特高压交直流电网系统保护通信专网顶层设计方案研究

“十三五”期间，随着大容量远距离特高压直流输电技术的快速发展，风电和光伏等新能源大量并网，国家电网公司系统资源优化配置能力、跨区输电能力显著提高，电力一次系统正经历从纯交流电网向交直流混联、电力电子化电网转换的历史性变革。

来源：微信公众号“中国电机工程学会电力通信专委会”        作者：张媛 刘广旭

随着交直流混联电网格局与电源结构的深刻变化，系统稳定问题由局部、孤立向全局、连锁方向演化。面对新形势下的网络安全问题、运维繁琐和业务需求的的复杂多样问题，为确保大电网的安全、可靠，公司开拓创新，推动构建大电网安全综合防御体系，即“系统保护”。系统保护是以有效控制大电网安全运行风险为目标，构建多目标控制、多资源统筹和多时间尺度协调的高可靠性、高安全性大电网安全综合防御体系。

系统保护的广域信息采集、多元协调精准控制等功能对通信专网的覆盖范围、传输速率、信号质量和安全性能等提出全新要求，因此，亟需构建一张以现网资源为基础，以光通信为主、综合多种传输技术并采用先进、成熟技术装备和设施的区域互联、分层分区的高安全性专用业务网络，为系统保护所覆盖的源、网、荷相关站点的运行信息采集和系统控制提供更大范围、更优性能、更短延时、更高安全的通信保障。

总体建设方案

(一)建设思路

为更好地落实系统保护通信专网建设原则，建设思路是：

1、两个整合，即资源整合与业务整合。

资源整合是立足现有网络资源，优化网络结构，合理分配资源，使系统保护通信专网在资源使用上相对独立并提升安全可靠性。业务整合是将生产类业务与管理类业务在承载网络上实现分离。如下图所示：

 

2、新建、改造并举。

充分利用现网资源，新建一个独立承载系统保护业务的承载网，将现有网络进行改造、补强作为系统保护业务承载第二平面。即：

(1)新建一张SDH/MSTP传输网，覆盖系统保护协控主站、控制主站及各采集站、控制站，作为第一通道承载系统保护各类业务。解决现有网络中跨省、跨区业务多管理层级、多设备品牌、多节点转接的问题。

(2)改造现有SDH网络，对运行不稳定、服务支撑不到位、容量不满足要求的设备进行更换改造，对系统中的非生产业务进行腾退。作为第二、三通道承载系统保护各类业务。

(3)新建传输系统与现有SDH传输系统共同构成系统保护通信骨干传输网，承载生产控制类业务。

(4)新建系统保护数据专网，覆盖系统保护协控主站、控制主站及各采集站、控制站，承载系统保护采集类数据业务。系统保护数据专网与调度数据网间采用单向隔离装置互联。

 

3、分层分区建设。

根据系统保护架构特征，统一设计，统一标准，按照“1+6+n”模式，统一组织、分级建设、分步实施，建设模式如图4所示。

“1” 为覆盖六个分部的主、备协控主站及国调中心、分部调控分中心的系统保护跨区核心层;“6” 为各区域内覆盖区域主、备协控主站，区域直流控制主站、精准负控主站、抽蓄控制主站、切机主站、解列控制主站及各采集站和控制站的系统保护区域骨干层;跨区核心层与区域骨干层之间在区域主、备协控主站进行双点连接，任意节点故障不影响业务传输。“n” 为由各省公司分头建设的，覆盖负控系统主站、控制子站、市县公司、环网核心变电站、用户接入变电站、用户负控终端等节点的省内负荷控制层。

4、安全可靠。

在路由组织，通道/设备冗余，信息安全、运维保障、网络管控上采取高标准安全策略和措施，确保系统安全可靠。

(二)建设原则

1、总原则

(1)紧跟需求，统一规划。

准确把握系统保护总体架构和业务通信需求，以需求为导向，坚持统一规划、统一标准，保障安全裕度和容量空间，各级网络遵循统一标准，保持技术政策、技术架构和运维体系统一。

 

(2)安全可靠，责任明晰。

以安全为核心，构建承载独立、能控在控、运维高效的通信专网，优化完善现网资源配置和业务运行方式，显著提升多级资源统一调控、分级运维的技术支撑能力，强化与保护专业沟通协调，明确安全责任界面。

(3)经济高效，融合创新。

立足公司通信网络资源，依托“十三五”通信网规划统筹开展网络建设改造，以满足系统保护全景状态感知、实时智能决策、一体协同控制功能需求，深化通信技术创新研究，推动技术体制、组网技术、安全策略、仿真测试和网管技术的升级演进。

(4)顶层设计，分级实施。

按照顶层设计、试点先行、逐步拓展的原则，总分部、省公司遵循统一设计，保持与系统保护建设步调协调一致，按照“1+6+n”模式统一组织、分级建设、分步实施。

2、传输网组网原则

(1)按照特高压控制保护业务的安全性等级，区域间系统保护信息应具备3条独立通信通道，区域协控主站与分控制站端间应具备3条独立通信通道，各执行站、采集站到上级站点(分系统主站或协控主站)间应具备2条独立通信通道。

(2)为满足系统保护业务对时延的要求，在网络设计及业务方式安排时，应通过优化网络结构、优选直达路由、减少网络转发层级等方式降低通道传输时延。

(3)高度重视网络与信息安全，控制类与采集类通信业务应适当分离，杜绝在通信专网中采集类通信与控制类通信直接或间接“短路”。系统保护专用承载网应严格落实专网专用、横向隔离、纵向认证等安全管控要求，确保网络安全及信息安全。

(4)加强系统保护通信专网网管系统安全管理，严格落实安全管理各项人防、技防措施，网络建设过程中应对现有网管系统进行用户权限、操作口令、系统漏洞等方面的全面核查清理。网管系统能够实现业务的端到端配置、监视和管理，实时、准确反映网络及业务运行状态，对设备及网络性能劣化进行提前预警。

(5)重视系统保护通信专网辅助配套设施建设，相关通信站的机房、电源、空调等设施应严格按照公司相关制度标准进行配备，不满足要求的应同步改造，确保满足设备安全可靠运行条件。

(6)根据各省(区、市)精准负荷控制系统建设实际情况，开展相应通信系统建设及通道组织工作，网络结构及带宽应满足负控系统信息采集及控制需要，终端通信接入网建设要因地制宜，符合公司相关技术政策，在安全措施能够满足要求的情况下，可采用无线通信手段。

3、数据网组网原则

(1)网络建设适度超前，数据专网节点间带宽应不小于100M。

(2)每个节点均采用双设备，构建网络双平面，提高网络拓扑的健壮性。

(3)合理进行网络分层，协控主站作为核心节点，控制主站作为汇聚节点，原则上任意有互访需求的两点间应小于10跳。

(4)采用MPLS技术，提升网络的转发效率。

(5)全网按照节点属性和传输距离进行路由设计，便于流量规划、减少时延。

(6)利用MPLS TE、VPN FRR、BFD等技术提供多重保障机制，提升端到端保护和故障下快速恢复能力。

(7)数据专网与传输专网同期规划。

(8)应选择集采分类高、中端设备中线速转发时延小的设备，降低网络时延。

4、网管系统建设原则

(1)采用统一部署、分级管理的原则进行建设，具备分级、分区管理能力，实现跨区域、跨系统电路的端到端全过程透明管理。

(2)要尽可能地统一设备品牌，提高网管系统融合度，并优化、改造现有网管网，提升网管网的安全水平。

(3)建设融合传输网网管与数据网网管的综合网管系统，实现传输通道与业务的关联分析，以及基于业务视图的端对端监控与管理，满足运维体系要求。

(三)网络结构

根据系统保护装置设置原则及控制、采集类业务流向，系统保护通信专网分为三层，按照“1+6+n”形式进行构建，网络结构如下图所示。

 

负控通信网又可分为三层，分别为核心层、汇聚层、接入层，网络结构如图7所示。

(四)预期成效

通过专网建设，使系统保护通道在设备可靠性、可管理性及相应的运行管理机制等方面能够充分满足系统保护的严格要求，有效支撑运行状态广域数据采集、信号快速传输和多维度控制策略快速执行的高安全性、高可靠性系统保护功能实施，并将在承载能力、安全保障、技术进步、规划发展、队伍建设等方面得到较大的提升。

技术体制

系统保护专用通信网主要承载控制类及采集类两种业务，对时延及安全要求极高。采用何种组网技术体制，构建什么样的网络架构，是关系到系统保护需求能否实现的关键所在。目前成熟的承载网络技术主要有五种：MSTP、PTN、OTN、ASON、IP路由器，其中，前四种属于传输网技术，主要用于提供刚性的点对点通道，适用于组建底层骨干传输网，并可为保护、安控等需要物理隔离，同时对时延十分敏感的专线业务提供传输通道。IP路由技术属于数据网技术，其在骨干网络中需利用传输所提供的通道进行组网，通过广播和寻址方式实现点到点、点到多点的数据通信，适用于多类型IP化业务的综合承载。

在四种传输网技术中，PTN技术由于在传输性能和安全性方面存在不足，因此不建议采用其组建承载电网生产控制业务的系统保护通信专网。ASON 技术是叠加在MSTP、OTN 等传输网络之上的，通过提供自动发现和动态建立连接等功能的分布式控制平面，在光传送基础网络之上，可实现动态的、基于信令和策略驱动来自动控制的一种网络机制。传输网中应用ASON技术，有利于提高网络抗多点故障的能力，缩短业务中断时间，提高网络智能化水平，但是在现网中缺乏大规模商用的案例，特别对于承载重要生产业务的系统保护专用通信网中则更需深入论证及验证测试。

对于MSTP技术和OTN技术，在网络安全、运行维护、时延特性等方面基本类似，都可以作为承载控制类信号的通信技术体制，OTN技术更适用于大容量传输网的建设，MSTP技术在超长距传输方面更有优势。

综上所述，根据系统保护通信专网的业务需求分析，综合考虑控制业务接口带宽、超长距传输能力、通道时延指标、运维人员熟悉程度等因素，在带宽需求小于10G的情况下，可采用10G MSTP技术进行组网;在区域核心层或部分区段带宽需求预测大于10G的情况下，可采用OTN技术进行组网，在OTN网络中配置SDH设备实现小颗粒业务接入。针对大颗粒的系统保护采集类业务，可采用IP路由器技术组建系统保护专用数据网进行承载，路由器可以承载在底层MSTP网络或OTN网络之上。

结语

系统保护是全新的大电网安全综合防御体系，对系统保护的认识和理解是不断深化、持续完善的过程，控制策略、功能需求、技术指标等各方面的具体内涵在不断丰富。同时，由于系统保护的复杂性和差异性，区域电网系统保护通信专网的建设方案也有待于进一步完善。因此，系统保护通信专网的建设方案需要结合系统保护研究和试点的进展不断滚动改进。