电力通信专业综述.pdf
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1、第二十八届中国电网调度运行会收录论文全集 -1-电力系统通信专业综述 第二十八届中国电网调度运行会通信专业组 摘要:本文概述全国电力系统通信网技术现状,以及光纤通信、电力特种光缆、通信综合网管等关键技术。在展望全球电信技术发展前景的基础上,结合电力生产及电网信息化对通信的要求,探讨电力通信技术的发展方向,提出了建设电力系统多业务宽带通信平台的概念,并介绍了弹性分组环、多业务综合传送平台、多协议标记交换、电力线通信等新技术。从电力通信网建设、运行维护管理的实际出发,提出近两年内应重点研究解决的课题。关键词:电力通信;地线复合光缆;全介质自承式光缆;电力线通信;弹性分组环;数据通信网;时钟同步 电
2、力系统通信网是国家专用通信网之一,是电力系统重要组成部分,是电网调度自动化、电网运营市场化和电网管理信息化的基础,是确保电网安全、稳定、经济运行的重要手段。全国电力系统通信网以光纤、数字微波传输为主,卫星、电力线载波、电缆、无线电等多种通信方式并存,实现了对除台湾外所有省、自治区、直辖市的覆盖,承载的业务涉及语音、数据、远动、继电保护、电力监控、移动通信等领域。至2 0 0 2 年底,全国电力通信网已建成光缆线路约8.5 万公里,数字微波通信电路7.3 万公里,电力线载波6 5 万话路公里,卫星通信地球站3 6 座,电话交换机总容量约1 2 7万门。本文针对全国电力通信网当前所采用的光纤通信、
3、电力特种光缆、通信综合网管等主要通信方式的现状和关键技术做一个概括性介绍。展望通信技术发展前景,探讨电力通信技术的发展方向,重点介绍建设电力系统多业务宽带通信平台所需要的弹性分组环、多业务综合传送平台、多协议标记交换、电力线通信等新技术。同时紧密联系电力通信网运行维护和管理的实际,找出存在的主要问题和不足,提出近两年内应重点研究解决的课题。第一部分 电力通信技术现状和关键技术 一、光纤通信 电力通信的主要传输方式从上个世纪7 0 年代的电力线载波、8 0 年代的模拟微波、9 0 年代的数字微波,发展到目前的光纤通信。到2 0 0 2 年底,全国电力系统已建成光缆线路约8.5 万公里,仅2 0
4、0 2 年一年就增加了4.7 万公里,超过历年来的总和。电力系统光纤通信的时代已真正到来。光纤通信具有抗电磁干扰能力强、传输容量大、频带宽、传输衰耗小等诸多优点,电力行业发展光纤通信有着得天独厚的优势,利用高压输电线路,可架设地线复合光缆、无金属自承式光缆或缠绕式光缆等电力特种光缆。根据全国电力 十五 通信规划,到2 0 0 5 年全国电力光纤通信将形成三纵四横的主干网架结构。第二十八届中国电网调度运行会收录论文全集 -2-为满足三峡工程送出、西电东送以及全国跨区电网联网等对通信的需要,国家电网公司组织实施了三大光缆通信项目,建设跨大区电网的光通信干线。以三峡输变电工程为主体的光通信项目,主要
5、有北京-郑州-三峡光通信工程,北京-上海光通信工程,重庆-三峡-孝感-上海光通信工程,孝感-汉阳-武昌光通信工程,三峡-荆州-益阳-长沙光通信工程及北京地区光环网等。以大区联网工程为主体的光通信项目,主要有华东-福建联网中的上海-福州光通信工程,华北-东北联网的北京沈阳长春哈尔滨光通信工程。以西电东送工程为主体的光通信项目,主要有三峡-广东、武汉-长沙-广东等光通信工程。主干光通信电路的容量为2.5 G b i t/s 。各网省电力公司光缆线路建设以所管辖的电网为覆盖对象。传输容量最高为2.5 G b i t/s,许多省级干线已形成了S D H 光环网。在架空输电线路上架设的电力特种光缆主要有
6、地线复合光缆(O P G W)、地线缠绕式光缆(G W W O P)和全介质自承式光缆(A D S S)等三种,从实际使用的情况看,以O P G W 和A D S S 为最多。1、O P G W(O p t i c a l P o w e r G r o u n d W i r e)光缆 O P G W 光缆是在传统输电线路的地线结构中添加光纤单元而形成的专用于电力线路的光缆,它同时具备架空地线和光缆的功能。按光单元外保护层的材质来分,O P G W 光缆主要有铝管型、铝骨架型和不锈钢管型三大类。按光纤的套塑保护(二次被覆)结构来分,O P G W 光缆所用的光纤有紧套结构和松套结构两大类。按
7、光单元与金属线绞合的方式来分,O P G W 光缆主要有中心钢(铝)管式和层绞式式两大类。O P G W 的关键技术之一是光纤必须有合适的余长,一般要求综合余长为0.6%左右。另一关键技术是O P G W 光缆要能承受由短路电流引起的地线温度的升高。在输电线路发生接地短路时,O P G W 对短路电流容量及引起的温升要具有足够的承受能力,使得缆中的光纤不因温度过高而损坏。限止O P G W 最高使用温度的因素主要是光纤单元结构中的铝材料,对结构合理的O P G W 而言,3 0 0 左右的瞬时高温对受到缓冲和保护的光纤并不构成严重威胁,但若结构中含有铝材,在超过2 0 0 以后,首先是铝材料产
8、生不可逆的塑性形变,在结构受到破坏的同时,O P G W 的弧垂将降低到不能保持与导线的安全间距,甚至与导线相碰的程度。若是不含铝材的全钢结构或铝包钢结构,则完全能应用到3 0 0。不锈钢管O P G W 结构紧凑,尺寸小、重量轻,其单位重量和机械性能与传统的地线接近,对杆塔的负荷影响小。不锈钢管O P G W 在承受短路电流冲击时,热量对光单元的影响远小于铝管型和铝骨架型。松套结构中光纤的余长较大,当O P G W 受力时光纤承受张力微小。目前对于新架线路,大多采用松套结构不锈钢管式O P G W。从通信线路与输电线路运行寿命(3 0 年以上)的匹配性、光纤通信的可靠性、施工和维护等方面考虑
9、,2 2 0 k v 及以上高压输电线路架设光缆应首选O P G W。2、A D S S(A l l D i e l e c t r i c S e l f S u p p o r t i n g)光缆 全介质自承式A D S S 光缆使用纺纶纱作为加强元件,外护套根据线路的电压等级和安装点场强选择合适的材料。常用的A D S S 光缆有中心管式和层绞式两种结构。中心管式结构易获得小直径,受风荷和冰载的影响较小,但若光纤芯数多则光纤余长难以保证。松套层绞式结构光缆易获得安全的光纤余长,在中大跨距应用时较有优势。A D S S 光缆的类型选择首先要考虑电气性能要求,即A D S S 所能承受的空
10、间感应电场(电位)的大小,因为光缆外护套在输电线路导线的电场作用下,会发生干带电弧放电,引起光缆护套的电腐蚀。因此在2 2 0 k v 及以上的输电线路上不宜架设A D S S 光缆。A D S S 光缆对现有电力线路杆塔是一种添加物,在已建成的输电线路上架设A D S S 光缆,首先要考虑可靠性,对电力线路已运行时间,杆塔的老化程度,原设计标准等各方面进行综合评估。多年来电力线路的设计技术规程已进行过修改、调整和补充,所以对运行时间较长的电力线路杆塔强度的校核难度大,是可否架设A D S S 光缆的关键问题。由于国内投运的A D S S 光缆运行时间不长,没有长期的运行经验,也没有光缆线路的
11、设计技术规定和A D S S 光缆的检验标准,所以A D S S 光缆安装设计,只能参照现行的1 1 0-5 0 0 k v 架空送电线路设计技术第二十八届中国电网调度运行会收录论文全集 -3-规程。二、通信网的监控管理 电力通信系统的特点之一是设备种类繁多而人员较少。随着电力通信网的发展,电力通信设备的种类和数量日益增加,为了加强对通信网的运行状态的实时监控,提高通信管理的效率和管理水平,国电通信中心、部分网省公司都建设了通信综合网管或通信监控系统。通信综合网管一般以原厂商S D H、A T M 等专业网管及P D H 微波监控系统为基础,对通信设备的运行状况及通信站环境进行集中监控和管理,
12、有些还具备通信管理信息、通信G I S、通信工作流程管理功能。纳入通信综合网管的设备包括光传输、微波、A T M、程控电话交换、电源设备等。综合网管实时监测通信设备的运行状况、告警信号及设备性能指标参数,根据采集的信息判断故障位置,具有自动报警提示功能。通信M I S 将通信网络的各种数据整理(如设备和电路的原始资料及运行数据)入库,形成完整的资料档案,对通信网资源进行管理。综合网管与办公L A N 互连,实现信息共享,通信人员能从各自办公微机上访问综合网管系统,查询通信网运行情况,对各自负责的专业数据、通信资源、光缆线路增加和路由变更等进行更新和维护。当被监控的通信网发生故障时,综合网管系统
13、立即发出较详细的告警信息,通过办公局域网传送到相关人员的微机上并弹出告警窗口,发出声响提示。随着通信网络规模的进一步扩大,通信综合网管系统在网络性能劣化预报、网络优化设计和业务管理等方面将发挥更大作用。三、数据通信网 国家电力数据通信网是电力通信网的重要业务网络之一,是国家电网公司系统内各种计算机应用系统实现网络化的公共平台,是实现国家电网公司信息化的基础。早期的国家电力数据网一级网络覆盖全国各网公司和直属省公司共1 7 个节点,于1 9 9 4 年投入运行,网络为X.2 5 分组交换网。包括三类设备:1 4 套D D N 设备分别安装在1 3 个地点,2 4 套数据交换设备分别安装在1 4
14、个地点,3 4套路由设备分别安装在1 8 个地点。该数据网目前主要用于传输电力调度实时数据、准实时数据、调度生产管理批次数据。在该网络基础上,实现了全国各级调度中心D M I S 的互联。同时,该网络为信息应用系统提供了平台,实现了国家电网公司机关同在京单位、华中、华东、华北、东北、南方、西北六个网(分)公司、云南、贵州、四川、广西、福建、山东、重庆七个直属省(市)公司、华能电力集团、广东省公司的系统互联,提供文件传输、虚拟终端、远程登入、电子邮件等基本服务功能。新的国家电力数据通信网采用高端路由器以“M P L S+P O S”技术构建骨干网,边缘采用高密度接入路由器。该方案支持纯I P 业
15、务,对I P 业务的支持效率高且扩展性较好,同时,基于M P L S 的二层V P N 技术可以良好地实现路由器网络与现有的业务互联和网络互联。国家电力数据通信网络承载的主要业务有:1)企业管理信息及办公自动化(含D M I S、通信M I S 等)2)电力市场信息发布 3)I P 会议电视(会议电视、远程教育、视频监视、协同工作等)4)网络通用业务(W E B 浏览、E M A I L、文件传输、G I S、电子商务等)5)I P 电话及I P 电话会议系统 6)通信网网管数据通信通道(D C N)的备用传输网络 国家电力数据通信网一期工程包括6 个核心层节点,分别为白广路、西单、华东、华中
16、、南方、重庆;1 0 个骨干层节点,分别为湖北、三峡(龙泉换流站)、湖南、河南、江西、四川、浙江、上海、江苏和安徽,一期工程预第二十八届中国电网调度运行会收录论文全集 -4-计2 0 0 3 年底建成投入运行。二期工程将在2 0 0 4 年建成,从而形成电力专用通信网I P 业务的综合平台。为了确保各调度中心之间以及调度中心与厂站之间计算机监控系统等实时数据通信的可靠性和安全性,依照国家经贸委令 2 0 0 2 第3 0 号电网和电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护规定,建设全国性的统一的国家电力调度数据网,按照“统一规划设计、统一技术体制、统一理由策略、统一组织实施”的原则进行网络工程建
17、设,整个工程预计2 0 0 3 底完成。国家电力调度数据网的骨干网核心层由国调、备调、6个网调、四川、三峡等9个节点组成;汇聚层由除四川以外的29个省调节点组成;接入层由各接入厂站及调度中心业务网组成。核心层是网络核心,拓扑冗余度较高;按照分区原则,汇聚层共分为9个子区,汇聚层各子区与核心层保持两条独立链路,以保证层间迂回路由。此外,汇聚层各子区拓扑保持相对独立和完整。子区不受其他区的影响,可独立运行。子区遵循N1可靠性原则,确保在单点故障时,子区不产生分裂。根据可靠性和业务需求及通信链路状况,目前调度数据网的组网带宽为n*2Mbps。调度数据网承载的业务主要有以下两类:1)实时监控业务:EM
18、S与RTU或变电站自动化系统的实时数据 EMS之间交换的实时数据 水调自动化数据 实时电力市场辅助控制信息 电力系统动态测量数据 2)调度生产直接相关业务 发电及联络线交换计划、联络线考核 调度票、操作票、检修票等 调度生产运行报表(日报、月报、季报)电能量计量计费信息 故障录波、保护和安全自动装置有关管理数据 电力市场申报数据和交易计划数据 全国电力大部分网省公司建设了数据通信网,这些数据通信网络主要覆盖范围是网省公司直属供电公司、所管辖的电厂和变电所。华北、广东、山东、江苏、重庆等网省公司的数据网采用北电网络的A T M 设备,核心层和汇聚层采用P a s s p o r t 1 5 0
19、0 0,接入层采用P a s s p o r t 7 4 8 0/7 4 4 0。承载的业务主要有O A、调度数据网、E R P/I D C、客户服务中心数据联网等。各类业务在独立的V P N 上传输,I P 层采用O S P F 路由协议。湖南、内蒙古等建成了以路由器为核心设备的电力I P数据网 第二部分 电力通信的展望及新技术 传统上电力通信网的主要任务是为电力生产调度、电力企业行政管理提供语音服务,为电力自动化、继电保护及安全自动装置提供时分复用传输电路。随着电力系统信息化和管理现代化程度的不断提高,近年来各级电力企业的计算机局域网和广域网发展迅速,进行了M I S、O A 联网,建设了
20、电力调度数据网、电力市场及调度信息发布网络、电力营销数据网、电力客户服务信息系统,部分省公司还建设了企业资源管理E R P 系统和省级数据中心,数据通信对通信传输网提出了越来越高的要求。在保证电力安全生产对时分复用电路需求的基础上,如何满足各级各类数据网对通信传输的要求,是目前及今后较长一段时期内电力通信所面临的主要任务。第二十八届中国电网调度运行会收录论文全集 -5-随着互联网技术的普及,在电力企业数据网中以太网已处于主导地位。以太网及I P 技术是标准技术,具有良好的互操作性和广泛的软硬件支持,成本低。以太网扩展性好,其速率可以从1 0 M b/s 、1 0 0 M b/s 、1 G b/
21、s 一直扩展到1 0 G b/s,同样的技术可以应用在网络的各个层面上,简化了网络管理。电力通信网是以S D H 光通信和P D H 微波通信为主的时分复用传输网络。计算机数据通信是在时分复用电路两端加上协议转换器和路由器来实现。在现有的电力通信网上开展数据业务,需要增加新设备,其安装、测试、维护,需要大量投资和时间。因此,迫切要求建立融合多种技术的优点(如I P 的灵活性、S D H 的自愈特性、A T M 的Q o S、以太网的廉价性)的多业务宽带通信平台,以简化网络结构、提高网络扩展性,降低建设及运行维护成本。该多业务宽带通信平台必须充分利用现有网络资源,实现从传统模式向以I P 数据通
22、信为主的模式平滑演进。一、电力通信的展望 到目前为止,人们能够看到的并能实现的最理想的传输媒介仍然是光纤。光纤高速传输技术正沿着扩大单一波长传输容量、超长距离传输和波分复用等三个方向发展。单一波长容量已做到4 0 G b i t/s,超长距离传输达到了数千公里无再生。由光交换机等组成的全光网络也进入了实用阶段。光通信已渗入到网络的各个层面,从长途网、本地网、接入网,一直到用户驻地网。基于I P 的业务的急剧增长,I P 技术和协议日趋成熟,2 1 世纪将是I P 网络的世界。电力多业务宽带通信平台的建设可采用渐进式平滑过渡的策略,初期采用基于S D H 的多业务传输平台M S T P 和多协议
23、标记交换M P L S 建设主干网,采用弹性分组环R P R 技术建设本地网和接入网。随着业务量的增加,引入D W D M 和光交换机及其他新技术设备,原有传输干线作为一个波长接入到D W D M 或光交换机。下面将对基于S D H 的多业务传输平台(M S T P)、弹性分组环(R P R)、多协议标记交换(M P L S)等新技术分别作一介绍。二、弹性分组环技术及应用 弹性分组环(R P R,R e s i l i e n t P a c k e t R i n g)技术,吸收了S D H 技术和分组网络(A T M、以太网)的各自优点,提供了一个面向未来I P 分组优化,同时又兼顾T D
24、 M 业务的解决方案。R P R 技术从2 0 0 1 年起一经提出,就名列世界十大电信热点技术之一,在2 0 0 2 年更被评为世界十大电信热点技术之首。2 0 0 2 年1 月I E E E 8 0 2.1 7 工作组正式通过R P R 达尔文草案(D a r w i n D r a f t),使R P R 的标准化工作更进了一步。R P R 技术发展迅速,现已在包括中国在内的世界范围实现了商用化。R P R 使用双环工作方式,同时采用分布式管理、拥塞控制与保护机制,具备划分服务等级的能力,它既具备了S D H 环网5 0 m s 快速保护的长处,又吸取了以太网技术的经济、灵活和扩展性好的
25、优点。因此,它不仅能有效地支持环形拓扑结构和在光纤断开或连接失败时实现快速恢复,同时具备数据传输的高效、简单和低成本等典型以太网特性。弹性分组环是在环形拓扑结构上优化数据交换的 M A C 层协议,支持统计复用技术和空间复用技术,环路业务容纳能力为环路带宽的3 4 倍。概括而言R P R 技术具有以下特点:(1)、分组式A D M 体系 R P R 机制对业务交换采用分组式A D M 体系,以提高系统的处理性能。对于每个节点,如果数据流的目的地不是本节点,这个数据流就会被简单地前传,而不会像以太网交换机那样将数据流放入队列并等待处理。R P R 设备可以像 S D H A D M 那样不用处理
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