調配一體化數據采集網的可行性方案設計

劉夢璇，張順先，任博強，許家琿，甄 慶（.國網天津經研院，天津 00000；.國網天津市電力公司濱海供電分公司，天津 00450；.國網天津市電力公司，天津 00000）

調配一體化數據采集網的可行性方案設計

劉夢璇1，張順先1，任博強2，許家琿3，甄 慶2
（1.國網天津經研院，天津 300000；2.國網天津市電力公司濱海供電分公司，天津 300450；3.國網天津市電力公司，天津 300000）

為了解決調度數據網和配網數據傳輸網之間信息無法交互的難題，分別對兩網的組成、特點進行分析。通過比較兩網的異同點，提出調配一體化數據采集網的可行方案，并對方案的原理和網絡架構進行詳細敘述；通過對該方案開展連通性和保障性模擬測試，驗證了所述方案的可行性、安全性、可靠性。

調配一體化數據采集網；調度數據網；配網數據傳輸網；模擬測試

由于電力的生產、供應是一個連續(xù)的過程，從電廠、變電站到用戶的全過程監(jiān)控對電網調度尤為重要。目前，電力調度生產系統主要分為主網調度控制自動化系統（簡稱主調系統）、配網調度自動化系統（簡稱配調系統），對應著調度數據網和配網數據傳輸網，兩部分的網絡系統、業(yè)務系統分別獨立建設，兩網之間沒有接口進行數據交互。這種調度數據網、配網數據傳輸網隔離的現狀嚴重阻礙了電力自動化調度、運營，同時給業(yè)務管理工作造成混亂和不便。另外，由于轉發(fā)方式的限制，目前兩個系統間的數據傳輸量無法滿足短期內兩系統之間交互信息數量的增長［1-4］。

隨著智能電網的快速發(fā)展，分布式電源接入的快速普及，以及未來建設調、控、配一體化系統的遠景規(guī)劃，亟需將調度數據網、配網數據傳輸網進行整合，搭建一個一體化的數據采集網絡平臺，從而更好地利用系統資源、避免重復建設、節(jié)約資金、保障電網調度系統穩(wěn)定運行。

本文通過對調度數據網與配網數據傳輸網的組成和特點進行深入分析，提出建立主調、配調全覆蓋的調配一體化數據采集網的可行技術方案，并對方案進行了測試，確保其安全穩(wěn)定，為未來的推廣應用奠定基礎。

1 特性分析

1.1 主調、配調系統組成

主調系統、配調系統的拓撲結構如圖1所示。主調系統由調控系統前置、業(yè)務服務器、調控系統主站交換機、調控系統主站縱向加密設備、調度數據網（由調控系統分站路由器、分站端同步數字體系SDH（synchronous digital hierarchy）設備、主站端SDH設備、調控系統主站路由器構成）、調控系統分站縱向加密設備、調控系統分站交換機、調控系統遠動裝置等設備組成；配調系統由配調系統前置、業(yè)務服務器、配調系統主站交換機、配調系統主站縱向加密設備、配調數據網骨干網（由配調系統分站路由器、分站端SDH設備、主站端SDH設備、配調系統主站路由器構成）、配調以太網無源光網絡EPON（ethernet passive optical network）主設備光線路終端OLT（optical line terminal）、配調EPON從設備（分光器、ONU光網絡單元（optical network unit）、配用電終端（自帶縱向加密設備）等設備組成。

主調系統中調控主站端的調控系統前置、業(yè)務服務器依次通過調控系統主站交換機、調控系統主站縱向加密設備和調度數據網中的調控系統主站路由器相連接；調控分站端的調控系統遠動裝置依次通過調控系統分站交換機、調控系統分站縱向加密設備和調度數據網中的調控系統分站路由器相連接。

配調系統中配調主站端的配調系統前置、業(yè)務服務器依次通過配調系統主站交換機、配調系統主站縱向加密設備和配調數據網骨干網中配調系統主站路由器相連接；配調分站端的配用電終端通過配調EPON從設備與配調EPON主設備相連接，配調EPON主設備通過配調數據網骨干網中配調系統分站路由器相連接。

圖1 調度數據網與配網數據傳輸網互聯前的拓撲結構Fig.1 Topologicalstructureof unconnectedpower dispatching data network and distribution data network

調度數據網與配網數據傳輸網兩網之間無物理連接。

1.2 調度數據網特點

調度數據網的特點主要包括：

（1）多個節(jié)點通過光纖直連構成網絡核心；

（2）匯聚節(jié)點設備與不同的核心設備通過155M Cpos（通道化的STM-1（SONET OC-3）的簡稱）互聯，以保障鏈路、設備的冗余；

（3）接入節(jié)點設備通過E1（歐洲的30路脈沖編碼調制PCM（pulse code modulation）簡稱E1）通道雙上聯匯聚設備，以保障鏈路、設備的冗余；

（4）通過SDH系統提供底層鏈路的故障保護；

（5）通過雙星型網絡結構保障系統可靠、穩(wěn)定的運行；

（6）通過動態(tài)路由協議提供網絡自愈功能；

（7）利用平滑重啟GR（graceful restart）技術提供設備自身以及與互連設備的交互，從而提供系統的高可用性；

（8）選用高性能設備滿足未來系統擴容、網絡擴展的需求；

（9）選用設備關鍵部件采用冗余配置，滿足高可靠性要求。

1.3 配網數據傳輸網的特點

配網數據傳輸網的特點主要包括：

（1）配網數據傳輸網多個核心路由器通過光纖直連構成網絡核心；

（2）接入節(jié)點設備通過E1通道聯至匯聚設備；

（3）通過SDH環(huán)形系統提供底層鏈路的故障保護；

（4）通過動態(tài)路由協議提供網絡自愈功能；

（5）選用高性能設備滿足未來系統擴容、網絡擴展的需求；

（6）連接簡單，未劃分自治系統AS（autonomous system）區(qū)域和業(yè)務虛擬局域網VLAN（virtual local area network）。所有終端均在一個網絡區(qū)域內，故網絡故障易導致網絡阻塞及大面積網絡中斷。

1.4 調度數據網和配網數據傳輸網的比較

調度數據網與配網數據傳輸網的相同點包括：

（1）均采用電力系統專用的SDH光通信網傳輸資源，并在專用通道上使用獨立的網絡設備進行組網。在調度數據網全網和配網數據傳輸網骨干網部分每個節(jié)點均采用了不少于兩條不同方向的鏈路接入上級網絡。

（2）調度數據網和配網數據傳輸網的核心點均在同一位置。

（3）調度數據網實時虛擬專用網絡VPN（virtual private network）中的實時業(yè)務與配網數據傳輸網中傳送的數據均為調度自動化實時業(yè)務數據，按照國家電力監(jiān)管委員會第5號令及電監(jiān)安全〔2006〕34號文件規(guī)定屬于同一安全區(qū)，使用的安全策略也相同。

（4）具有相同的服務質量QoS（quality of service）保障機制。

（5）配網傳輸網骨干網部分的設備選擇與調度數據網相同。路由器同樣需要支持網絡之間互連的協議IP（internet protocol）、點對點協議PPP （point to point protocol）、Internet控制報文協議ICMP（internet control message protocol）等用戶協議以及多協議標簽交換MPLS（multi-protocol label switching）3層VPN技術。

調度數據網與配網數據傳輸網的不同點有：

（1）適用性不同。調度數據網的建設是遵循國調中心的相關規(guī)定綜合考慮電力企業(yè)網絡結構的特點進行方案規(guī)劃，同時考慮不同業(yè)務的接入以及網絡安全等方面的因素，具備普遍的適用性。而配網數據傳輸網是為了適應智能配電網建設，滿足配調系統數據采集而建設的數據采集專用網絡，主要承載配電網實時數據的傳輸，業(yè)務單一，網絡結構簡單，傳輸協議以及網絡配置也相對簡單。擴展性不高，很難接入多方業(yè)務。此外配網數據傳輸網沒有劃分獨立的自治域，不同區(qū)域僅靠不同網段來進行區(qū)分，無法避免網絡沖突與網絡風暴等多種形式的網絡故障。

（2）網絡結構不同。調度數據網采用雙星型網絡結構。而配網數據傳輸網通常采用總線型或樹形結構，網絡匯聚點通常在10 kV出線所在的110 kV或35 kV變電站中，其接入網部分可以看作是骨干網絡的延伸，其所采集的范圍是10 kV配電線路上的配電終端，傳輸介質是光纖、載波、無線等多種方式，光纖網絡采用無源光接入系統GPON （gigabit-capable PON）/EPON等設備進行組網。

從以上比較可以看出，現有調度數據網從適用性、技術性、安全性等方面具備替代配網數據傳輸網功能的能力。

2 調配一體化數據采集網設計方案

在符合國家電力行業(yè)標準DL/T 1306-2013《電力調度數據網技術規(guī)范》［5］、國網天津市電力公司關于印發(fā)《國網天津市電力公司終端通信接入網技術原則（試行）》的通知（津電科信〔2013〕44號）等［6-11］相關規(guī)范標準要求的前提下，通過對現有網絡進行的現狀分析，特性分析后，提出調配一體化數據采集網技術方案。

采用底層接入的調配一體化數據網包括主調系統和配調系統，如圖2所示。利用原有主調調度數據網替代配網數據傳輸網，實現主調系統與配調系統在網絡通信層面實現一體化數據網接入。

圖2 調配一體化數據采集網網絡架構Fig.2 Network architecture of data integrated network

調配一體化數據網包括調控主站端、配調主站端、調度數據網、調控分站端和配調分站端；其中主調系統由調控系統前置、業(yè)務服務器、調控系統主站交換機、調控系統主站縱向加密設備、調度數據網（由調控系統分站路由器、分站端SDH設備、主站端SDH設備、調控系統主站路由器構成）、調控系統分站縱向加密設備、調控系統分站交換機和調控系統遠動裝置組成；調控系統前置、業(yè)務服務器通過調控系統主站交換機和調控系統主站縱向加密設備與調度數據網中的調控系統主站路由器相連接；調控系統遠動裝置通過調控系統分站交換機和調控系統分站縱向加密設備與調度數據網中的調控系統分站路由器相連接；配調系統由配調系統前置、業(yè)務服務器、配調系統主站交換機、配調系統主站縱向加密設備、配調EPON主設備（OLT）、多個配調EPON從設備（分光器、ONU）、多個配用電終端（自帶縱向加密設備）組成；其中配調系統前置、業(yè)務服務器通過配調系統主站交換機和配調系統主站縱向加密設備與調度數據網中的調控系統主站路由器相連接；每個配用電終端分別與一個配調EPON從設備相連接，多個配調EPON從設備同時與配調EPON主設備相連接，配調EPON主設備與調度數據網中的調控系統分站路由器相連接。

一體化數據采集網的拓撲結構如圖3所示，整體系統由配調前置采集服務器、配調主站交換機、配調主站縱向加密設備、調度數據網、配調EPON設備、配用電終端（帶加密軟件）、主調前置采集服務器、主調主站交換機、主調主站縱向加密設備、主調分站縱向加密設備、主調分站交換機、主調遠動裝置以及以上各部分之間的底層連接（雙絞線、光纜）等構成；其中，調度數據網由主調主站路由器、主調分站路由器、SDH設備共同構成，SDH設備提供底層通信通道。

圖3 調配一體化數據采集網的拓撲結構Fig.3 Topological structure of data integrated network

上述所有相互連接的部件間采用雙絞線連接，雙絞線即超五類非屏蔽雙絞線，用以傳輸100/ 1 000 M以太網信號，接口采用RJ-45接口形式。

一體化數據采集網的的信息交互過程如下。

配調系統前置、業(yè)務服務器依據電力104規(guī)約將操作指令形成的數據報文封裝成IP數據包，并經以太網封裝后形成數據幀，發(fā)送給配調系統主站交換機，配調系統主站交換機依據數據幀攜帶的目的MAC（media access control）地址信息將數據幀發(fā)往調度數據網中的調控系統主站路由器，在此期間由鏈路上串聯的配調系統主站縱向加密設備對途徑數據幀中載荷部分（數據幀中攜帶的數據報文）進行數據加密處理，配調系統主站縱向加密設備采用基于Internet協議安全性IPSec（internet protocol security）機制，利用電力專用機密算法對途經的數據報文進行加密處理；調控系統主站路由器依據數據幀接收的端口將其關聯到對應的配調多協議標簽交換MPLS（multi-protocol label switching）-VPN中，并將數據包重新封裝mpls報頭（兩層結構，內層VPN標簽，外層mpls轉發(fā)標簽）后進行MPLS轉發(fā)，在轉發(fā)前依據出口線路類型對將重新封裝的數據包（攜帶mpls報頭）進行數據鏈路層封裝（本發(fā)明中將重新封裝的數據包先進行PPP封裝，再封裝到E1的虛級聯VC（virtual concatenation）-12中，并影射到STM-1的VC-4）后發(fā)送給主站端SDH設備，主站端SDH設備依據配置的通道連接將收到的STM-1數據幀提取各VC-12并將其發(fā)往不同分站端SDH設備的E1接口。分站端SDH設備將從主站端SDH設備發(fā)送的數據幀發(fā)送給調控系統分站路由器，調控系統分站路由器將從E1接口收到的數據幀解除VC-12、PPP、mpls封裝，并依據數據幀攜帶的MPLS內層標簽將其關聯到配調MPLS-VPN中，并依據本地配調MPLS-VPN轉發(fā)表項以及出端口，將數據包封裝成以太網幀，發(fā)送給配調EPON主設備，配調EPON主設備經OLT、光纜、分光器、ONU將數據發(fā)送給配用電終端（帶加密軟件），經配用電終端自帶解密功能將數據包還原成配調系統前置、業(yè)務服務器發(fā)送的業(yè)務數據，并完成相關操作；配用電終端返回的信息與上述過程相反，即經由以上設備發(fā)送給配調系統前置、業(yè)務服務器。

調控系統前置、業(yè)務服務器依據電力104規(guī)約將操作指令形成的數據報文封裝成IP數據包，并經以太網封裝后形成數據幀，發(fā)送給調控系統主站交換機，調控系統主站交換機依據數據幀攜帶的目的MAC地址信息將數據幀發(fā)往調控系統主站路由器，在此期間由鏈路上串聯的調控系統主站縱向加密設備設備對途經數據幀中載荷部分（數據幀中攜帶的數據報文）進行數據加密處理，調控系統主站縱向加密設備采用基于IPSec機制，利用電力專用機密算法對途經的數據報文進行加密處理，調控系統主站路由器依據數據幀接收的端口將其關聯到對應的調控MPLS-VPN中，并將數據包重新封裝mpls報頭（兩層結構，內層VPN標簽，外層mpls轉發(fā)標簽）后進行MPLS轉發(fā)，在轉發(fā)前依據出口線路類型對將重新封裝的數據包（攜帶mpls報頭）進行數據鏈路層封裝（本發(fā)明中將重新封裝的數據包先進行PPP封裝，再封裝到E1的VC-12中，并影射到STM-1的VC-4）后發(fā)送給主站端SDH設備；主站端SDH設備依據配置的通道連接將收到的STM-1數據幀提取各VC-12并將其發(fā)往不同分站端SDH設備的E1接口。分站端SDH設備將從主站端SDH設備發(fā)送的數據幀發(fā)送給調控系統分站路由器，調控系統分站路由器將從E1接口收到的數據幀解除VC-12、PPP、mpls封裝，并依據數據幀攜帶的MPLS內層標簽將其關聯到調控MPLS-VPN中，并依據本地配調MPLS-VPN轉發(fā)表項以及出端口，將數據包封裝成以太網幀，發(fā)送給調控遠動裝置，在此期間由鏈路上串聯的配調分站縱向加密設備對途徑數據幀中載荷部分（數據幀中攜帶的數據報文）進行數據解密處理，調控分站縱向加密設備采用基于IPSec機制，利用電力專用機密算法對途經的數據報文進行解密處理；再經過調控系統分站交換機轉發(fā)給調控系統遠動裝置，調控系統遠動裝置將收到的報文進行解析還原成調控系統前置、業(yè)務服務器發(fā)送的業(yè)務數據，并完成相關操作；調控系統遠動裝置返回的信息與上述過程相反。即經由以上設備發(fā)送給調控系統前置、業(yè)務服務器。

4 方案測試

根據上文對方案的敘述，搭建了數據網交互仿真實驗環(huán)境，通過對主調系統、配調系統的仿真模擬、驗證本文所述技術方案的功能性、安全性、可靠性。主要試驗設備中的網絡設備部分采用目前調度數據網和配網數據傳輸網的同型號設備，主調、配調系統采用筆記本電腦進行模擬，從而進行全面的調度數據網與配網數據傳輸網之間的網絡互聯、數據交互實驗。按順序分別進行以下兩項測試：連通性測試、QoS保障性測試。測試過程如下。

1）連通性測試

（1）將6臺筆記本電腦連接到網絡，記錄相關相關過程信息；

（2）ping-c 100-s 5000對端設備側地址；

（3）測試業(yè)務模擬系統數據收發(fā)。

2）QoS保障性測試

（1）將6臺筆記本電腦連接到網絡，記錄相關相關過程信息；

（2）未配置QoS情況下在測試筆記本12.100.11.2 與12.100.1.22之間通過CHARIOT流量模擬測試軟件添加2 M背景流量（路由器之間通信2 M連接），測試調控業(yè)務連通性；

（3）配置QoS策略，限制VPN-PD流量為1 M，測試筆記本12.100.11.2與12.100.1.22之間通過CHARIOT流量模擬測試軟件添加2 M背景流量（路由器之間通信2 M連接），測試調控業(yè)務連通性；

（4）ping-c 100-s 5000對端設備側地址；

（5）測試業(yè)務模擬系統數據收發(fā)。

通過以上的測試得到如下結果：

1）連通性測試結果

（1）同一個VPN內Ping測試后丟包率不超過1%，不同VPN內ping不通；

（2）調控VPN內終端與業(yè)務服務器通信正常、配調VPN內終端與業(yè)務服務器通信正常，配調、調控VPN內終端不能訪問對方業(yè)務服務器；

（3）調控服務器與配調服務器業(yè)務通信正常。

2）QoS保障性測試結果

（1）未配置QoS情況下，調控VPN內測試電腦之間大量丟包（丟包大于95%）；

（2）配置QoS情況下，調控VPN內測試PC之間不丟包或者丟包不超過1%；

（3）未配置QoS情況下，調控VPN內終端與業(yè)務服務器通信中斷、配調VPN內終端與業(yè)務服務器通信中斷。

（4）配置QoS情況下，調控VPN內終端與業(yè)務服務器通信正常、配調VPN內終端與業(yè)務服務器通信中斷。

實驗結論如下。

通過以上模擬實驗測試，調配一體化數據采集網的方案在網絡架構的可行性、網絡的連通性、數據通信的QoS保障性以及網絡安全測試中均達到預期目標，驗證了以下功能：

（1）利用MPLS-VPN技術可以實現不同業(yè)務系統的安全隔離，防止不同系統間的訪問；

（2）利用QoS技術有效防止某個VPN帶寬的大量占用而影響其它VPN系統業(yè)務的運行。

4 結語

本文圍繞調度數據網與配網數據傳輸網展開研究，再分析兩網的特點的基礎上提出了一種調配一體化數據采集網的可行技術方案，通過對該方案的模擬測試，驗證了其可行性、安全性、可靠性。

采用本文所述調配一體化數據采集網方案，將數據網架構簡明化，避免了重復購入建設數據網設備，節(jié)省了施工周期，大大減少了電網投資；另一方面降低了由于復雜數據網配置故障對電網的影響，從而提高了電網的安全穩(wěn)定水平。

本文的研究成果對于電力行業(yè)中已具備調度數據網并即將開展配調系統建設的單位具有極大的借鑒意義，可在天津電網乃至國家電網范圍內推廣應用，該研究成果可減少配調系統中采集網絡建設部分投資、縮短配調系統建設周期，具備極大的推廣價值。

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Feasibility Scheme Design of Data Integrated Network

LIU Mengxuan1，ZHANG Shunxian1，REN Boqiang2，XU Jiahui3，ZHEN Qing2
（1.State Grid Tianjin Economic Research Institute，Tianjin 300000，China；2.Tianjin Power Binhai District Supply Company，Tianjin 300450，China；3.Tianjin Power Chengnan District Supply Company，Tianjin 300201，China）

In order to solve the information interaction problem between power dispatching data network and distribution data network，this paper analyzed the composition and characteristics of these two network respectively，presented a feasible scheme of data integrated network by comparison of the similarities and differences of two networks and described the principles and network infrastructure in detail.A simulation test about connectivity and supportability is used to verify the feasibility，safety and reliability of the scheme.

data integrated network；power dispatching data network；distribution data transfer network；simulation test

TM711

A

1003-8930（2016）01-0091-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.01.016

2015-06-19；

2015-07-16

劉夢璇（1985—），女，博士，工程師，主要從事電網可研及環(huán)保管理、電網調度自動化工作。Email：15900286430@ 163.com

張順先（1979—），男，本科，高級工程師，主要從事電網項目前期管理工作。Email：zsxian111@163.com

任博強（1984—），男，碩士，工程師，主要從事電網規(guī)劃、電網調度工作。Email：renboqiang1984@163.com