基于可靠性最優的地區調度數據網第二接入網設計

黃顯斌，鄧志森，喻顯茂，劉洵源，彭 昊，戴晨曦

(1.國網四川省電力公司天府新區供電公司，四川 成都 610021；2.國網四川省電力公司，四川 成都 610041)

0 引 言

調度數據網是為電力調度生產服務的專用廣域數據網絡，是上下級調度之間、調度主站與廠站之間電力監控系統數據通信的基礎設施，直接關系電力系統的安全穩定運行，要求其具有極高的可靠性和安全性。調度數據網對于電力系統未來業務的發展具有強大的支撐作用，在一體化系統建設、智能電網建設方面都起到關鍵作用[1]。現大部分地區110 kV及以下電壓等級變電站的調度數據網為單一網絡，設備故障或者網絡鏈路中斷時，不能保障調度業務實時性，不滿足調度生產指揮連續性要求，將嚴重影響電網運行安全。冗余備用是保障可靠性的最重要手段之一，現階段調度間骨干網、部分廠站已實現網絡層面冗余，但還有大量110 kV及以下變電站未實現雙接入冗余。同時考慮到集控站建設，其與調度主站、變電站均需采用調度數據網接入網進行數據交互，為滿足傳輸可靠性要求，亟需進行地區調度數據網第二接入網(后簡稱地區第二接入網)建設，實現在網絡層面的備用，提升調度數據網可靠性。

1 調度數據網可靠性

調度數據網可靠性是調度數據網為業務提供不間斷支撐的能力，其大小主要受設備冗余程度、路由策略、設備部署位置等影響。因此，數據網絡單個節點的可靠性可以式(1)表示。

Pi=PijPirPin

(1)

式中：Pi為調度數據網中i節點的可靠性；Pij為i節點的設備冗余度可靠性，可用式(2)計算；Pir為i節點路由策略可靠性；Pin為節點部署位置可靠性，可由式(3)計算。

(2)

Pin=PikPio

(3)

式中：Pik為節點i的設備電源可靠性；Pio為傳輸設備鏈路可靠性，是整條鏈路上所有節點的可靠性乘積。

一個有n個節點的地區調度數據網的網絡可靠性PT，可以表示為業務重要性系數Wi乘以各個節點的可靠性Pi之和再乘以路由可靠性Pr，見式(5)。

(5)

2 基于可靠性最優的設計原則

在地區第二接入網設計時應遵循以下幾個原則。

1)通信鏈路可靠性原則：結合第一接入網現狀，設計時應盡可能考慮第一接入網、第二接入網相關通信設備及鏈路單點故障不影響業務。

2)業務可靠性原則：在設計和規劃網絡拓撲結構時，應當遵循鏈路與節點可靠性要求。在拓撲結構中的任意鏈路中斷后，確保業務不中斷[2]。

3)技術可靠性原則：應充分考慮現有網絡，地區第二接入網按統一規劃、統一技術、統一標準建設，在技術體制、路由策略等方面應考慮與現有骨干網、接入網的協調統一。

4)網絡性能可靠性原則：任意接入節點至所屬調度機構節點的網絡延時應控制在100 ms以內，網絡自治域內任意兩個網絡節點之間的網絡丟包率應小于10-5，網絡自治域內的網絡收斂時間應小于60 s，網絡可用率應大于99.9%[3]。

3 地區第二接入網設計

3.1 設計步驟

基于所提出的調度數據網可靠性計算方法，將地區第二接入網設計按照設備冗余程度分析、路由策略分析、部署位置分析、網絡可靠性計算和業務接入校核幾個步驟進行，具體流程如圖1所示。

圖1 地區第二接入網設計流程

圖1中，在進行完位置部署分析以后，需對業務接入進行分析，滿足業務需求才能形成設計方案。

3.2 設備冗余程度分析

在進行設備冗余分析時需考慮現有數據網運行情況，需對調度數據網總體結構、地區調度數據網第一接入網(后簡稱地區第一接入網)現狀、省調接入網現狀進行分析，通過前面的設備冗余度可靠性定義，在滿足可靠性最優的情況下確定地區第二接入網需部署設備的節點。

3.2.1 調度數據網總體網絡結構分析

調度數據網分為骨干網和接入網。骨干網為雙平面架構，兩個平面在網絡層面上獨立，用于各級接入網的網絡互聯和調度端的應用接入，整體結構如圖2所示。骨干網采用光同步傳輸模式上傳送網際互連協議(IP over SDH)技術體制，全網部署多協議標簽交換(multiprotocol label switching，MPLS)/虛擬專用網(virtual private network，VPN)，即實時VPN和非實時VPN，分別對應生產控制大區的控制區業務和非控制區業務。

接入網根據調管范圍分為國調接入網、分中心接入網、省調接入網和地調接入網，所設計部分為地區調度數據網，即地調接入網部分[4]。

3.2.2 地區第一接入網現狀分析

地區第一接入網覆蓋區域內的省調直調廠站、地(縣)調直調廠站、縣調、集控站、運維班節點，分為核心層、匯聚層和接入層。所有廠、站均為接入節點，接入節點同匯聚節點相連，匯聚節點同核心節點相連，最后通過核心層跨域到對應的骨干網節點。

3.2.3 省調調度數據網接入網現狀分析

省調調度數據網接入網(后簡稱省調接入網)覆蓋省調區域內的分中心直調廠站、220 kV變電站和省調直調廠站節點，分為核心層、匯聚層和接入層。

3.2.4 地區第二接入網新增設備節點設計

為充分利用現有設備資源，同時考慮到地區第二接入網建設，可以將調管范圍內220 kV變電站節點從原省調接入網劃入地區第二接入網。省調接入網將只覆蓋直調電廠和網調直調廠站等節點。地區第二接入網將作為地區第一接入網的網絡層面備用，完全獨立運行于地區第一接入網和省調接入網。經過上面分析，可知對現有110 kV及以下變電站數據網節點只需新增一套數據網設備，可使所有節點均滿足多臺設備的可靠性要求。

3.3 路由策略分析與設計

3.3.1 私網路由策略分析與設計

路由協議分為域內內部網關協議(interior gateway protocol，IGP)和域間外部網關協議(exterior gateway protocol，EGP)兩類。地區第二接入網是一個區域，屬于同一個自治域，同地區第一接入網采用相同的路由分配策略，地區第二接入網自治系統內配置開放最短路徑優先(open shortest path first，OSPF)路由協議實現全局路由分發。采用MPLS標簽轉發，加快數據轉發效率，采用邊界網關協議(border gateway protocol,BGP)來控制地區第二接入網匯聚和接入節點的路由路徑。地區第二接入網與雙平面骨干網之間配置BGP協議實現全局路由互通。在接入節點路由器配置VPN，通過靜態路由的方式引入接入交換機，業務主機網關配置在接入交換機。

3.3.2 公網路由策略分析與設計

為使自治系統內部路由快速收斂，需對地區第二接入網進行分區，核心和匯聚設備組成自治系統內部路由協議的核心區域 Area 0，每個匯聚節點及其下屬的接入節點組成一個非骨干區域。匯聚路由器是連接核心區域Area 0和子區的區域邊界路由器(area border router，ABR)，ABR負責子區的拓撲接入、區域間路由轉換與傳遞、區域間的路由聚合等任務。為減少核心區域 Area 0和子區之間的路由規模，在ABR上的Area 0和各子區對互聯地址應該配置區域間的路由聚合，以此滿足網絡性能指標要求，如圖3所示。

圖3 OSPF區域

通過私網路由分析和公網路由分析，采用同地區第一接入網相同的路由策略方案，滿足可靠性設計原則。

3.4 節點部署位置分析與設計

節點部署位置分析首先要進行拓撲結構分析，然后考慮部署節點電源可靠性、傳輸鏈路可靠性和業務重要程度。

3.4.1 拓撲結構分析

考慮到調度數據網總體設計架構，地區第二接入網采用三層網絡結構，分別為核心層、匯聚層和接入層。核心采用多核心設計，主要負責數據交換功能；匯聚層采用多節點設置，根據實際接入節點數量配置對應匯聚節點數；接入層負責將廠站業務接入網絡。核心節點至少設置2個，節點之間采用155 M通道互聯；匯聚節點若干，匯聚節點之間、匯聚節點和核心節點之間采用155 M通道互聯；接入節點若干，其中廠站接入節點采用2×2 M與匯聚節點相連，而集控站或運維站節點采用155 M通道與匯聚節點或核心節點相連。

3.4.2 部署節點電源可靠性分析

地區調度數據網節點主要部署在調度主站、調度備用主站、220 kV變電站、110 kV變電站、35 kV變電站、集控站和運維班。根據現場電源配置情況，一般情況下電源可靠性Pik排序如下。

Pik調度主站≈Pik備調主站≈Pik集控站>Pik220 kV≈

Pik運維班>Pik110 kV>Pik35 kV

3.4.3 傳輸鏈路可靠性分析

根據拓撲分析可知，所有鏈路均需要經過核心節點，大部分鏈路經過匯聚節點，接入節點一般情況下只負責自身節點業務，其鏈路帶寬分配也不一致，因此可以得到接入節點單鏈路接入時的可靠性。

Pio接入節點=Pio匯聚節點Pio接入鏈路

(6)

式中，Pio接入鏈路為接入節點與匯聚節點之間鏈路可靠性，一般由通信傳輸通道質量決定。

考慮到可靠性最優，雙接入時接入節點可靠率為

(7)

同理可以計算出核心節點和匯聚節點的鏈路可靠性。

3.5 調度數據網可靠性計算

通過上面的分析可知，基于可靠性最優的情況下，所有節點均為多設備，設備冗余度可靠性Pij=1，路由策略可靠性應該為一個常量a，即Pr=a，不同節點的電源可靠性Pik只有固定的幾個常量值，因此可以賦值。

(8)

式中，b、c、d、e均為常量。按照核心節點、匯聚節點和接入節點的部署位置不同，根據式(5)、式(7)、式(8)可以求出地區調度數據網的可靠性PT的最大值，最后進行業務接入校核，如果均滿足業務需求，即為可靠性最優的設計方案。

3.6 業務接入校核

地區調度數據網承載的常見業務有調度自動化業務、繼電保護及安全自動裝置業務和變電集控站(運維班)主設備全面監視業務等。根據這些業務所部署的地理位置不同，可以按照接入位置分為主調業務、備調業務、廠站業務和集控站業務。

3.6.1 主調業務校核

主調業務從骨干一、二平面接入調度數據網，未直接接入地區調度數據網，需滿足調度主站之間的數據轉發通信能接收所有廠站業務的需求。

3.6.2 備調業務校核

備調業務直接接入地區第一接入網備調核心節點和地區第二接入網備調核心節點，其業務直接通過兩套接入網完成數據的傳輸，不需經過骨干網平面，需滿足能接收所有廠站業務的需求。

3.6.3 廠站業務校核

廠站業務通過地區第一接入網接入節點和地區第二接入網接入節點接入。考慮到鏈路冗余，兩套接入網應分別通過不同骨干網路由回主站。可采用地區第一接入網通過骨干二平面上骨干網，地區第二接入網通過骨干一平面上骨干網，同時滿足業務數據通過不同數據網設備傳輸的需求。

3.6.4 集控站和運維班業務校核

集控站業務通過地區第一接入網接入節點和地區第二接入網接入節點接入，同時須滿足能通過兩套接入網即接收所需監控廠站信息的需求。

4 結 論

上面提出了一種基于設備冗余程度、路由可靠性和節點部署位置可靠性的區域調度數據網可靠性計算方法，基于該方法提出可靠性最優的地區調度數據網第二接入網設計原則和流程，詳細介紹了各個步驟分析內容和計算公式。最后，根據業務接入校核選出網絡可靠性最高的設計方案，該方案簡潔、擴展性高且易于管理。但所提方法并未考慮經濟性，也并未對業務重要性進行賦值，認為業務重要程度相同。后續研究考慮將重要性和經濟性作為約束條件，設計出更經濟合理的設計方案。