光导纤维为通信介质，以光信号为载波的通信方式。其 工作原理是：在发送端，来自信息源的电信号经过电发送机处理( 如模数 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 变换、多路复用等) 后送至光发送机，对光源的光载波进行调制，经过调 制的光信号耦合到光纤内，通过光纤传输到接收端，经光接收机的检测转 换成电信号，由电接收机恢复成原信号。实际应用中，光发送机和光接收 机常安装在同一机架上成为光纤传输的终端设备，简称为光端机。电发送 机和电接收机组合称为电端机。实际的传输线路还需使用光连接器、光衰 减器、光分路器、光藕合器、光分波器、光滤波器、光丌关等。为了便于 操作维护和管理，还要有监控设备、供电电源等。光纤通信比其它通信方 式具有许多优势： ( 1 ) 容许频带宽，传输容量很大。在载波通信中，载波的频率越高， 其信息容量就越大。目前单波长光纤通信系统的传输速率一般为2 5 g b s 和1 0 g b s ，波分复用和时分复用更是极大地增加了传输容量； ( 2 ) 光纤损耗低，中继距离长。由于传输介质对光的吸收和散射，光 纤总有一定的损耗存在，使光信号通过光纤后变得越来越弱。由于技术和 制作工艺的进步，目前已使光纤损耗降至很低，每公里仅零点几乃至零点 零几分贝( d b ) 。因此，光纤通信系统的中继距离可以非常长，一般几十乃 至上百公里才需中继放大一次，这是电缆无法与之相比的； ( 3 ) 光纤通信的抗电磁干扰能力强。光纤由电绝缘的石英材料制成， 光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏，因此，光纤通信 抗电磁干扰能力很强： ( 4 ) 光纤通信的保密性好，不易被窃听。由于在传输过程中光纤是将 光信号束缚在光纤芯内传播，光信号向外辐射、泄漏极小。光纤之间串音 很小，在传输途中很难被窃听，所以光纤通信保密性很好。 ( 5 ) 光纤的重量轻体积小。由于光纤重量很轻，即使制成光缆在芯数 相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也要小得多，光纤复合架 空地线( o p g w ，o p t i c a lf i b e rc o m p o s i t eo v e r h e a dg r o u n dw i r e ) 和全介质 自承式架空光缆( a d s s ，a l ld i e l e c t r i cs e l f _ s u p p o r t i n g ) 已在电力系统通信 中发挥重要的作用。 除了以上三种常用通信方式外，电力通信还有无线通信、明线电话、 音频电缆及扩频通信等方式。尽管通信已经发展到光纤时代，但由于各地 地理环境，经济条件不同，通讯方式上仍有很大差别。随着我国电力工业 的迅速发展，电力系统的专用通信网已初具规模，形成了一种以光纤网络 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 为中心，微波通信和电力线载波等其他方式为辅的通信网。 2 2 电力系统广域通信技术 电力系统通信网络作为专业通信网，在发展建设过程基本沿着电信网 络的发展演进。由于业务的特殊性和传输媒介的独特性，使得通信系统的 建设与发展表现出固有的特点。随着电力通信网络的发展，特别是基于广 域信息的广域保护系统对通信的实时性和可靠性的要求，通信网络在规模 和技术上，都需要依靠现代通信技术构建电力通信网络。电力系统的生产 和管理业务对通信的要求正在逐步提高，全国电力通信网得到了快速发 展，并受到了前所未有的重视。s d h 光纤通信己经成为电力通信网络的主 要方式；大部分通信业务的承载正逐步转向i p 化；以互联网为代表的新 技术革命正在深刻地改变着传统电力通信的概念和体系。而近年来，电力 通信在网络传输和交换技术方面有了较大的发展，工作在o s i 参考模型 二、三层之间的多协议标签交换m p l s 技术已经获得了广泛的应用，为电 力系统广域通信带来了发展的契机。 2 2 1s d h 技术 s d h 光同步数字传输网，起源于美国贝尔通信研究所，当初被称为同 步光网络s o n e t ( s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k ) 。19 8 8 年，i t u t ( 国际电 信联合会电信标准化分会) 的前身c c i t t ( 国际电报电话委员会) 接受了 s o n e t 概念，并对s o n e t 标准进行了研究、修改和开发，使之能有效兼 容以1 。5 m b i t s 和2 m b i t s 为基础的两大数字体系，建立了世界性的统一标 准，并重新命名为同步数字体系s d h ，使之成为不仅适用于光纤也适用 于微波和卫星传输的通用体制。 s d h 是在准同步数字体系p d h 的基础上发展起来的，具有如下优越 性： ( 1 ) 帧结构具有统一的世界标准，采用同步复用方式和灵活的映射复 用结构使p d h 中低于1 4 0 m b i t s 的各次群信号纳入s d h 中，在s t m 1 以 上的等级速率完全采用同步复用。复用的特点是在网络频率取得同步的前 提下，确定基本速率为15 5 5 2 0 m b i t s ( 简称15 5 m b i t s ) ，传输速率为 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 l5 5 5 m b i t s 的整数倍。为了便于实现支路信号的同步复用、交叉连接、上 下电路和交换，s d h 帧结构是以6 4 k b i t s 的帧同步信道为基础。图2 1 给 出了i t u t 采纳的以字节作基础的s t m n 的帧结构。从功能上看它是一 种与传统的p d h 的同步帧周期信号的条形帧结构完全不同的矩形块状结 构，其实它仍然是以网络同步的速率逐行串行传输的。由s d h 的帧格式 可知，s d h 帧头丌销为2 9 6 ，效率为9 7 1 ，传输效率相对较高； 2 7 0 b y t e x n ( s t m - 0 为9 0 砚) 1 2 5 u s 1 9 b y t e n ( s t m 0 为3 列) 2 6 1 b y t e x n ( s t m 一0 为8 7 列) 段开销 a u p t r ( 管理单元指针)s d h 净荷( 含p o h ) 段开销 图2 1s t m n 的帧结构【”】 ( 2 ) 帧结构以字节为基本单位，各支路数据( 包括2 8 3 4 1 4 0 m b s ) 在帧 内均匀分布，能方便地提取和插入支路数据，而且可实现各支路数据的同 步复接和交叉连接。帧结构中安排了大量的维护与管理用的信息字段，使 系统的维护与管理功能大大加强。帧结构中的指针调整字段可调整各节点 间的时钟差异，实现完全同步传输； ( 3 ) 采用数字交叉连接设备可以对各种端口速率进行可控的链接配 置，对网络资源进行自动化的调度和管理，既提高了资源的利用率，又增 强了网络的抗毁性和可靠性。 s d h 系统作为光纤通信发展和应用的热点，己成为我国某些省电力系 统通信传输网的重要组成部分，电力通信网总体结构分为省骨干网和地区 网二级网络( 省电力公司直属单位、直调电厂、变电所就近接入) ，由5 0 0 k v 变电所之间架设的o p g w 光纤网络作为省光纤骨干网，已经部分建成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 2 2a t m 技术 异步传输模式a t m 是国际电信联盟i t u t 制定的标准，是8 0 年代中 期，为了解决电路交换和分组交换在实现宽带高速的交换任务时的缺点而 提出来的，a t m 就是建立在电路交换和分组交换的基础上的一种面向连接 的快速分组交换技术，它采用定长分组作为传输和交换的单元，在a t m 中这种定长分组叫做信元，因包含来自某用户信息的各个信元不需要周期 性出现，所以这种传输模式是异步的。 a t m 信元长度固定为5 3 个字节，分为2 个部分。前面5 个字节为信 头，主要完成寻址的功能；后面的4 8 个字节为信息段，用来装载来自不 同用户，不同业务的信息。所有的数字信息都要经过切割，封装成统一格 式的信元在网络中传递，并在接收端恢复成所需格式。a t m 中的虚连接由 虚通路( v pv i r t u a lp a t h ) 矛d 虚通道( v cv i r t u a lc h a n n e l ) 组成，分别用v p i 和 v c i 来标识。多个虚通道可以复用一个虚通路，而多个虚通路又可以复用 一个传输链路。在一个传输链路上，每个虚连接可以用v p i 和v c i 唯一标 识。虚通路、虚通道和传输链路的关系如图2 2 所示。 v c v c v c 图2 2 虚通路、虚通道和传输链路关系图 a t m 的主要优点总结如下： ( 1 ) 选择固定长度的短信元作为信息传输的单元，有利于宽带高速交 换。由于信元长度为5 3 字节，其信头为5 字节。长度固定的首部可使a t m 交换机功能尽量简化，只用硬件电路就可对信元进行处理，因而缩短了每 个信元处理的时间。在传输实时业务时，短信元也有利于减少延时，节约 了节点交换机为存储信元所需的存储空间； ( 2 ) 能够支持不同速率的各种业务。a t m 允许终端有足够多比特时就 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 去利用信道，链路控制器调节信息源进入网络的速率， 以复用在一起； ( 3 ) 所有信息在最底层是以面向连接的方式传送， 证实时性和服务质量方面的优点； 不同类型的业务可 保持电路交换在保 ( 4 ) a t m 使用光纤信道通信，由于光纤信道的误码率极低，且容量很 大，因此在a t m 网中不必在数据链路层进行差错控制和流量控制，从而 提高信元在网络中的传输速率。 但是a t m 有一个明显的缺点就是信元首部的开销太大，即5 个字节 的信头在整个5 3 字节的信元中所占的比例相当大。a t m 技术在出现初期 曾被认为是未来宽带综合业务网的基础，但实际上a t m 只是用在i n t e r n e t 的主干网中，由于其技术复杂且价格较高，因此a t m 在实际广域通信网 络中使用不多。 2 2 3m p l s 技术 m p l s 多协议标记交换技术是由c i s c o 公司于19 9 6 年提出，它是一种 可以在多种第二层媒质上进行标签交换的网络技术，是新一代的i p 高速 骨干网络交换标准。这一技术结合了第二层交换和第三层路由的特点，将 第二层的基础设施和第三层的路由有机地结合起来。m p l s 通过在入口路 由器中为每个i p 数据包提供一个标记，在核心路由器中仅读取数据包标 记来实现包的转发，无须读取每个数据包的i p 地址。因此可以解决i n t e r n e t 中的路由问题，使数据包传送的延迟时间减短，增加网络传输的速度。 m p l s 允许不改变现有的路由协议，数据链路层的交互提供一个统一 的操作平台，具有很强的适应性和灵活性，能支持现有网络层和数据链路 层的各种协议( 比如对网络层支持i p v 4 、i p v 6 等，对数据链路层支持帧中 继、a t m 、p p p 等) 。m p l s 是集成了i po v e ra t m 技术，即在帧中继及a t m s w i t c h 上结合路由功能，数据包通过虚拟电路来传送，只须在o s i 的第二 层( 数据链路层) 执行硬件式交换，来取代第三层软件式路由，它将i p 选路 和第二层标记交换整合为一个系统，应用于广域通信网络是i p 和a t m 相 结合技术的一种好的解决方案，这样可以保护目前一些电力通信骨干网已 投入的资金。 1 m p l s 中的基本概念 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 ( 1 ) 标签交换路由器( l s r ) 标记交换路由器( l s r ，l a b e ls w i t c hr o u t e r ) 是支持m p l s 协议的路由 器，是m p l s 网络中的基本元素。l s r 由两部分组成，控制单元和转发单 元。控制单元将负责标记的分配、路由的选择、标记转发表的建立、标记 交换路径( l s p , l a b e ls w i t c hp a t h ) 的建立、拆除等工作。而转发单元则将依 据标记转发表对收到的分组进行转发。称这种m p l s 交换设备为路由器， 因为这种设备从行为表现上更像传统的路由器，其控制方式、路由方式与 路由器更为相似，区别只是在于其交换单元。m p l s 的边缘l s r 有入口 l s r 和出口l s r 两种，他们又被称为头端和尾端l s r 。 ( 2 ) 标签交换路径( l s p ) 标记交换路径l s p 是指用m p l s 协议建立起来的从入口l s r 到出口 l s r 的分组转发路径。这一路径由标记分组源l s r 和目的l s r 之间的一 系列l s r 以及它们之间的链路构成，它类似于a t m 中的虚电路。从另一 个角度来说，l s p 实际上是由路径上的各个节点上标记转发表中的相关条 目构成的。由于资源预留或显示路由的因素，l s p 有别于i g p 下的最短路 径。m p l s 使用如r s v p 或l d p 之类的信号协议来建立l s p 。 ( 3 ) 转发等价类( f e c ) 转发等价类( f e c ，f o r w a r d i n ge q u i v a l e n tc l a s s ) 是m p l s 技术的基础。 m p l s 这种分类转发技术，它将具有相同的转发处理方式( 目的地相同或使 用地转发路径相同或具有相同的服务等级等) 的分组归为一类，称为f e c 。 属于相同f e c 的分组在m p l s 网络中将获得完全相同的处理：入口标签 交换路由器l s r 上得到相同的标签( l a b e l ) ，映射到相同的l s p 通过同样 的路径转发。m p l s 网络中对包进行f e c 划分只需要在边缘l s r 上进行 一次，相比传统路由器网络在每一跳上进行划分，大大提高了网络的转发 性能。分组的目的地址不同，然而可以在m