基于SDH光网络的分层区域式保护通信系统的可靠性研究

梅鲁海

（浙江机电职业技术学院电气电子工程学院，浙江 杭州 310053）

0 引言

电力系统的广域保护系统是一种为实时监控电力设备的运行状况，通过专用信息网络和通信手段获得电力系统中各个监测点的动态实时信息、进而综合判断可能给电力系统带来不良后果的损害，并采取相应的控制措施消除或减轻损害的电力控制保护系统。按照决策和控制结构划分，广域保护系统通常有集中式、分布式和分层区域式三种方式。相对于分布式结构和集中式结构，分层区域式结构的保护系统可以实现全局最优决策，也可以摆脱对保护中心的过度依赖，因此得到了普遍应用。分层区域式结构保护系统的保护功能必须依靠专用通信网络来实现，专用通信网则一般由通信主干网和区域网组成[1]。

广域保护系统的可靠性关系到电力系统的安全经济运行，而保护系统整体的可靠性在一定程度上主要取决于所承载的专用通信网络的可靠性，当前，国内对广域保护系统通信网络可靠性的专门性研究还不多。SDH是一种在光纤上实现数字同步信号的传送、复接、交叉和分接的网络，有世界统一的网络接口标准，在组网上多采用自愈环的网络结构。本文以分层区域式保护SDH自愈环网和星型网为例，根据SDH光通信原理，利用状态空间法分析了二纤单向通道保护环网和星型网络的可靠性模型和可用度评估方法，并阐述了网络冗余和过程层设备的组网结构，对广域保护系统的相关理论计算和工程设计等具有重要的学术意义和参考价值[2]。

1 分层区域式保护通信主干网和区域网的可靠性研究

电力系统分层区域式广域保护的通信主干网主要用来连接系统保护中心与区域保护中心，而区域网络主要用于连接区域保护中心与变电站和电厂等。一般来说，电力通信网络系统的通信主干网主要采用SDH自愈环网的结构，而广域保护的区域网络则可以根据连接的厂站的类型与数量，灵活选择SDH自愈环网或SDH星型网。

1.1 分层区域式保护SDH自愈环网的可靠性模型及可用度评估

在实际的工程应用中，SDH自愈环一般分为通道保护环和复用段保护环两种组网方式，而二纤单向通道保护环是通道保护环的一种，因为具有传输延时小和协议简单的优点，被普遍应用在电力通信网络系统设计中。二纤单向通道保护环实质上是由2路光纤各自组成2个独立的环网。在发送端，光发送设备同时向2路光纤发送业务和数据信号，信号在主用和备用光纤中沿2个相反方向同时流动和传输，在接收端，光接收设备通过倒换开关来选择接收2路光纤中信号质量较好的其中1路信号，默认接收主用光纤的信号[3]。当主用光纤的某一段发生故障时，光设备通过倒换开关切换信号，数据和业务信号随即接入备用光纤传输，保障了信号的连续性，二纤单向通道保护环如图1。

图1 二纤单向通道保护环Fig.1 Two fiber unidirectional path protection ring

假设用通信接口IU表示复用模块和保护倒换模块的组合，并设信号在主用光纤沿顺时针方向传输，在备用光纤信号沿逆时针方向传输。这里，如果任何1个接口IU出现故障，即等同为SDH通信主干环网的故障，不同故障程度对SDH通信主干网的影响也不同，但都会影响信号的正常传输。从主干网可靠性评估的角度，可以使用图2所示的串联系统来表示[4]。

倒换开关一般都采用并联冗余的结构，因此可以认为完全可靠，则系统单个接口的可用度可表示为

式中：λIU表示设备接口的故障率；μIU表示设备接口的修复率。

图2 主干环网的等效串联系统图Fig.2 Equivalent backbone ring series system diagram

每区段光纤的独立故障和共模故障模型共同组成了一般光纤通信系统的可靠性模型，因为每一个传输区段的光纤可分别发生独立的故障，也可能由于同样的原因同时发生故障。为了评价系统的可靠性，根据网络法和状态空间法可以建立如图3所示的一个区段光纤的状态模型图[5]。

图3 一个区段光纤的状态模型Fig.3 A section of the state of optical model

图3中，μL表示1根光纤的修复率，λL表示1根光纤的故障率，λ1表示主用光纤和备用光纤的共模故障率。

设定P=[P0P1P2P3]，P中的各元素分别是状态0、1、2、3的稳态概率，由此可以求出状态0、1、2、3的稳态概率。这里，1区段主用和备用光纤都正常的概率为P0，1区段只有备用光纤有故障的概率为P1，1区段只有主用光纤有故障的概率为P2，1区段主备用光纤都有故障的概率为P3。因为光纤本身的可靠度较高，假定最多只有2个区段的光纤发生故障，而光纤通信系统中其他设备发生故障的概率对整个环网可靠性的影响可以忽略不计，因此，整体光纤通信网络的运行和故障有如下情况[6]。

（1）如果只有1个区段光纤已有故障，有三种情况：1）假设1区段2光纤都有故障，则故障概率为这时的SDH自愈环网可以使用。2）假设1区段只有备用光纤有故障，则故障概率为这时的SDH自愈环网可以使用。3）假设1区段只有主用光纤有故障，则故障概率为这时的SDH自愈环网也可以使用。

（2）如果2个区段光纤有故障，有三种情况：1）假设2个区段都是只有1条光纤有故障，又有三种情况：a）假设1个故障区段主用光纤有故障，另一个区段备用光纤有故障，这种情况的故障概率为这时会发生某一节点不能向另外节点发送信息，或者某一节点不能接收另外节点的信息，所以SDH自愈环网不可以使用。b）假设故障区段都是备用光纤有故障，这种情况的故障概率为这时的SDH自愈环网可以使用。c）假设故障区段都是主用光纤有故障，这种情况的故障概率为这时的SDH自愈环网可以使用。2）假设1个区段主备光纤都有故障，另一区段1条光纤故障，则故障概率这种故障比上述a）的情况更严重，所以SDH自愈环网不可以使用。3）假设2个区段都是2条主备光纤同时有故障，则故障概率这时的SDH自愈环网也不可以使用。

由此，整体光纤通信网络系统的可用度可表示为

而SDH自愈环网的可用度则可表示为

1.2 分层区域式保护通信星型网的可靠性模型和可用度评测

除了上述环形网络的情况，一般的分层区域式广域保护通信网还可采用星型的网络。星型网络的特点是所有子站都和区域保护中心连接，网络结构如图4所示，这里的站点SDH设备之间均采有2根光纤通信。区域式广域保护通信网采用星型结构的可靠性模型可表示为2个SDH光端设备间光纤的状态转移图，如图5所示。

图4 分层区域式广域保护星型网Fig.4 Region wide area protection star network

图5 分层区域式广域保护通信星型网可靠性模型Fig.5 Region wide area protection communication star network reliability model

μ1表示1区段2路光纤的共模失效率，μL表示1区段1路光纤的独立修复率，λL表示1区段1路光纤的独立失效率，假定3个状态的稳态概率矩阵表示为P=[P0P1P2]，则可以得出光纤的可用度表示为ALi=P0+P1。

由以上分析，如果发生网络中某SDH设备失效、2个SDH设备之间的2条光纤都失效或1条光纤失效三种情况中的的任一种情况，本区域式广域保护通信网就宣告失效，由此，区域星型网络本身的可用度可表示为

其中，n为子站的个数，而整体光纤通信网的可用度可表示为

其中：k表示区域网的数目；Azg表示通信主干网的可用度，一般Azg=ARNET。Aqyj表示编号为j的区域式广域保护通信网的可用度，如果是星型网络，则Aqyj=ASNET，如果是环型网络，则Aqyj=ARNET。

2 网络冗余和过程层设备组网

通信系统、控制系统和保护系统等子系统的可靠性决定了电力系统及其变电站安全运行的可靠性。作为提高通信网可靠性的主流方式，冗余技术常用作通信组网的主要手段。按照实现方法，冗余包括节点冗余和网络冗余两种，节点冗余要求全部通信设备必须双重备份，相当于建立2个完全独立运行的网络，成本很高，应用也不多。网络冗余无需备份，组网成本低，应用较多。例如当通信链路出现故障时，为保证可靠性，IEC62439作为并行结构的冗余通信协议，可实现无延时信号切换，工作原理如图6。

图6中的链路冗余体LRE负责冗余管理和处理重复报文，是网络的核心环节。图6中，具有双连接点的2个IED网络设备，是通过双连接的端口各自连接到2个独立的网络上[7]。当网络设备从线路上接收到1帧的数据后，LRE将会从2个端口处提取第1次接收到的数据，并且丢掉一些重复的数据帧。当网络设备接收到上一层的1帧数据后，LRE要在该数据的相关位置上增加一个冗余的标识，再向2个端口同时发送数据。

图6 IEC62439网络节点模型Fig.6 IEC62439 network node model

如图7所示，按照网络拓扑方式划分，变电站通信网络的过程层设备有点到点直连和组网连接等几种。图7(a)是采用点到点直连的方式，这种方式不与其他节点共享数据，不存在竞争带宽，实时性好，缺点是需要大量的光缆设备，工程维护不便。图7(b)是采用交换机组网进行数据传输的方式，交换机具有支持组播技术、虚拟局域网VLAN和报文优先级的性能，可以实现数据之间的共享，也可以节省电缆，这种方式的缺点是存在由于交换机排队转发的数据延时。

图7 过程层设备组网结构Fig.7 Process layers device networking structure

3 广域保护通信网可靠性例举

目前，电力系统的通信网线路通常使用复合地线光缆或自承式光缆联网，通信线路一般与输电线路并行敷设，因此变电站之间只要有电力线路相连，就有通信线路连接。以IEEE14母线系统为例，如图8所示，组建1个分层区域式广域保护的通信网。这里，电力通信系统可分为3个区域，其中站5是系统的保护中心，同时作为区域3的区域保护中心，而站2和站4分别是区域1和区域2的保护中心，站2、站4和站5通过光纤环网连接，组成本系统的通信主干网，每个区域网络则为星型方式连接。通过可靠性分析，可得表1为网络元素的可靠性基本数据。

图8 母线系统与广域保护通信网Fig.8 Bus system and wide area communication network

表1 网络元素的可靠性参数Table 1 Reliability parameters of network elements

假设SDH自愈环网的光纤修复时间为48 h，SDH设备接口的故障修复时间为24 h，通过计算，可得表2为广域保护通信网的可靠性参数。

表2 广域保护通信网的可靠性参数Table 2 Wide area protection reliability of communication network

以上数据可以看出，光纤的故障率虽然高于设备接口的故障率，但是如果发挥SDH自愈环网的通道保护功能，则可以减小因为光纤故障对整个环网可靠性造成的影响。由此可见，提高设备接口的可靠性是保证SDH环网的可靠性的关键。如果接口数目相同，SDH自愈环网使用的光纤数量虽然比星型网要多，但相应的可靠性也比星型网要高。

4 结语

分层区域式的广域保护系统在决策和组网结构方面优势明显，基于SDH的自愈环保护网和星型网在电力广域保护通信系统中正得到广泛应用。研究基于SDH光网络的分层区域式广域保护通信系统的可靠性模型，进而得出传输链路细分区段的故障概率和可用度等定量指标，可以为电力系统广域保护网络的论证设计及通信系统的可靠性评价提供参考和理论依据。

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