波分复用技术在水电站调度通信系统中的应用.pdf

28第 46 卷 第 10 期2023 年 10 月Vol.46No.10Oct.2023水 电 站 机 电 技 术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStation0 引言水电站调度通信系统是指用于水电站调度管理的通信系统，其重要性体现在以下几个方面：实时监控与控制：水电站调度通信系统能够实时监测水电站各个设备的运行状态，包括水位、流量、发电机运行状态等，以便及时调整和控制水电站的运行情况，确保其稳定运行和最大发电效率运行1；数据传输与处理：水电站调度通信系统能够传输和处理大量的实时数据，包括水电站设备运行数据、气象数据、水文数据等，这些数据对于水电站的调度决策和运行管理至关重要2；调度决策支持：水电站调度通信系统能够根据实时数据和预测模型，提供给调度员决策支持，帮助其制定合理的水电站调度方案，以最大程度地满足电力需求和水资源利用的平衡3；故障诊断与维护：水电站调度通信系统能够对水电站设备进行故障诊断，及时发现和解决设备故障，提高水电站的可靠性和运行效率。同时，它也能够提供设备维护管理功能，对设备进行定期巡检和维护，延长设备寿命。然而，水电站调度通信系统也面临一些挑战：大数据处理：它需要处理大量的实时数据，包括多种类型的数据和复杂的数据分析模型，对系统的计算能力和存储能力提出了较高的要求。数据安全与保护：由于它涉及到大量的敏感数据，包括水电站运行数据、设备状态等，因此需要确保数据的安全性，采取保护措施，防止数据泄露和恶意攻击。通信可靠性：水电站调度通信系统需要保证通信的可靠性和稳定性，以确保实时数据的传输和调度指令的准确传达，降低通信故障对水电站运行的影响；多方协同与互联互通：它需要与多个相关部门和机构进行协同工作，包括集控、地调、省调、总调以及其他相关部门等，需要实现不同系统之间的互联互通，确保信息的及时共享和协同决策的实现。综上所述，水电站调度通信系统在水电站的运行管理和调度决策中起着至关重要的作用，同时也面临着数据处理、安全性、可靠性和协同等方面的挑战4。1 某水电站调度通信业务概述某电站地面中控室的通信业务结构如图 1 所示，包括：集控电能量系统、总调 OMS 系统、调度交互系统、集控交互系统、工业电视系统、厂内保信子站系统、调度电话系统、行政电话系统、集控卫星电话系统、值守楼卡点电话系统等；以上业务中集控电能量系统、总调 OMS 系统、调度交互系统、集控交互收稿日期：2023-08-18作者简介：宗和刚（1988-），男，工程师，从事水电站计算机监控系统研究工作。波分复用技术在水电站调度通信系统中的应用宗和刚，张永懿，赵频嫣，沈唯羽，安美惠，王 伟（华能澜沧江水电股份有限公司乌弄龙里底水电厂，云南 迪庆 674606）摘 要：本文探讨了波分复用技术在水电站调度通信系统中的应用。该技术能通过在光纤上传输不同波长的光信号，实现多路复用，提高通信效率。文章通过具体案例，介绍了某电站通信业务的改造，采用波分复用光传输设备，取代单电源设备，实现了双电源供电。这种改造方案有效提升了通信的稳定性、可靠性和维护效率。最后，总结了波分复用技术在水电站调度通信系统中的应用情况，展示了在提高通信效率、降低成本、增强安全性和工作效率方面的潜力。关键词：波分复用；水电站；调度通信；光纤传输；网管系统中图分类号：TN915.853文献标识码：A文章编号：1672-5387（2023）10-0028-04D O I：10.13599/ki.11-5130.2023.10.00929第 46 卷水 电 站 机 电 技 术系统、工业电视系统、厂内保信子站系统使用的是普通光电转换器进行业务中转，而调度电话系统、行政电话系统、集控卫星电话系统、值守楼卡点电话系统使用的是专用的电话语音光端机进行业务中转。光电转换器和电话语音光端机都是单电源，并且都是成对使用，一个布置在地下厂房通信机房的电信传输设备柜，另一个布置在地面中控室的一键落门控制柜。由于业务系统较多，需要大量使用光电转换器和电话语音光端机，每个光电转换器上都插着一对光纤，结果就造成了电信传输设备柜和一键落门控制柜内设备杂乱；另一方面，由于这些光电转换器和电话语音光端机都是单电源，在厂内开展倒闸操作的过程中，经常出现由于失电导致业务中断的情况；在去年无人值班现场查评时专家提出：电站地下厂房与地面中控室业务通道采用光纤通信，使用的光纤收发器均为单电源设备，不满足重要设备工作电源冗余配置的要求，需要进行整改。最重要的是这些设备被放置在中控室一键落门控制柜内，对电站机组的稳定运行也是一个极大的隐患。因此，计划开展电站中控室通信业务可靠性的完善。图 1 改造前地面中控室通信业务结构图2 某水电站调度通信业务改造实践大部分水电站调度通信业务使用的都是点对点的通信方式，一个业务占用一对光纤，大量使用光纤，一旦其中一根光纤损坏，业务就会受到影响。目前光传输技术中，有两种比较常见的技术；其一是波分技术（Wavelength Division Multiplexing，WDM），它是利用光纤传输的不同波长来复用不同数据信号的技术。通过将不同波长的光信号混合在一起传输，实现多路复用。在接收端，使用光电转换器将不同波长的光信号分离出来，再进行解调和解码，实现数据的分离。波分技术可实现多达数百个波长的复用，大大提高了光纤传输的容量和效率5。其二是时分技术（Time Division Multiplexing，TDM），它是利用时间分割的方式将多个信号串行传输在同一条线路上。多个信号以不同的时间片轮流传输，接收端按照预定的时间间隔来识别和分离各个信号。时分技术可以支持多个信号同时在同一线路上传输，但传输速率有限。波分技术和时分技术的区别在于复用方式不同，波分技术利用不同波长实现多路复用，而时分技术利用时间分割实现多路复用。波分技术具有高容量、高效率的特点，而时分技术则适用于低速率、低容量的传输。为了满足电站调度业务实时性要求，计划使用波分复用技术来改善电站的调度业务稳定性6。2.1 波分复用技术的原理随着电站通信业务的发展，服务受众群体不断扩大，对于网络通信性能、稳定性、可靠性、安全性提出了更高的要求。在这种情况下，波分技术成为了一种优选的高效通信技术。波分技术又称为“波分复用技术”，它是一种在光纤通信系统中使用的技术。波分复用是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。简单来说，也可以把 WDM 看作是一条公路，如图 2 所示，不同类型的车辆涌入这条公路，到了目的地之后再各走各的。图 2 波分复用示意图利用不同波长的光信号在同一光纤中传输时，通过调整波长将它们分隔开来。在一根光纤中，通过分配不同的波长可以将多个信息流进行分离，实现了多路信号在同一光纤上同时传输。波分技术的实现30第 46 卷水 电 站 机 电 技 术需要两个主要部分：光源和分波器。光源可以产生多个波长的光信号，一般是使用激光器生成不同的波长光。分波器是用来将这些不同的波长光信号进行分离，在这方面，最常用的是光栅分波器和星型分波器。2.2 某电站中控室通信业务可靠性完善的具体解决方案经过调研某公司生产的双电源光传输设备ITN8600，就是基于波分复用技术的光传输设备。该设备在几大运营商都有使用，但是在水电站很少有使用。另外，该设备搭配了数量较多的RJ45接口（以太网接口）和 RJ11 接口（电话和调制解调器接口）；因此可以将目前大量使用的单电源电话语音光端机和光电转换器进行替换。光传输设备 ITN8600 成对使用，由于地面中控室和二次盘室仅有 50 m 的距离，考虑到光传输设备放在中控室的一键落门控制柜隐患较大，计划将一台光传输设备放在二次盘室内的内外网交换机柜，另一台，还是放置在地下厂房通信机房的电信传输设备柜。由于原来从地面的二次盘室到地下厂房通信机房的电信传输设备柜就敷设过一根 48 芯光缆，现在使用这套光传输设备，只需要使用其中 2 对光纤即可，一对主用，一对备用，可以节省多对光纤的使用。双电源方面，放置在地面的二次盘室内外网交换机柜内的光传输设备的双电源取自旁边的地面值守楼 UPS 电源柜电源 K7 和 K8 两路。放置在地下厂房通信机房的电信传输设备柜的光传输设备的双电源一路取自旁边的 1 号高频开关电源分配屏的TK42；另一路取自旁边的 2 号高频开关电源分配屏的 TK42；设备调试时，先将两个光传输设备调试通，所带的网口、电话接口调试通，再上架安装，这样可以缩短调试时间，进而缩短业务中断时间。设备调试好之后，从地面值守楼二次盘室内外网交换机柜敷设网线到中控室各个终端，再插上相应的网线，测试业务是否正常。改造后，中控室通信业务拓扑图如图 3 所示。ITN8600 光传输设备由光传输设备主机、协议转换器和语音交换机 3 部分构成，如图 4 所示。光传输设备主机主要由网络交换单板、OTN 业务单板、8 波合分波板、光线路保护板、备用空板和电源单板构成。电源单板电源 1 和电源 2 都是 AC 220 V，取自不同电源点；光线路保护板起到冗余备份的作用，始终处于热备状态，主用的一对光纤故障，就立刻切到备用的一对光纤，期间业务不会中断；主光口和备光口的光信号进来之后，由合光口往外送出，送到 8 波合分波板的分光口；8 波合分波板波长为 1 471 nm 的光口将光信号送到 OTN 业务单板的L1 光口，然后 OTN 业务单板上的电口 1 电口 8 就可以承载电口业务；8 波合分波板波长为 1 491 nm的光口将光信号送到协议转换器的 EAST 光口，通过协议转换器的转化将光信号转化为电信号，再通过同轴电缆送到语音交换机上，最终语音交换机的语音口 1 语音口 3 就可以承载电话语音业务，这里一个语音口可以承载 4 部电话业务。图 3 改造后的通信业务系统拓扑图图 4 光传输设备接线原理图2.3 网管系统由于光传输设备配置了带 NEG 口的网管交换机单板，因此可以通过在专用的维护电脑上安装网管平台（NView NNM），实现统一网管，及时接收告警，快捷定位故障，迅速开通业务。支持的故障类型包括设备电源故障、光功率故障、环回检测故障等。网管系统的安装目的在于解决网络维护难的问31第 46 卷水 电 站 机 电 技 术题，该系统功能完备，界面美观大方，且操作简单易用，能够满足日常维护的需求，网管界面如图 5 所示。该平台能够实现数据网络、传输网络的统一管理，具备强大的网元级管理与子网级管理功能，北向提供 CORBA、SNMP、JDBC、SOCKET 等多种接口方式用于与业务运营支撑系统集成，南向采用 SNMP 协议与网元层设备进行互管。系统采用模块化设计理念，支持灵活的部署方式，依据网络实际情况，按需部署。1.系统菜单栏；2.系统工具栏；3.窗体标签；4.导航树区域；5.宽度调整栏；6.系统状态栏；7.功能区域；8.功能工具栏；9.功能菜单栏图 5 网管系统界面网管软件提供可视化操作界面，拓扑结构清晰、功能丰富，除了能提供完整的设备管理维护能力之外还能提供多样化的图形报表。（1）图形化的设备界面，网管图形化设备界面及告警指示灯和设备实际状态一致。可以通过网管面板直接读取设备告警状态、端口使用情况及端口通断状态，无需复杂的网管操作。（2）丰富的设备运行状态读取，除了常规设备基础数据读取外，还提供外部环境读取，如温度、电源状态读取。（3）网管平台还提供设备告警，告警窗口提供维护者排障建议，降低维护难度。（4）除此之外，网管平台还具有网管报表功能；提供详细的网管操作和故障处理帮助文档。3 总结在本次改造过程中，使用的波分复用光传输设备以点对点的组网方式进行通信，组网简单清晰；机框采用双电源供电；波分功能模块分离式设计，即业务复用、波长转换、合分波由不同板卡完成，互不影响；各模块间通过物理连接，无需逻辑交叉配置，开通简单，清晰明了，易于开通和维护。另外可扩容性方面，每台波分设备有不少于 6 个业务槽位。业务板卡、管理板卡和纯光板卡可灵活混插。搭载了网管板卡，只要安装网管系统，就能通过网管实时监控，实现界面化监控和操作；网管系统支持光缆故障自动定位、故障信息以邮件或短信方式自动通知；网管支持地图方式显示节点位置。在水电站通信系统中，使用波分复用技术来取代单电源的光电转换器、交换机和其他通信设备。波分复用技术通过光纤进行传输，支持不同协议和通信业务的同时传输，提高了通信的灵活性和多样性。并且实现分散设备的集中管理，提高通信效率和可靠性，这是波分复用技术应用领域的扩展；这种技术主要有以下一些优点：（1）提高通信效率：设备搭载了波分复用技术，可以在一根光纤上实现多路信号传输，大大提高了通信效率，使得水电站调度通信更加及时、准确、稳定。（2）降低通信成本：设备使用的双电源光传输技术，可以通过一条光纤传输多路信号，节省了光纤的使用成本，降低了通信成本。（3）提高通信安全性：设备使用光传输技术，光纤通信不易被窃听、干扰，从而保证了通信的安全性。（4）提高工作效率：设备配备了大量的 RJ45 和RJ11 接口，可以将大量的单电源电话语音光端机和光电转换器进行替换，大大提高了工作效率。综上所述，该技术在水电站调度通信业务中的使用，可以提高通信效率、降低通信成本、提高通信安全性和工作效率，进而提升水电站的运营效率和服务质量，为电站带来积极的经济和社会效益7。参考文献：1王义军，王冰，周林虎.小水电调度自动化系统设计 J.电工技术，2002（11）：13-14.2周杰.恰甫其海水电站通信系统设计 J.水电站机电技术，2006（5）：46-48.3孙新德.国内外水电站优化调度研究综述 J.华中电力，1994（6）；25-28.4海森，丁丹凤，梁展.伊河水电网调度自动化系统建设探讨 J.水电与新能源，2011（5）：59-61.5尹智敦.通信光纤传输中波分复用技术的应用研究 J.数字通信世界，2022（12）：131-133.6杨松.用于计算机网的光纤时分复用系统 J.半导体光电，1991（1）：56-60.7代红波，刘涵.洪渡河流域远程集控通信系统设计 J.云南水力发电，2019，35（5）：152-154.