海南电力调度数据网建设方案探讨

颜俊，张立平

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院，武汉市 430071)

0 引言

目前国内电力调度数据网的规划设计主要面向厂站与调度端的数据业务，实现对IP协议的承载，按照调管等级建设实施，在新业务条件下将存在一定的局限性。一体化运行智能系统的调控生产业务数据流将更加丰富多样，不再仅是厂站与调度端的数据流向，覆盖范围更趋广阔，要求数据网的延伸扩展更加灵活，能与电力生产、传输、消费的业务流相适应。当前的调度数据网拓扑主体为星形拓扑，仅由少数调度中心节点构成网状拓扑，可靠性主要依靠设备及电路的冗余配置，在网络拓扑设计上未能充分发挥IP over SDH技术体制传输带宽利用率高、路由智能、网络鲁棒性等方面的特点。

海南电网目前尚未建设电力调度数据网，各类二次系统业务主要通过同步数字体系(synchronous digital hierarchy，SDH)设备点对点电路传输。按照“南网一体化”运行智能系统的总体要求，“十二五”期间海南电网将更新现有二次系统并建成覆盖全省的电力调度数据网络。本文以海南电力调度数据网为研究对象，深入分析调度数据网络设计特点，综合考虑目前调度管理体制和一体化电网运行智能系统的业务需求，从网络延伸、业务支撑、路由智能、带宽利用率等多个方面探讨网络拓扑及路由策略设计，提出新业务条件下的海南省电力调度数据网组网设计方案。

1 网络业务需求

海南电网调控机构分为省、地、县三级，其中省调下辖海口、儋州、三亚、琼海等4个地调，各地调下辖14个县调。海南调度数据网将覆盖海南各级调控中心和35 kV及以上厂站，至“十二五”末期厂站节点数量将达600个。当前的数据通信业务大致包括2类，即以能量管理系统(energy management system，EMS)、广域测量系统(wide area measurement system，WAMS)等为主要代表的运行监控类业务，和以电能量计量系统(tele meter reading system，TMR)、调度管理系统等为主要代表的运行管理类业务，数据信息一般在调度机构与发电厂、变电站之间传输。

“十二五”期间海南电网将建设一体化运行智能系统，系统业务种类丰富，包括电网运行监视、电网运行控制、电网运行管理等3类核心业务，调度数据网络将为智能数据平台提供传输网络支撑。承载的业务数据从类型上可分为模型数据、参数数据、运行数据、管理数据等，从时间上可分为周期性数据、突发性数据，其中周期性数据又可分为实时数据、非实时数据，以及确定性实时数据。

除业务种类丰富外，承载的数据流向也更趋多样。电力系统调控生产运行数据流不再是简单的厂站与调度端间的数据流，而是包含了片区电网厂站与厂站之间、厂站与调控机构之间、调控机构与调控机构之间的横向及纵向数据流。如“十二五”期间海南电网建设的省地防灾互备、地县一体化等智能调度技术支持系统中的省调、各地县调间的数据传输需求;广域后备保护系统、区域集控站中的区域厂站间的数据传输需求［1-2］。种类繁多、流向多样的业务数据对海南电力调度数据网设计提出了新的目标。

2 技术体制

电力数据网组网技术体制需要适应传输网条件和电力系统的业务需求，目前海南电网已建成覆盖范围较广的SDH光纤传输网，“十二五”期间传输网在覆盖范围上将延伸至所有35 kV厂站，在主干网传输体制上将逐步演进到自动交换光网络 (automatically switched optical network，ASON)、光传送网(optical transport network，OTN)传输网。IP over SDH是当前电力调度数据网所广泛采用的组网技术体制，具有良好的兼容性、较高的吞吐量、较低的协议开销、较高的带宽利用率，不仅实现了传输网通道能力的充分共享，还提供了广泛而通用的业务接入服务，在技术的成熟性和建网的经济性上适合调度运行业务需求和电力光纤传输网的现状。海南电力调度数据网目前仍将基于IP over SDH技术体制构建，但随着IP层面和传输层面技术的演进成熟，将逐步使用IPv6、IP over OTN等新一代数据网解决方案［3-7］。

3 网络结构

大型IP网络采用层次结构设计，路由域一般分为2层，包括1个主干区和若干子区［8］。海南电力调度数据网按照省地合一原则建设，其所覆盖的电网无论是调管等级还是电压等级都超过2层，实现省区内35 kV及以上电网的全覆盖还需对数据网分层分区结构进行合理设计。

3.1 网络分区

海南电力调度数据网主子区构建方案主要有2类:(1)按照调管关系构建网络，主干区覆盖省网各级调控机构，子区覆盖全网厂站，根据厂站电压等级、调管关系划分为多个子区。其优点是组网原则简单、厂站至调度端路由直达;缺点是多级调控管理下网络基础设施重复建设，缺乏对横向数据流的支撑，不同子区站间数据需经调度端迂回，设备及网络效率较低［9-10］。(2)按照传输网拓扑、电网地理接线、业务需求构建网络。网络由1个主干区、5个不同区域的子区组成，主干区覆盖省级、地级调控机构;子区骨干层覆盖县级调控机构、区域集控站，以及拓扑位置关键、通道资源丰富的厂站，子区接入层覆盖剩余各类厂站，高电压等级枢纽变电站可作为低电压等级接入厂站的汇聚点。

与方案1相比，方案2中骨干层覆盖的节点更丰富，骨干功能可以充分发挥网络结构兼顾电网调控运行的纵向及横向业务，生成的调度端最短路径树与方案1基本相同，并对横向业务提供了很好的支撑，降低了路由迂回，设备配置、网络效率、组网链路更为优化，不足之处在于需根据电网实际情况定制设计网络拓扑。海南电力调度数据网按方案2构建，网络层次结构如表1所示，主干区覆盖全网地级以上调控机构，各子区分别覆盖各县调及厂站。

表1 网络分区结构Tab.1 Partition structure of network

3.2 网络延伸

方案1按电压等级、调控管理关系构建网络结构，接入厂站延伸可采用增加子区方式，将延伸接入的厂站划入新增子区。新增子区基本为简单星形拓扑，动态路由的需求很低，设立子区的必要性不强。方案2按传输网拓扑、电网地理接线、业务需求构建网络的主子区结构，接入厂站延伸可采用增加骨干节点方式，骨干节点选取汇聚及互联效果好的变电站或新增调控中心，辐射覆盖需延伸接入的厂站。

4 网络节点规划

海南电力调度数据网节点包含省调、地调、县调、集控站、500～35 kV电厂和变电站等节点，将按功能不同分为核心、骨干和接入节点，如表2所示。

表2 数据网节点规划Tab.2 Node planning of data network

4.1 核心节点

核心节点是全网业务的交汇中心，主要实现海量、高速的数据交换。“十二五”期间建设的海南一体化电网运行智能系统具有省地互备、地县一体的特点，省调、各地调集中了省网主要的调控运行业务系统，需要汇集全网的各类业务数据。因此，根据海南电网一体化、智能化生产运行业务需求，调度数据网核心节点应配置在省调、海口地调、儋州地调、三亚地调、琼海地调等处，为海南一体化电网运行智能系统提供数据服务，其中儋州地调节点还作为省备调系统的访问点。核心节点配置的路由器应主要负责数据的高速转发，提供高吞吐量，并使用尽量少的接口，对数据尽可能不做其他处理。

4.2 骨干节点

骨干节点位于核心与接入节点之间，实现子区内数据交换及区间数据的汇聚、分发，还具备延伸网络的能力，可以向外扩展链路，辐射多个接入节点。一体化电网运行智能系统中骨干层集中了区内厂站至各调度端、地县调控系统之间、厂站之间的各类业务数据。为更好地承载上述业务，骨干节点的规划需要考虑电网规模、光纤传输网拓扑、业务数据流向等因素，其中子区电网规模可确定骨干节点的数量，子区传输网拓扑和数据流可确定骨干节点位置。对于海南电力调度数据网来说，骨干节点规划可基于以下原则:

(1)地调机构是区域电网的调控中心，地调节点除作为主干区核心节点外，还应作为其所在子区的边界骨干节点。

(2)县调机构具有监控辖区电网的职能，有一定的数据业务需求，应作为骨干节点。

(3)位于光纤传输网枢纽位置的220 kV变电站可作为骨干节点，可辐射近区厂站或远离调控中心的厂站，有利于传输链路的汇集，并能对站间数据业务提供支撑，避免长距离的链路迂回。

海南电力调度数据网各子区骨干节点配置的路由器除负责对本区经核心层访问其他分区的流量进行汇聚优化外，还对区内各接入节点间的流量直接进行路由转发，减轻传输链路和核心层设备的工作负荷。

4.3 接入节点

接入节点位于数据网的末端，实现用户业务的网络化接入，并提供质量保证和访问控制。海南电网中除作为骨干节点的厂站外，其余厂站均作为接入节点。接入路由器负责本地生产运行业务的接入和访问控制，其只能作为网络的终端节点，可以采用静态路由上联骨干节点，但不设置横向链路，不具备延伸网络的能力。

5 网络拓扑设计

5.1 总体拓扑结构

当前调度数据网一般根据调管关系设置上下级节点的纵向链路，同级调控机构节点间也设置一定的横向互联链路，但规模较小，网络整体上仍为星形拓扑。该网络路由配置简单，甚至可采用静态路由，厂站与调度机构间的数据传输无路由转发延迟，通道带宽独享，但在网络功能及效率上有几点不足:一是仅在原有光纤电路上提供了以太网业务的接入，数据网3层网络功能未能有效发挥，设备利用率不高;二是缺乏对站间数据传输的有效支撑，相邻厂站间业务数据需经远方调控中心节点交换转发，电路迂回严重;三是大量远距离多跳专线电路势必造成时隙资源的叠加消耗，通道带宽未能有效共享。

对于海南电力调度数据网的拓扑设计，一方面需基于调管关系原则，另一方面还需充分考虑一体化运行智能系统的业务需求和海南光纤传输网的建设情况。海南电力调度数据网采用混合型拓扑，上层为网格型，覆盖核心节点、骨干节点，下层为星形，覆盖各接入厂站节点(如图1所示)。网内不仅设置上下级节点之间的纵向连接链路，还利用骨干节点可提供区域IP聚合、层内数据交换、层间数据汇聚分发的功能，构建枢纽变电站之间、同级调控机构之间的横向互联链路，形成分层分区、有一定规模的网格型拓扑。其特点是:数据传输鲁棒灵活，可根据链路状态选择任意节点间的最佳传输路径;传输电路配置简化，不必逐一开通远距离直达电路，由网络层自动路由转发完成数据传输;站间业务传输优化，站间路由可由近区变电站骨干节点提供，降低调度端核心节点工作负荷;传输电路资源共享度高，路由智能得到充分体现。但是，网格型拓扑中厂站与调度机构间的传输路径可能存在多跳路由，相比直达独享电路有一定的转发和访问等待延迟，因此在链路配置上还需考虑纵向数据传输的路由跳数、带宽、延迟等指标要求，保证传输性能和效率上的平衡。

图1 网络拓扑示意图Fig.1 Network topology diagram

5.2 节点链路配置

根据海南电网调控管理关系、调度数据网总体拓扑结构、以及“十二五”期间海南一体化运行智能系统的业务需求，海南电力调度数据网各层节点的链路配置主要方案如下，链路带宽按满足5年内业务增长需求设计。

(1)核心层:每个核心节点至少具备2路互联链路，每路带宽不小于622 Mb/s;省调、防灾备调核心节点具有至其他核心节点的直连链路;相邻地调核心节点间设置互联链路。

(2)骨干层:每个骨干节点至少具备2路互联链路，每路带宽不小于2×34 Mb/s;每个子区设置不少于2个与主干区相联的边界骨干节点，可选取本地调和相邻地调节点;每个变电站或县调骨干节点具备1路至本地调核心节点链路、不少于1路就近互联链路。该拓扑除具备原有的厂站端至调度端直达网络链路外，还具有站间互联链，对未来智能电网业务提供了较好的数据网络支撑;以调控中心为根构造的最短路径数与通常星形拓扑下形成的最短路径树相同。

(3)接入层:以骨干节点为中心，构成简单星形拓扑。如500/220 kV厂站接入节点至少具备2路至就近不同骨干节点的链路，每路带宽不小于2×2 Mb/s;110～35 kV厂站接入节点至少具备1路至就近骨干节点链路，每路带宽不小于2 Mb/s。

6 路由策略

6.1 自治系统

海南电力调度数据网按照省地合一原则建设，覆盖省、地、县各级调度机构、以及省内所有35 kV及以上厂站。根据省区电力数据网的管控策略、网络规模，海南电力调度数据网将作为一个自治系统(autonomous system，AS)，由上一级电网统一分配AS号。

6.2 域内路由协议

自治域内可采用开放最短路径优先协议(open shortest path first，OSPF)或中间系统到中间系统协议(inermediate system to intermddiate system，IS-IS)作为路由协议，两者均是链路状态协议并具有分层结构，适合应用于大中型网络中。域内可根据网络规模进一步分区，形成1个主干区和若干子区，各子区相对独立，区内路由变化仅在区内完成收敛。层次化路由降低了路由复杂度、提高路由收敛速度，也使层间可以进行网络地址汇聚，缩短路由表长度，提高路由寻址效率。

OSPF是IETF推荐的IP内部网关协议(interior gateway protocols，IGP)，IS-IS是由ISO提出的一种路由选择协议，2种路由协议在网络拓扑类型、链路状态数据库、路由算法、协议支撑、厂家支持等方面存在不同，但均可满足电力数据网络的总体技术要求。而OSFP在工程实践中较IS-IS更为通用，更适合IP路由，协议更为标准和开放，有利于不同厂家产品的互操作，易于运行维护人员掌握。海南电力调度数据网IGP路由协议选用OSPF。

海南电力调度数据网拓扑为3层结构，而OSPF为2层设计，根据网络结构、节点规划以及拓扑设计的功能特点，IGP路由可采用OSPF+静态路由的组合路由策略。网络中核心层可作为OSPF主干区(0区)，骨干层可作为OSPF子区，地调骨干节点路由器可作为OSPF中的ABR，隔离0区和子区，并发布聚合后的子区路由到0区。接入层节点属于网络的叶子节点，一般采用星形拓扑接入骨干节点，为减少网络路由的复杂度，避免动态路由协议的相互引入，接入节点与骨干节点之间可采用静态路由，并将静态路由再发布到OSPF中，传递至网内其他节点，实现互通。此外，海南电力调度数据网各子区内骨干节点数量不大于8，路由数量小于25，OSPF收敛速度能够满足工程要求。

6.3 域间路由协议

海南AS内节点与其他AS的网络节点之间跨域互联协议采用边界网关协议 (Border Gateway Protocol，BGP)。为减少内部边界网关协议(Internal Border Gateway Protocol，IBGP)的邻居数目，提高整网系统的可靠性，降低路由反射器(Route Reflector，RR)与客户端的会话数量，需设计层次化的路由反射模式，按照省区数据网节点规模和层级关系，设计中采取二级RR模型。一级RR为省调和备调，客户机为各地区子网的主出口和第2出口路由器;二级RR为一级RR的客户机，包括各地调和枢纽厂站，客户机为各子网中其他骨干节点路由器。

7 结语

“十二五”期间建设的海南电网一体化运行智能系统将使电网生产运行业务数据更加丰富，也对调度数据网建设提出了更高的要求。海南电力调度数据网按省地合一原则建设，全网分为1个主干区和5个子区，主干区由省调、地调核心节点组成，子区由县调骨干节点、220 kV变电站骨干节点、以及各接入节点组成。核心、骨干节点间除设置纵向链路外，同级节点间还设置横向互联链路，构成网格型拓扑，使用OSPF路由策略。厂站接入节点通过冗余链路就近上联骨干节点，形成以骨干节点为中心的星形拓扑。基于此方案建设的海南电力调度数据网兼顾了纵向及横向的数据传输，网络鲁棒灵活，资源配置优化，能够更好地适应一体化运行智能系统中种类丰富、流向多样的业务数据传输需求。

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