CN103441959B - 电力系统实时多业务数据复用通信网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力系统实时多业务数据复用通信网络，该网络包括实时交换机核心网、接入线路、接口模块和数据终端，所述数据终端与接口模块相连，所述接口模块再通过接入线路连接到实时交换机核心网；所述实时交换机核心网包括具有业务分类转发机制的交换机，所述交换机之间均相互连接，该网络可以使单一业务数据按照实时控制数据优先传递、同步采样数据同步周期传递、系统管理数据等待最后的先后次序传输。该网络通过对电力系统自动化和继电保护实时多业务进行复用简化通信网络的结构，并在此基础上使得复用通信网络对于实时业务数据的传递达到或者接近专线的性能，而且该网络通过并行网络实现路由保护，从而提高网络的可靠性。

Description

电力系统实时多业务数据复用通信网络

技术领域

本发明涉及一种电力系统实时多业务数据复用通信网络，属于电力系统自动化和通信网络技术领域。

背景技术

在大多数民用领域的应用中通过复用技术利用同一个通信网络承载多种业务的方式极为普遍，但对电力系统来说利用统一的通信网络承载多种通信业务成为难题，尤其是当承载的业务中包括实时业务时，这是由于电力系统中实时业务与其他非实时业务的要求差别巨大，难于统一在同一个通信网络中，究其原因主要是目前的通信网络并没有针对电力系统来设计，并没有在复用实时业务的同时保证其实时性的措施，同时缺乏严格的业务之间隔离的机制。由于电力系统自动化和继电保护数据对通信的要求有特别之处，例如严格时延要求，严格的通信可靠性、安全性要求等，这些严格要求限制了复用技术的应用。

目前在电力系统自动化和继电保护领域，在遇到多种业务并存的场合绝大多数情况下都是采用分层分网的通信网络架构，通过不同的网络分别承载不同的业务，专门为实时业务建立网络以满足其特殊的要求；分层分网带来了网络臃肿、成本高居不下、网络复杂带来的性能不稳定等一系列问题；另外由于分层分网限制了数据的共享，这与电力系统自动化的发展背道而驰。

如图1所示，一个简单的智能变电站二次系统框图，该系统由两个间隔组成，该系统包括站控层设备（服务器、网关）、过程层采集设备、间隔保护和测控设备、站保护设备（例如母差保护）、录波设备（故障录波）；该系统采用分层分网通信网络方案，该系统利用工业以太网交换机为每一种业务建立了独立的网络，SV网络专门传递过程层的同步采样数据，GOOSE网络专门传递过程层的实时控制数据，MMS网络连接每一个IED设备负责传递系统管理数据。在过程层每一个间隔配置交换机负责间隔内通信，不同间隔的数据再通过交换机汇集为跨间隔的站保护提供数据传递服务。在分层分网的方案中每一个数据终端（电力自动化设备、智能设备、数据服务器或数据网关）都必须为每一种业务提供一个物理接口。从图1可以看出，分层分网的方案存在以下问题：

1）分层分网的方案网络组成复杂，网络设备众多，变电站至少需要三张网络，每一张网络都由若干交换机组成；

2）分层分网的方案数据传递的环节多，无论是环网还是多层网络在数据传递过程中都需要一次以上的数据转发；

3）分层分网的方案网络结构复杂，导致网络的稳定性受到影响，网络的可靠性和安全性难于保证；业务数据传递过程的复杂影响了传递的实时性，经过多次转发后数据的实时性难于保证。

因此，分层分网的方案带来了网络臃肿、成本高居不下、网络性能不稳定等一系列问题；另外由于分层分网还限制了自动化数据的共享，这与电力系统自动化的发展背道而驰。

为了解决上述问题技术人员引进了工业以太网技术，尝试通过工业以太网的业务复用能力解决实时业务复用问题。工业以太网基本上是全盘照搬遵循IEEE802.3标准的以太网交换技术，以太网以广泛应用、方便接入、“即插即用”为目标，网络采取面向非连接的资源共享的复用方式。由于以太网原本是为不分类型、不论重要程度的平等业务设计，业务之间通过自由竞争和抢占的方式获取所需的资源，以太网最大优点是保持较高的通信资源利用效率和网络服务的灵活性，但这种方式却牺牲了通信的稳定性和严格意义的性能指标；而这一点恰恰对性能指标要求严格的电力系统自动化和继电保护实时业务非常不利。

虽然工业以太网技术也做了一些改进，增加了虚拟网（VLAN）和优先级等业务分类和优先传递的技术，但本质上并没有彻底解决资源竞争的问题；而且为了扩大网络覆盖、实现数据共享人们采取了分层互联、环状网络等更为复杂的组网方案，这些方案进一步增加了网络的复杂性，降低了网络的性能。

解决上述问题的关键是简化网络结构，通过整合消除网络的层次和业务划分，在整合的基础上保证实时业务传递的性能。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种相比目前电力系统常见的分层分区网络更加简化的通信网络,该网络通过采用分类复用承载多种业务数据，并在传递过程中优先保障实时业务，通过网络结构的简化最大限度的减少业务的转发环节以提高业务传递的实时性，使得实时业务的传递能够在复用网络环境中接近或达到专线网络性能。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种电力系统实时多业务数据复用通信网络，包括实时交换机核心网、接入线路、接口模块和数据终端，所述数据终端与接口模块相连，所述接口模块再通过接入线路连接到实时交换机核心网；所述实时交换机核心网包括具有业务分类转发机制的交换机，所述具有业务分类转发机制的交换机之间均相互连接。

上述技术方案的完善是：

所述数据终端用于产生以太网报文格式的第一业务数据并送入接口模块；所述数据终端还用于接收接口模块传送来的以太网报文格式的第四业务数据，所述第一业务数据和第四业务数据均包括单一业务数据和混合业务数据，所述混合业务数据是多种单一业务数据的组合；

所述接口模块用于接收数据终端产生的所述第一业务数据，按照业务数据类型将所述业务数据全部转为同步采样数据、实时控制数据和系统管理数据三种业务数据类型的单一业务数据，然后对每一种类型的单一业务数据进行复接，并将复接后的第二业务数据通过所述接入线路传送到所述实时交换机核心网；

所述实时交换机核心网用于接收经所述接口模块复接后的第二业务数据并按所述三种业务数据类型进行分复接，还原出复接前的单一业务数据，所述实时交换机核心网依托其固有的分类转发功能，将分复接还原出的各个单一业务数据进行分类转发，

所述实时交换机核心网还用于对经过所述分类转发的各个单一业务数据进行再复接，再复接后的第三业务数据通过所述接入线路传送到所述接口模块；

所述接口模块还用于将所述实时交换机核心网再复接的第三业务数据进行再分复接，还原出再复接前的各个单一业务数据，根据单一业务数据输出和混合业务数据输出的要求，将需要形成混合业务数据的单一业务数据进行合流形成混合业务数据，并将合流的混合业务数据和没有合流的单一业务数据分别传送到数据终端形成第四业务数据输出；

所述复接和再复接均是先将所述单一业务数据按照所述三种业务数据类型分别排到三个队列中，再按照实时控制数据优先发送、同步采样数据同步周期发送、系统管理数据等待最后发送的先后次序排成一队输出。

本发明的有益效果在于：

1）本发明在实时交换机核心网上采用了业务分类转发的技术，以分类方式传递数据，所有业务数据均分解为单一业务数据独立传送；而且本发明采用的分类方式都是基于资源划分和资源预分配的静态方式，采用包括时分复用、转发平面等固定划分的复用技术，可以做到资源独占、业务之间高度隔离，克服了传统以太网所带来的资源竞争、业务弱分类、弱隔离的问题，通过实质性的业务分类传递保证实时业务传递的性能；目前的工业以太网交换机做不到这一点。在以分类方式传递业务数据的同时本发明采用了各种单一业务数据中实时控制业务数据优选传递、同步采样业务数据周期传递的方式，大幅度提高实时业务数据传递的实时性和一致性；使电力系统自动化和继电保护业务数据实现了专线通信或类似于专线通信。

2）本发明在通信网络中设置了接口模块，通过接口模块和实时交换机核心网的复接和分复接以及再复接和再分复接在接入线路上实现了实时业务数据优先的多业务复用方案，这是一项目前所有电力系统自动化和继电保护网络均未实现的重要改进，这项改进不仅克服了目前存在于接入线路上的实时业务复用限制，而且为进一步简化网络结构、提高系统集中度打开了空间。

上述技术方案的改进是：所述多业务复用通信网络采用并行网络，用于实现业务数据传递过程中的备份和冗余保护，所述并行网络包括并行配置的实时交换机核心网以及分别与其相连的并行的接入线路；所述并行网络通过接口模块实现业务数据的并行发送和接收。

上述技术方案的改进是：所述实时交换机核心网包括一台或多台具有业务分类传送机制交换机。

上述技术方案的改进是：还包括与所述实时交换机核心网连接的互联网关，所述互联网关设有网间接口，用于与其他外部异构网络交互数据。

上述技术方案的改进是：还包括与所述实时交换机核心网连接的主时钟，所述主时钟用于提供网络唯一的时间源，并同步网络中各个部分的时间和频率。

上述技术方案的改进是：所述数据终端是电力自动化设备、智能设备、数据服务器或数据网关。

上述技术方案的改进是：所述接口模块直接部署在数据终端中成为数据终端的一部分。

上述技术方案的改进是：所述接入线路为直连光纤网络或无源光网络。

上述技术方案的改进是：所述具有业务分类传送机制的交换机是PTN交换机、SDH交换机、PDH交换机或ATM交换机。

进一步总结本发明的优点如下：

1）本发明的电力系统实时多业务数据复用通信网络采用逻辑专线业务网络方式替代传统的物理专线通信网络，通过业务复用大幅度提高网络的数据传递效率，克服了专线网络所带来的僵化和数据共享问题，本发明通过资源管理技术提高复用实时业务的性能，通过资源管理的手段为实时业务保留必要的资源，通过这样的方式为实时业务建立起逻辑上的专线，达到在专线网络中通信资源独享的效果，从而保证数据传送过程中实时业务优先传递，使得实时业务在复用通信系统中的传递能够接近或达到专线的性能指标。

2）本发明的电力系统实时多业务数据复用通信网络通过对原有技术的改进克服了工业以太网所带来的资源竞争、业务隔离的问题。本发明通过分类复用和实时业务优先的方案满足了实时业务对数据传递实时性、可靠性的要求，克服以太网通信系统中资源独享的要求被拒绝或者忽视的问题。

3）本发明的电力系统实时多业务数据复用通信网络通过在业务数据传递过程中采用同步采样业务数据周期传递和时间同步网络建立了同步业务传递机制，专门为有实时要求的同步采样业务数据开辟同步传递通道，能够以一路“绿灯”的方式将同步采样业务数据稳定迅速地传送到目的地。

附图说明

下面结合附图对本发明的电力系统实时多业务数据复用通信网络作进一步说明。

图1是背景技术中分层分网的智能变电站通信网络示意图。

图2是本发明实施例一的电力系统实时多业务数据复用通信网络结构示意图。

图3是本发明实施例三的电力系统实时多业务数据复用通信网络结构示意图。

图4是本发明实施例四的智能变电站通信网络结构示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的电力系统实时多业务数据复用通信网络，包括实时交换机核心网、接入线路、接口模块和数据终端，所述数据终端与接口模块相连，所述接口模块再通过接入线路连接到实时交换机核心网；所述实时交换机核心网包括具有业务分类转发机制的交换机，所述具有业务分类转发机制的交换机之间均相互连接。

如图2所示，本实施例的数据终端有四个，分别为第一数据终端、第二数据终端、第三数据终端和第四数据终端。上述四个数据终端分别与第一接口模块、第二接口模块、第三接口模块和第四接口模块连接，然后再通过接入线路与实时交换机核心网连接。本实施例的实时交换机核心网包括三台相互连接的分组传送交换机（即PTN交换机），分别为第一分组传送交换机、第二分组传送交换机和第三分组传送交换机。

本实施例第一数据终端、第二数据终端和实时交换机核心网连接的接入线路采用无源光网络（ODN），第三数据终端、第四数据终端和实时交换机核心网连接的接入线路采用直连光纤网络。

实施例二

本实施例是在实施例一基础上的进一步完善，其改进之处在于：所述数据终端用于产生以太网报文格式的第一业务数据并送入接口模块；所述数据终端还用于接收接口模块传送来的以太网报文格式的第四业务数据，所述第一业务数据和第四业务数据均包括单一业务数据和混合业务数据，所述混合业务数据是多种单一业务数据的组合；

所述接口模块用于接收数据终端产生的所述第一业务数据，按照业务数据类型将所述业务数据全部转为同步采样数据、实时控制数据和系统管理数据三种业务数据类型的单一业务数据，然后对每一种类型的单一业务数据进行复接，并将复接后的第二业务数据通过所述接入线路传送到所述实时交换机核心网；

所述实时交换机核心网用于接收经所述接口模块复接后的第二业务数据并按所述三种业务数据类型进行分复接，还原出复接前的单一业务数据，所述实时交换机核心网依托其固有的分类转发功能，将分复接还原出的各个单一业务数据进行分类转发，

所述实时交换机核心网还用于对经过所述分类转发的各个单一业务数据进行再复接，再复接后的第三业务数据通过所述接入线路传送到所述接口模块；

所述接口模块还用于将所述实时交换机核心网再复接的第三业务数据进行再分复接，还原出再复接前的各个单一业务数据，根据单一业务数据输出和混合业务数据输出的要求，将需要形成混合业务数据的单一业务数据进行合流形成混合业务数据，并将合流的混合业务数据和没有合流的单一业务数据分别传送到数据终端形成第四业务数据输出；

所述复接和再复接均是先将所述单一业务数据按照所述三种业务数据类型分别排到三个队列中，再按照实时控制数据优先发送、同步采样数据同步周期发送、系统管理数据等待最后发送的先后次序排成一队输出。

本实施例中所述同步采样数据为SV数据，所述实时控制数据为GOOSE数据，所述系统管理数据为MMS数据。

需要特别说明的是，本实施例中具有分类转发机制的交换机具有如下性能：1）交换机可以通过预配置组建在交换机端口之间传递数据的连接，连接的功能是将数据从源端口传递到目的端口；同时交换机可以为每一个连接分配传递数据所需的资源（带宽、时隙等）；并且交换机可以确保所配置的上述各个连接之间相互独立，互不影响。2)交换机通过预配置映射关系可以将上述连接与输入交换机的数据的某些特征对应起来，具有该特征的数据只能而且必须通过与其对应的连接实现传递。3）一旦所述连接建立、特征映射完成交换机能够自动地将输入其端口的数据根据其特征从连接的源端口传递到连接的目的端口，数据通过交换机传递的过程如下，首先数据输入交换机某端口，其次交换机按照数据的特征映射将数据分配到其对应的连接，再通过连接将数据传递到连接的目的端口。在本实施中上述的数据的某些特征正是业务数据的业务数据类型；上述连接组成了所述的转发平面；在本实施中通过具有分类转发机制的交换机转发业务数据的过程正如实施例一中第三、第四步所述；首先业务数据输入交换机某端口，其次交换机通过分复接过程将该业务数据按照业务数据类型分复接成单一类型的业务数据再送入到与业务数据类型对应的转发平面，这里的转发平面正是由连接组成，再通过转发平面将业务数据送到目的端口。

因此本实施例中具有分类转发机制的交换机除了分组传送交换机外，还可以采用SDH交换机、PDH交换机或ATM交换机等。

本实施例还可以作如下改进：

1）增加与所述实时交换机核心网连接的互联网关，所述互联网关设有网间接口，用于与其他外部异构网络交互数据。

2）增加与所述实时交换机核心网连接的主时钟，所述主时钟用于提供网络唯一的时间源，并同步网络中各个部分的时间和频率。

3）所述接口模块直接部署在数据终端中成为数据终端的一部分。

实施例三

本实施例是在实施例二基础上的改进，与实施例二的不同之处在于：为了实现业务数据传递过程中的备份和冗余保护，所述多业务复用通信网络采用并行网络，所述并行网络包括并行配置的两个实时交换机核心网以及分别与两个实时交换机核心网相连的并行的接入线路；所述并行网络通过接口模块实现业务数据的并行发送和接收。

本实施例中接口模块提供的多路并行网络接口功能是并行网络的基础。如图3所示，本实施例以第一数据终端发送业务数据至第三数据终端为例说明业务数据的传递过程。第一数据终端发送第一业务数据至第一接口模块，在第一接口模块中转换为同步采样数据、实时控制数据和系统管理数据三种类型的单一业务数据流，再经过复接生成第二业务数据，实现实时数据优先传递。复接后的第二业务数据再进行一对二的并发处理，并发的第二业务数据分别通过不同的无源光网络（ODN）传送到实时交换机核心网A和实时交换机核心网B进行分复接、业务数据分类转发和再复接，再复接后分别生成第三业务数据，然后通过不同的直连光纤网络传送到第三接口模块，由第三接口模块进行选择，选择接收其中一路的第三业务数据进行分复接，得到第四业务数据并传送到第三业务终端。

实施例四

本实施例是对图1所示的分层分网的智能变电站通信网络的改造方案。本实施例的电力系统实时多业务数据复用通信网络，包括实时交换机核心网、接入线路、接口模块和数据终端，所述数据终端通过接入线路与接口模块相连，所述接口模块再通过接入线路连接到实时交换机核心网；所述实时交换机核心网仅包括一台具有业务分类转发机制的分组传送交换机。

如图4所示，本实施例中智能变电站的二次系统由两个间隔组成，图4中的IED服务器、IED网关、第一IED间隔保护和第一IED测控设备、第一IED智能终端、第一IEDMU以及第二IED间隔保护和第二IED测控设备、第二IED智能终端、第二IEDMU均为数据终端；整个通信网络只需配置一台分组传送交换机，两个间隔中每个间隔均配置一个光耦合单元组成无源光网络（图4中示为ODN11和ODN12），每个数据终端均增加一个接口模块，每个接口模块均直接部署在数据终端中成为数据终端的一部分。

本实施例中数据终端在网络中的传送与接收业务数据的过程与实施例三基本相同，在此不再叙述。

通过与图1中所示的分层分网的技术方案进行比较，可以看出本实施例的网络结构大幅度简化，网络组成清晰、简洁，加装了接口模块后数据终端只需要增加一个面向网络的接口模块，在数据终端相对比较集中的间隔区域部署光耦合器形成无源光网络，利用无源光网络1：N的集线功能集中接入数据终端，通过接入线路变电站中所有的数据终端都集中接入到一台实时交换机之上；网络采用星形拓扑，任何数据终端之间的数据传递只需经过实时交换机一次转发便可完成。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，例如数据终端可以采用电力自动化设备、智能设备、数据服务器或数据网关，等等。凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种电力系统实时多业务数据复用通信网络，其特征在于：包括实时交换机核心网、接入线路、接口模块和数据终端，所述数据终端与接口模块相连，所述接口模块再通过接入线路连接到实时交换机核心网；所述实时交换机核心网包括具有业务分类转发机制的交换机，所述具有业务分类转发机制的交换机之间均相互连接；

所述数据终端用于产生以太网报文格式的第一业务数据并送入接口模块；所述数据终端还用于接收接口模块传送来的以太网报文格式的第四业务数据，所述第一业务数据和第四业务数据均包括单一业务数据和混合业务数据，所述混合业务数据是多种单一业务数据的组合；

所述接口模块用于接收数据终端产生的所述第一业务数据，按照业务数据类型将所述业务数据全部转为同步采样数据、实时控制数据和系统管理数据三种业务数据类型的单一业务数据，然后对每一种类型的单一业务数据进行复接，并将复接后形成的第二业务数据通过所述接入线路传送到所述实时交换机核心网；

所述实时交换机核心网用于接收经所述接口模块复接后的第二业务数据并按所述三种业务数据类型进行分复接，还原出复接前的单一业务数据，所述实时交换机核心网依托其固有的分类转发功能，将分复接还原出的各个单一业务数据进行分类转发，

所述实时交换机核心网还用于对经过所述分类转发的各个单一业务数据进行再复接形成第三业务数据，并通过所述接入线路将所述第三业务数据传送到所述接口模块；

所述接口模块还用于将所述实时交换机核心网再复接的第三业务数据进行再分复接，还原出再复接前的各个单一业务数据，根据单一业务数据输出和混合业务数据输出的要求，将需要形成混合业务数据的单一业务数据进行合流形成混合业务数据，并将合流的混合业务数据和没有合流的单一业务数据分别传送到数据终端形成第四业务数据输出；

所述复接和再复接均是先将所述单一业务数据按照所述三种业务数据类型分别排到三个队列中，再按照实时控制数据优先发送、同步采样数据同步周期发送、系统管理数据等待最后发送的先后次序排成一队输出。

2.根据权利要求1所述的电力系统实时多业务数据复用通信网络，其特征在于：所述多业务复用通信网络采用并行网络，用于实现业务数据传递过程中的备份和冗余保护，所述并行网络包括并行配置的实时交换机核心网以及分别与其相连的并行的接入线路；所述并行网络通过接口模块实现业务数据的并行发送和接收。

3.根据权利要求1所述的电力系统实时多业务数据复用通信网络，其特征在于：所述实时交换机核心网包括一台或多台具有业务分类转发机制的交换机。

4.根据权利要求1所述的电力系统实时多业务数据复用通信网络，其特征在于：还包括与所述实时交换机核心网连接的互联网关，所述互联网关设有用于与其他外部异构网络交互数据的网间接口。

5.根据权利要求1所述的电力系统实时多业务数据复用通信网络，其特征在于：还包括与所述实时交换机核心网连接的主时钟，所述主时钟用于提供网络唯一的时间源，并同步网络中各个部分的时间和频率。

6.根据权利要求1所述的电力系统实时多业务数据复用通信网络，其特征在于：所述数据终端是电力自动化设备或智能设备。

7.根据权利要求1所述的电力系统实时多业务数据复用通信网络，其特征在于：所述接口模块直接部署在数据终端中成为数据终端的一部分。

8.根据权利要求1所述的电力系统实时多业务数据复用通信网络，其特征在于：所述接入线路为直连光纤网络或无源光网络。

9.根据权利要求1所述的电力系统实时多业务数据复用通信网络，其特征在于：所述具有业务分类转发机制的交换机是PTN交换机、SDH交换机、PDH交换机或ATM交换机。