CN203859769U - 一种智能变电站过程层多波长隔离光交换机设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种智能变电站过程层多波长隔离光交换机设备。该交换机设备应用于智能变电站的过程层，包括依次通过单根光纤连接的波分复用器、波分解复用器和交换模块；交换机设备分别设置在智能变电站过程层网络的两个网络节点上，交换机设备采用单根光纤双向传输的波分复用形式，使过程层的GOOSE网络、SMV网络、IEC61588时间同步网络分别承载不同的光载波信号波长，通过波分复用器复用以及波分解复用器分解，利用多波长的特性有效的实现多网络业务的安全隔离，并实现过程层网络的三网合一。本实用新型降低过程层的光纤芯数量，降低智能变电站建设成本、减少维护成本和操作复杂度、提高过程层通信网络的可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种智能变电站过程层通信网络技术，具体涉及一种智能变电站过程层多波长隔离光交换机设备。
背景技术
智能变电站过程层组网方案和其安全性是目前智能变电站过程层通信网络研究和开发的“热点”。
在现有的数字变电站当中，过程层的组网方式大多是以一主一备的A、B双网组网方式和混合组网方式，SMV，GOOSE和IEC61588标准对时是共网的。现有方式主要考虑保护装置安全可靠性的要求，尽量避免因为网络故障而导致保护功能失效。除了保护装置外，其余的测控、网络分析、录波等设备仍然采用组网的方式实现，但此方式对过程层和间隔层设备仍然提出了较高的要求，合并单元、智能操作箱等都需要增加多个光接口以满足直连和组网的需求，目前设备光接口至少需要8个，母线保护、备自投保护等跨间隔的设备需要的光接口则需要更多。这样的智能变电站组网方式存在以下问题：
1.所需要的交换机及其配套光缆数量庞大，尤其是双重化冗余配置的方式需求量会翻倍，投资巨大，全站二次设备大部分投资都花在购置交换机上；
2.如何保证GOOSE报文和SMV采样测量值传输的实时性；
3.如何保证大数据流背景下的网络可靠性；
4.如何保证数据传输安全性与网络安全性；
5.由于SMV、GOOSE和IEC61588报文对网络的需求差异明显，在双网架构下，通信设备、光缆成本增加较大，电力设备网络接口较多。
为了解决以上问题和满足过程层“三网融合”的要求，已有提出采用过程层工业以太网交换机VLAN功能的解决方案，并已经有所应用。但随着对IEC61588研究的深入，此类报文需要CPU的参与，这样IEC61588报文就有穿越VLAN的可能，致使隔离失败，如何保证数据传输的安全隔离与网络安全性问题依然没有得到很好解决。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种智能变电站过程层多波长隔离光交换机设备，本实用新型实现各个网络业务之间在通信层面的安全隔离，在过程层采用所述方法，在设备内利用不同的交换芯片和多波长实现网络业务之间的隔离。该方法的优势在于：采用该方法的网络实现了统一管理，统一安全防护，利于客户安装；另外，采用该实现方法可以使单一光纤实现多业务的同时传输，降低过程层的光纤芯数量，节省大量的光纤投资。
本实用新型的目的是采用下述技术方案实现的：
本实用新型提供一种智能变电站过程层多波长隔离光交换机设备，其改进之处在于，所述多波长隔离光交换机设备包括依次通过单根光纤连接的波分复用器、波分解复用器和交换模块；多波长隔离光交换机设备分别设置在智能变电站过程层网络的两个网络节点上。
进一步地，所述交换模块布局在PCB板上，数目为三，所述交换模块包括光口、交换芯片和电口；多波长隔离光交换机设备的对外接口为光口和电口；三个交换模块分别通过光口与波分复用器和波分解复用器连接，三个交换模块共用一套电源供电。
进一步地，所述智能变电站过程层网络包括GOOSE网络、SMV网络和IEC61588网络。
进一步地，过程层的GOOSE网络的发送端和接收端分别承载的光载波信号波长为1470nm和1490nm，SMV网络的发送端和接收端分别承载的光载波信号波长为1510nm和1530nm，IEC61588时间同步网络的发送端和接收端分别承载的光载波信号波长为1550nm和1570nm，同一网络的发送端光载信号波长与接收端光载波信号波长一致。
与现有技术比，本实用新型达到的有益效果是：
本实用新型提供的一种多波长隔离光交换机设备，交换机设备是对传统二层交换设备的一种创新和改进，采用波分复用方式将智能变电站过程层多网络业务复用在单根光纤上面传输，采用复用/解复用的方式集成在一起并整合在交换机里面，交换设备中的三个交换芯片之间都是独立的，之间没有任何的互通，任何非法攻击都无法通过其中一种业务攻击到其他业务网络中，并利用多波长的特性有效的实现各个网络业务之间在通信层面的安全隔离，将这些芯片全部布局在一块PCB上面通过电源统一供电，这样就形成了同一物理网络中三种业务隔离的光交换机。在过程层采用所述方法，在交换设备内利用不同的交换模块和多波长实现网络业务之间的隔离，该方法的优势在于：采用该方法的网络实现了统一管理，统一安全防护，利于客户安装，另外，采用该实现方法可以使单一光纤实现多业务的同时传输，降低过程层的光纤芯数量，节省大量的光纤投资，降低了智能变电站建设成本、减少了维护成本和操作复杂度、提高了过程层通信网络的可靠性。
1）满足GOOSE单独组网原则，保障GOOSE的安全、可靠和实时性；
2）满足SMV单独组网原则，保障SMV的安全、可靠和实时性；
3）满足IEC61588单独组网原则，保障IEC61588的安全、可靠和实时性；
4）满足以上三点，实现安全隔离的过程层“三网合一”通信网络；
5）简化过程层网络，网络交换机设备数量不增加、光纤数量减少67%，带宽增加200%，经济效益显著提升；
6）满足过程层交换机功能、性能、管理、安全可靠性、高稳定性需求。
7）该交换机设备对已建光纤系统，尤其早期铺设的芯数不多的光缆，只要原系统有功率余量，可进一步增容，实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系统作大改动，具有较强的灵活性。
8）该交换机设备既可以利用波分复用器/解复用器对智能变电站过程层多网络业务的安全隔离光交换机进行复用传输，又可以巧妙地利用波分复用器/解复用器合成在一处的方便，将波分复用器/解复用器接在交换机之间实现智能变电站过程层多网络业务隔离传输。
附图说明
图1是本实用新型提供的智能变电站过程层多波长隔离光交换机结构框图；
图2是本实用新型提供的智能变电站过程层多波长隔离单纤双向复用原理解析图；
图3是本实用新型提供的智能变电站过程层多波长隔离光交换机组网图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。
本实用新型涉及的多波长隔离光交换机设备结构框图如图1所示。多波长隔离光交换机设备应用于智能变电站的过程层，多波长隔离光交换机设备包括依次通过单根光纤连接的波分复用器、波分解复用器和交换模块；交换机设备分别设置在智能变电站过程层网络的两个网络节点上，用于过程层设备接入网络。交换模块布局在PCB板上，数目为三，交换模块包括光口、交换芯片和电口；交换模块用于过程层网络业务之间的交换以及多波长隔离光交换机设备的管理；多波长隔离光交换机设备的对外接口为光口和电口，用于接入过程层网络；三个交换模块分别通过光口与波分复用器和波分解复用器连接，实现多波长隔离，三个交换模块共用一套电源供电。
图1中SWITCH A，B，C表示三个多波长隔离光交换芯片，这三个交换芯片之间都是独立的，将这些芯片全部布局在一块PCB板上面，共用统一的电源供电，这样就形成了三个网络业务隔离的光交换机设备。其中每种网络业务都有自己的电口，光口，串口等丰富的接口功能，可以满足各种终端接入的需求。所述三个交换芯片分别通过光口分别与波分复用器和波分解复用器连接，此方式各种业务之间是绝对隔离的，因为它们之间没有任何的互通，任何非法攻击都无法通过其中一种业务攻击到其他业务数据网中，这样就保证了每种业务的安全性和可靠性。
本实用新型涉及的多波长隔离光交换机传输部分的隔离是将各个过程层网络业务对应的多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经波分复用器（亦称合波器，Multiplexer）通过波分复用（WDM）技术汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输；在接收端，经波分解复用器（亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer）将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这样在同一根光纤中同时传输多个不同波长光载波信号，分别承载智能变电站过程层的各个网络传输信号。
本实用新型涉及的多波长主要是针对粗波分复用这一种方式来进行应用。粗波分复用（Coarse wavelength division multiplexing，CWDM），又称稀疏波分复用或疏波分复用。利用光复用器将在不同光纤中传输的波长复用到一根光纤中传输，通道比密集波分复用（densewavelength division multiplexing，DWDM）少，但比标准波分复用（wavelength divisionmultiplexing，WDM）多。CWDM系统复用波长之间间隔比较宽，为20nm，DWDM则为0.4nm。因此CWDM对激光器、复用/解复用器的要求大大降低，极大地减少了扩容成本。在本方法所涉及的CWDM系统中，激光发射器划分了八个信道，定义了八种波长：1610nm、1590nm、1570nm、1550nm、1530nm、1510nm、1490nm和1470nm。分别对应GOOSE、SMV、IEC61588和MMS（预留）网的收发信道。
本方法所涉及的CWDM系统中的激光能量比DWDM中的更广，CWDM的激光容差（波长的不精确和可变性）能够在±3nm之间，而DWDM激光的容差要足够小才可以。因为能够配合低精度的激光器，因此CWDM系统将比DWDM系统的成本低，不过两个节点间的最大距离则比DWDM小。
本实用新型涉及的波分复用如图2所示的为单纤双向复用器的复用形式。这种单纤双向复用方式是将每个需要复用的端口的TX、RX分别用2种不同的波长区分开来，比如某一发送端口TX=1470nm、接收端口RX=1490nm，这样将TX、RX不同方向的光波复用在一根光纤上面来传输。如图2所示TX1470、RX1490、TX1510、RX1530与复用光口M-COM组成波分复用器，将TX1470、RX1490、TX1510、RX1530等4个波长的光波复用一根单模光纤上面传输。在波分复用器对端是解波分复用器，将光纤上传输的信号分解出来，然后连接到相对应波长的光模块上面，如图2所示TX1530、RX1510、TX1490、RX1470与解复用光口D-COM组成解波分复用器，将复用光口M-COM传输过来的信号接入解复用光口D-COM中，然后通过解复用器将各个信道分解出来，分别与TX1530、RX1510、TX1490、RX1470连接。
使用波分复用器/解复用器的一个关键的要点是复用器/解复用器两端之间的发送波长必须与接收端波长一致，即例如TX=1470nm，则对端必须是RX=1470nm，这样才能保证他们之间的互通。所以波分复用器与解复用器总是成对出现的，任何一个复用器都需要经过由分波--合波--分波的过程。
本实用新型还提供一种智能变电站过程层多波长隔离光交换机设备的实现方法，实现方法采用单根光纤双向传输的波分复用形式，通过多波长隔离光交换机使过程层的GOOSE网络、SMV网络、IEC61588时间同步网络分别承载不同的光载波信号波长，再通过波分复用器复用以及波分解复用器分解，将GOOSE网络、SMV网络和IEC61588时间同步网络合并为一个物理网络。
在过程层三个网络的光载波发送端，采用波分复用器，即合波器，将不同波长网络的光载波信号合并起来送入一根光纤进行传输；在光载波接收端，再由波分解复用器，即分波器，将不同波长网络承载的不同光波信号分解到GOOSE网络、SMV网络和IEC61588时间同步网络，将发送端和接收端两个方向的信号分别安排在不同波长传输信道即实现双向传输；不同波长的光载波信号互相隔离，在一根光纤中实现多路光载波信号的复用传输。
实施例
为使本实用新型的目的、技术方案表达得更加清晰明白，结合附图说明及具体实例对本实用新型作进一步的详细说明。
如图3所示为本实用新型3台多波长隔离光交换机设备的智能变电站过程层通信环网应用实例方案。图中交换机A为3个网络业务（GOOSE网，SMV网，IEC61588网）光交换机设备，分别用a、b、c表示。网络业务a，b，c分别出一个光口到波分复用器，每个光口都有TX、RX两种信号线，总3个光口共有6种信号线通过复用器复用在一起，如附图3中多波长光交换机A的a、b、c三种业务都有一个光口接到复用器的M端，a业务接入的波长为TX=1470nm、RX=1490nm，b业务接入的波长为TX=1510nm、RX=1530nm，c业务接入的波长为TX=1550nm、RX=1570nm，这些业务的各种信号通过复用器复用在一根光纤上面传输，到达交换机B端后接入交换机设备B的解复用器端，在解复用端为了正确接收到由交换机A发过来的信号，交换机设备B使用D端（即解复用器）来对接交换机A，其中交换机设备B的a业务接入的波长为TX=1490nm、RX=1470nm，b业务接入的波长为TX=1530nm、RX=1510nm，c业务接入的波长为TX=1570nm、RX=1550nm，这样交换机A和交换机B的TX与RX相应端口波长对应一致正确连接上，至此交换机A的a、b、c三种业务3个光口分别接入交换机B的a、b、c三种业务3个光口上；
交换机B的a、b、c业务的3个光口6种信号接交换机B的M端即复用器端，如交换机A的复用M端一样，分别接入光模块波长如下：a业务接入的波长为TX=1470nm、RX=1490nm，b业务接入的波长为TX=1510nm、RX=1530nm，c业务接入的波长为TX=1550nm、RX=1570nm，这样到交换机C的D端即解复用端需要的波长为TX=1490nm、RX=1470nm，b业务接入的波长为TX=1530nm、RX=1510nm，c业务接入的波长为TX=1570nm、RX=1550nm，这样交换机设备B和交换机设备C对应各种业务相应地连接起来。
每台多波长隔离光交换机之间通过一根波分复用后的光纤两两相连，既能实现光纤成本的大大缩减，又能实现多种业务的安全隔离，对已建光纤系统，尤其早期铺设的芯数不多的光缆，可进一步扩容，实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系统作大改动，又满足了多种业务的隔离需求，也能满足通信系统的冗余备份即构成环网，具有较强的灵活性，实用性和可靠性。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种智能变电站过程层多波长隔离光交换机设备，其特征在于，所述多波长隔离光交换机设备包括依次通过单根光纤连接的波分复用器、波分解复用器和交换模块；多波长隔离光交换机设备分别设置在智能变电站过程层网络的两个网络节点上。
2.如权利要求1所述的交换机设备，其特征在于，所述交换模块布局在PCB板上，数目为三，所述交换模块包括光口、交换芯片和电口；多波长隔离光交换机设备的对外接口为光口和电口；三个交换模块分别通过光口与波分复用器和波分解复用器连接；三个交换模块共用一套电源供电。
3.如权利要求1所述的交换机设备，其特征在于，所述智能变电站过程层网络包括GOOSE网络、SMV网络和IEC61588网络。
4.如权利要求3所述的交换机设备，其特征在于，过程层的GOOSE网络的发送端和接收端分别承载的光载波信号波长为1470nm和1490nm，SMV网络的发送端和接收端分别承载的光载波信号波长为1510nm和1530nm，IEC61588时间同步网络的发送端和接收端分别承载的光载波信号波长为1550nm和1570nm，同一网络的发送端光载信号波长与接收端光载波信号波长一致。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20160503 Address after: 100031 Xicheng District West Chang'an Avenue, No. 86, Beijing Patentee after: State Grid Corporation of China Patentee after: China Electric Power Research Institute Patentee after: STATE GRID SMART GRID Research Institute Address before: 100031 Xicheng District West Chang'an Avenue, No. 86, Beijing Patentee before: State Grid Corporation of China Patentee before: China Electric Power Research Institute |
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| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 100031 Xicheng District West Chang'an Avenue, No. 86, Beijing Patentee after: State Grid Corporation of China Patentee after: China Electric Power Research Institute Patentee after: GLOBAL ENERGY INTERCONNECTION Research Institute Address before: 100031 Xicheng District West Chang'an Avenue, No. 86, Beijing Patentee before: State Grid Corporation of China Patentee before: China Electric Power Research Institute Patentee before: STATE GRID SMART GRID Research Institute |
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| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20141001 |