張文，韓悅，盧軍志，劉天祥，王龍飛，程克杰

（許繼電氣股份有限公司，河南許昌 461000）

電力專用交換機(jī)應(yīng)用于智能變電站的分析和驗(yàn)證

張文，韓悅，盧軍志，劉天祥，王龍飛，程克杰

（許繼電氣股份有限公司，河南許昌 461000）

繼電保護(hù)裝置應(yīng)不依賴對時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步采樣和跳閘，網(wǎng)絡(luò)采樣和跳閘因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)延時(shí)不確定而不能應(yīng)用于智能變電站工程，鑒于電力專用交換機(jī)能精確控制和計(jì)算駐留延時(shí)，故其可作為解決此難題的技術(shù)方向。在電力專用交換機(jī)應(yīng)用中，通過智能變電站合并單元（MU）固有延時(shí)和鏈路駐留總延時(shí)還原間隔采樣數(shù)據(jù)的發(fā)生時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)多間隔采樣同步，當(dāng)駐留延時(shí)超過5ms時(shí)，繼電保護(hù)裝置會(huì)進(jìn)行相關(guān)的閉鎖和報(bào)警?；诮M網(wǎng)測試系統(tǒng)，對延時(shí)補(bǔ)償、數(shù)據(jù)流量精確控制、保護(hù)裝置采樣同步處理等功能、性能和可靠性進(jìn)行了分析，提出了組網(wǎng)方案和關(guān)鍵技術(shù)要求。

智能變電站；網(wǎng)絡(luò)延時(shí)；延時(shí)補(bǔ)償；交換機(jī)

0 引言

智能變電站的發(fā)展已經(jīng)歷了數(shù)字化變電站、智能變電站和新一代智能變電站3個(gè)階段。智能變電站常用組網(wǎng)方案參見文獻(xiàn)［1-4］，新一代智能變電站相關(guān)規(guī)范和技術(shù)要求中，均要求“保護(hù)裝置應(yīng)滿足采樣值（SV）和面向通用對象的變電站事件（GOOSE）共口的應(yīng)用場合，采用直采直跳”，該種方式可以不依賴對時(shí)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，但是所有變電站?shù)據(jù)無法實(shí)現(xiàn)信息共享。當(dāng)過程層網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用電力專用交換機(jī)進(jìn)行SV和GOOSE的傳輸時(shí)，既能不依賴對時(shí)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，又能簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)所有變電站過程層數(shù)據(jù)的信息共享。

目前，智能變電站遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的“三層兩網(wǎng)”通信體系［5］，其中由過程層網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)傳輸智能開關(guān)相關(guān)的狀態(tài)量、控制量以及電子式互感器采集的模擬量。站控層網(wǎng)絡(luò)主要傳輸IEC 61850服務(wù)映射的制造報(bào)文規(guī)范（MMS）報(bào)文、網(wǎng)絡(luò)對時(shí)報(bào)文?！叭龑觾删W(wǎng)”已經(jīng)在實(shí)際工程中普遍應(yīng)用，本文重點(diǎn)對“三層兩網(wǎng)”模式下，過程層網(wǎng)絡(luò)使用電力專用交換機(jī)進(jìn)行SV和GOOSE共網(wǎng)傳輸?shù)目煽啃?、主要性能指?biāo)和各種異常進(jìn)行了應(yīng)用和測試分析。新一代智能變電站的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不支持組網(wǎng)模式，該技術(shù)的推廣應(yīng)用需要相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的支持，并對主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行明確說明。

1 采樣數(shù)據(jù)同步分析

1.1 數(shù)據(jù)隔離分析

智能變電站網(wǎng)絡(luò)報(bào)文大體可以分為單播、多播和廣播，單播報(bào)文包含有MMS，簡單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（SNTP）等，多播報(bào)文包含有SV，GOOSE，1588等，廣播報(bào)文主要是地址解析協(xié)議（ARP）?！叭龑觾删W(wǎng)”結(jié)構(gòu)中，過程層網(wǎng)絡(luò)中主要含有SV，GOOSE和1588等報(bào)文，工程應(yīng)用中，過程層網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常采用虛擬局域網(wǎng)（VLAN）、靜態(tài)組播和組播注冊協(xié)議（GMRP）進(jìn)行不同數(shù)據(jù)的分組和過濾［6］。進(jìn)行分組過濾后，可以將SV和GOOSE數(shù)據(jù)進(jìn)行對應(yīng)端口轉(zhuǎn)發(fā)和隔離，但由于交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和通信協(xié)議棧傳輸延時(shí)的不確定性，當(dāng)SV采樣數(shù)據(jù)的傳輸延時(shí)未在報(bào)文中進(jìn)行標(biāo)記時(shí)，保護(hù)裝置無法進(jìn)行精確的數(shù)據(jù)同步處理。

采用電力專用交換機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)后，交換機(jī)根據(jù)SV和GOOSE的以太網(wǎng)報(bào)文標(biāo)識進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析和隔離，再根據(jù)應(yīng)用標(biāo)志（APPID）和目標(biāo)介質(zhì)訪問控制（MAC）地址在應(yīng)用層進(jìn)行分組和隔離，保證數(shù)據(jù)僅向需要的端口轉(zhuǎn)發(fā)，從而進(jìn)行精確的延時(shí)控制和補(bǔ)償。通過交換機(jī)精確計(jì)算SV報(bào)文在交換機(jī)內(nèi)的駐留總延時(shí)并寫入SV報(bào)文內(nèi)，保護(hù)裝置利用MU固有延時(shí)和鏈路駐留總延時(shí)還原收到的多個(gè)間隔的采樣數(shù)據(jù)發(fā)生時(shí)刻，完成采樣值的同步處理。

1.2 延時(shí)標(biāo)記方式

設(shè)收到第1幀以太網(wǎng)幀第1個(gè)bit時(shí)的時(shí)標(biāo)為t1，發(fā)出第1幀以太網(wǎng)幀第1個(gè)bit時(shí)的時(shí)標(biāo)為t2，計(jì)算出的Δt＝t2-t1寫入SV報(bào)文中。對于延時(shí)標(biāo)記的信息在SV報(bào)文中的位置有2種做法。

方式1：Δt寫入SV報(bào)文的2個(gè)保留字段Reserved1，Reserved2［7］。

方式2：Δt寫入SV報(bào)文MU固有延時(shí)的品質(zhì)位。

采用這2種標(biāo)記方式時(shí)，都可以將MU固有延時(shí)和交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)分別進(jìn)行考核和測試，不會(huì)影響原有SV數(shù)據(jù)。對比2種標(biāo)記方式，當(dāng)采用方式1時(shí)，進(jìn)行標(biāo)記的位置固定，交換機(jī)可以快速實(shí)現(xiàn)報(bào)文解碼，不影響交換機(jī)的性能指標(biāo)，但是Reserved字段在IEC／TS 62351-7—2010［8］中已經(jīng)作為安全性字段使用，推廣應(yīng)用時(shí)會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生沖突。采用方式2進(jìn)行延時(shí)標(biāo)記時(shí)，交換機(jī)需要加載智能變電站中的變電站配置描述（SCD）文件，根據(jù)SCD文件中配置的每組SV發(fā)送信息識別固有延時(shí)的品質(zhì)位的位置，從而實(shí)現(xiàn)延時(shí)的準(zhǔn)確標(biāo)記，而又不影響交換機(jī)的性能。由于方式2不會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生沖突，交換機(jī)性能與采用方式1標(biāo)記時(shí)一樣，因此進(jìn)行應(yīng)用測試時(shí)，交換機(jī)和保護(hù)裝置都按方式2進(jìn)行測試和應(yīng)用。

2 交換機(jī)原理和關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電力專用交換機(jī)原理

電力專用交換機(jī)采用分組傳送網(wǎng)（PTN）技術(shù)，支持12路100 M和4路1 000 M光口，主要采用PWE3技術(shù)承載各種業(yè)務(wù)（如Ethernet，TDM，ATM，F(xiàn)R等），PWE3是一種在分組交換網(wǎng)絡(luò)（PSN-Packet Switch Network）上模擬各種端到端的二層業(yè)務(wù)機(jī)制，其工作原理如圖1所示，不同的業(yè)務(wù)由不同的偽線PW（Pseudo Wire）來承載，可以根據(jù)需要對每個(gè)PW進(jìn)行設(shè)置，如帶寬、服務(wù)質(zhì)量（QoS）、保護(hù)等，多個(gè)PW封裝到一個(gè)通道LSP（Label Switch Path）里面，并由其實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的端到端傳送。PW所承載的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對PTN網(wǎng)絡(luò)是不可見的，利用PWE3的目的是希望以盡量少的功能，按照給定業(yè)務(wù)的要求仿真線路。［9］

圖1 PWE3工作原理圖

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

電力專用交換機(jī)采用特殊的數(shù)據(jù)處理機(jī)制和專用技術(shù)，采用的關(guān)鍵技術(shù)包括虛專線、層次化的OAM、端到端的QoS等［10］。虛專線是一種端到端的二層以太網(wǎng)業(yè)務(wù)承載技術(shù)，屬于點(diǎn)對點(diǎn)方式的L2VPN，通過虛專線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，很容易解析網(wǎng)絡(luò)中每條報(bào)文的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文的種類以及流量，為其分配恰當(dāng)?shù)膸?，并指定?yōu)先級，不僅優(yōu)化了設(shè)備的資源管理，也提高了設(shè)備的信息傳輸效率以及網(wǎng)絡(luò)性能，詳細(xì)測試數(shù)據(jù)和性能指標(biāo)參見第3章節(jié)。交換機(jī)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)過程如圖2所示，交換芯片和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）協(xié)同完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與控制。交換機(jī)對智能變電站過程層數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，根據(jù)以太網(wǎng)類型碼找出SV報(bào)文（0x88BA），交換機(jī)級聯(lián)時(shí)該延時(shí)字段逐級累加。本文提及的新研制交換機(jī)所使用的FPGA的時(shí)間精度為8 ns，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行無延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)報(bào)文發(fā)送到交換機(jī)端口后，首先被FPGA捕獲，F(xiàn)PGA打上入口時(shí)間戳t1，填在SV第1個(gè)通道的Q字段中，然后進(jìn)行標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)，該幀SV在FPGA發(fā)送時(shí)打上時(shí)間戳t2，Δt填在相應(yīng)的字段中，并去除內(nèi)部封裝數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。

圖2 報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)過程

本文提及的新研制交換機(jī)所使用的FPGA的時(shí)間精度為8 ns，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行無延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)報(bào)文發(fā)送到交換機(jī)端口后，首先被FPGA捕獲，F(xiàn)PGA打上入口時(shí)間戳t1，填在SV第1個(gè)通道的Q字段中，然后進(jìn)行標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)，該幀SV在FPGA發(fā)送時(shí)打上時(shí)間戳t2，Δt填在相應(yīng)的字段中，并去除內(nèi)部封裝數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。

2.3 數(shù)據(jù)流量控制

交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)路由表根據(jù)全站SCD文件自動(dòng)生成，根據(jù)優(yōu)先級和VLAN對所有報(bào)文按實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)行SV和GOOSE數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和交換。交換機(jī)各個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)能夠保證與SCD文件配置的GOOSE和SV數(shù)據(jù)一致。自動(dòng)識別無效的GOOSE和SV信息，并進(jìn)行丟棄處理，僅對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)標(biāo)記和轉(zhuǎn)發(fā)，從而對網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行精確控制，保證有效數(shù)據(jù)更快速和高效地轉(zhuǎn)發(fā)處理，縮短交換機(jī)駐留時(shí)間，抑制無效數(shù)據(jù)，降低網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴下對正常網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

3 主要性能測試

電力專用交換機(jī)在智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，必須滿足過程層裝置和網(wǎng)絡(luò)的功能性能以及可靠性要求，因此，電力專用交換機(jī)的關(guān)鍵性能指標(biāo)應(yīng)包括以下幾點(diǎn)：（1）采用延時(shí)標(biāo)記精度；（2）電力專用交換機(jī)對保護(hù)裝置的影響；（3）雙網(wǎng)切換；（4）網(wǎng)絡(luò)壓力等。為了對上述關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行測試驗(yàn)證，依據(jù)相關(guān)國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)際智能站的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和要求，專門搭建了電力專用交換機(jī)典型測試環(huán)境。

按照該模型搭建的測試系統(tǒng)能真實(shí)模擬較大規(guī)模的500 kV智能變電站，特點(diǎn)如下。

（1）考慮到500 kV 3／2接線中各個(gè)串之間無數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，且500 kV母線保護(hù)需要采集的量值及需要跳開的斷路器沒有220 kV母線保護(hù)多，故網(wǎng)絡(luò)壓力及雪崩試驗(yàn)放在220 kV母線保護(hù)網(wǎng)絡(luò)上考核，220 kV側(cè)過程層網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境如圖3所示。

圖3 單網(wǎng)典型測試環(huán)境

（2）220 kV共有14條出線，考慮到增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，該模型上220 kV母線保護(hù)共接收24個(gè)元件的電流以及2組母線電壓。

3.1 交換機(jī)延時(shí)標(biāo)記精度測試

3.1.1單端口延時(shí)精度

合智一體裝置通過2個(gè)端口發(fā)送同樣的SV數(shù)據(jù)，一端口接入交換機(jī)，另一端口接入高精度網(wǎng)絡(luò)分析儀，網(wǎng)絡(luò)測試儀通過交換機(jī)某一端口分別施加1～100M背景SV數(shù)據(jù)流量，通過時(shí)標(biāo)精度能達(dá)到1 ns的高精度網(wǎng)絡(luò)分析儀測試交換機(jī)其他所有端口轉(zhuǎn)出SV數(shù)據(jù)的延時(shí)標(biāo)記精度。

測試過程中，分別在常溫和高低溫下對同一交換機(jī)、級聯(lián)交換機(jī)和千兆交換機(jī)的延時(shí)標(biāo)記精度均進(jìn)行詳細(xì)測試，88字節(jié)（2通道）、152字節(jié)（10通道）、232字節(jié)（20通道）、584字節(jié)（64通道）長度的SV，交換機(jī)駐留時(shí)間精度最大為400 ns；且在上述長度報(bào)文99%的網(wǎng)絡(luò)帶寬下，交換機(jī)駐留時(shí)間精度不大于400 ns，測試數(shù)據(jù)見表1。除了測試正常運(yùn)行過程中延時(shí)標(biāo)記精度，還對交換機(jī)斷電和上電過程中SV數(shù)據(jù)延時(shí)標(biāo)記的正確性進(jìn)行測試，解決了交換機(jī)剛上電時(shí)延時(shí)標(biāo)記不正確，導(dǎo)致保護(hù)裝置誤報(bào)警的問題。

表1 單級交換機(jī)時(shí)延精度

3.1.2多端口匯聚延時(shí)精度

如圖3所示，所有裝置接入同一個(gè)交換機(jī)，再施加80組GOOSE，測試匯聚到同一個(gè)端口轉(zhuǎn)出后的延時(shí)標(biāo)記精度和離散性。測試時(shí)，在啟用絕對優(yōu)先級模式下，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)最大值為300μs，交換機(jī)延時(shí)標(biāo)記精度最大為400 ns，與單端口延時(shí)標(biāo)記精度一致。3.1.3環(huán)境試驗(yàn)

根據(jù)Q／GDW 1845—2012《智能變電站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)技術(shù)規(guī)范》［11］的要求，在高低溫和電磁兼容環(huán)境下對交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和延時(shí)標(biāo)記精度等主要性能進(jìn)行了測試，交換機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)測試數(shù)據(jù)和主要性能指標(biāo)與正常環(huán)境下的性能指標(biāo)一致。

3.2 電力專用交換機(jī)對保護(hù)裝置性能的影響

采用電力專用交換機(jī)進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的傳輸過程中，每幀數(shù)據(jù)采樣延時(shí)均是可變的，保護(hù)裝置進(jìn)行采樣同步和數(shù)據(jù)調(diào)整時(shí)，需要實(shí)時(shí)解析SV報(bào)文中的延時(shí)標(biāo)記進(jìn)行數(shù)據(jù)的同步和重采樣，跳閘GOOSE和SV均是通過共網(wǎng)傳輸，需重點(diǎn)測試在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷下對保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的影響［12］。

母差保護(hù)跳閘，24個(gè)元件同時(shí)動(dòng)作，開關(guān)同時(shí)變位情況下，下行母線跳閘GOOSE的最大延時(shí)為178μs，為保證實(shí)時(shí)性，IEC 61850規(guī)定數(shù)據(jù)在過程總線上傳輸時(shí)應(yīng)具有可測算的確定延時(shí)以及在最壞情況下的延時(shí)極值，GOOSE報(bào)文（快速報(bào)文）和SV報(bào)文（原始數(shù)據(jù)報(bào)文）應(yīng)在3ms內(nèi)完成傳輸［12］。該測試條件下，實(shí)測的GOOSE跳閘命令的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)最大178μs（穿越4層交換機(jī)），滿足要求。

分別在網(wǎng)絡(luò)中施加正常的SV和GOOSE流量，模擬區(qū)內(nèi)故障，線路縱聯(lián)保護(hù)、母線和主變差動(dòng)保護(hù)以及站域保護(hù)裝置的整體動(dòng)作時(shí)間均小于30ms。采用組網(wǎng)模式進(jìn)行采樣時(shí)，由于轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的不確定性，保護(hù)裝置需要實(shí)時(shí)計(jì)算鏈路延時(shí)和數(shù)據(jù)的均勻性，因此組網(wǎng)模式相較于直采直跳模式，保護(hù)整體平均動(dòng)作時(shí)間會(huì)多出約3ms，仍滿足電力系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間數(shù)據(jù)見表2。

表2 保護(hù)動(dòng)作時(shí)間 ms

3.3 雪崩測試

智能變電站發(fā)生雪崩事故時(shí)，對過程層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)對突發(fā)數(shù)據(jù)的能力要求較高，過程層交換機(jī)的級聯(lián)端口轉(zhuǎn)發(fā)壓力最大，為此12端口交換機(jī)級聯(lián)端口可采用1000Mbit／s速率。國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求當(dāng)SV采用組網(wǎng)或與GOOSE共網(wǎng)的方式傳輸時(shí)，用于母線差動(dòng)保護(hù)或主變差動(dòng)保護(hù)的過程層交換機(jī)宜支持在任意1000M網(wǎng)口出現(xiàn)持續(xù)0.25ms（為80點(diǎn)采樣速率時(shí)的1個(gè)采樣周期）的2000M突發(fā)流量時(shí)不丟包［11］。

模擬網(wǎng)絡(luò)中23組SV、69組GOOSE同時(shí)變位，以雪崩時(shí)每個(gè)間隔的智能終端同時(shí)有3組（母差23個(gè)元件，合計(jì)69組）GOOSE變位為例，實(shí)際測試結(jié)果及分析見表3。

表3 雪崩試驗(yàn)情況下測試數(shù)據(jù)

在該突發(fā)流量下交換機(jī)不會(huì)出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象，依照廣東電網(wǎng)雪崩試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：每秒200個(gè)開關(guān)變位，持續(xù)5min，過程層網(wǎng)絡(luò)無丟失報(bào)文及錯(cuò)誤轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的現(xiàn)象，系統(tǒng)的同步性能正常。

模擬SV和GOOSE短時(shí)超過100M的數(shù)據(jù)流量時(shí)，保護(hù)裝置均能正確動(dòng)作和跳閘，只有長時(shí)間模擬SV和GOOSE超過100M數(shù)據(jù)流量后，保護(hù)裝置會(huì)出現(xiàn)無法正確動(dòng)作和跳閘，同時(shí)提示采樣異常的現(xiàn)象。通過裝置液晶面板可以實(shí)時(shí)瀏覽和查看到SV和GOOSE接收的狀態(tài)如圖4所示，在長時(shí)間模擬SV和GOOSE超過100M數(shù)據(jù)流量后，保護(hù)裝置經(jīng)電力專用交換機(jī)監(jiān)視到的雙網(wǎng)鏈路和同步狀態(tài)均正常，延時(shí)穩(wěn)定，未出現(xiàn)丟幀和數(shù)據(jù)抖動(dòng)現(xiàn)象。由于測試過程中，還曾經(jīng)模擬SV數(shù)據(jù)品質(zhì)無效，因此品質(zhì)無效原因?yàn)?。

圖4 SV實(shí)時(shí)監(jiān)視狀態(tài)

3.4 雙網(wǎng)功能測試

采用組網(wǎng)方式進(jìn)行采樣和跳閘方式時(shí)，為防止單一網(wǎng)絡(luò)異常導(dǎo)致保護(hù)功能受到影響，工程應(yīng)用一般按雙網(wǎng)冗余配置。在圖5所示試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行模擬測試時(shí)，也按照用于雙網(wǎng)搭建測試環(huán)境，搭建雙網(wǎng)測試時(shí)，雙網(wǎng)數(shù)據(jù)完全獨(dú)立，重點(diǎn)測試保護(hù)對雙網(wǎng)冗余和切換的正確性和可靠性。正常和異常網(wǎng)絡(luò)情況下進(jìn)行了如下模擬測試：（1）任一網(wǎng)絡(luò)中SV或GOOSE數(shù)據(jù)異常、無效或中斷；（2）任一網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)斷電上電；（3）任一網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)風(fēng)暴；（4）時(shí)鐘異常。

圖5 雙網(wǎng)應(yīng)用測試

進(jìn)行上述異常模擬測試時(shí)，保護(hù)和測控裝置采樣均應(yīng)正常，不應(yīng)出現(xiàn)誤動(dòng)作或誤報(bào)警，只有2個(gè)網(wǎng)絡(luò)均同時(shí)出現(xiàn)異常時(shí)，保護(hù)裝置才閉鎖保護(hù)，同時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示。

如測試過程中，由于保護(hù)裝置對雙網(wǎng)數(shù)據(jù)冗余處理存在缺陷，模擬某一網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的SV出現(xiàn)頻繁丟幀，另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)一直正常，保護(hù)裝置進(jìn)行雙網(wǎng)SV數(shù)據(jù)校驗(yàn)時(shí)，只要出現(xiàn)異常的網(wǎng)絡(luò)SV數(shù)據(jù)均勻性大于保護(hù)裝置重采樣延時(shí)判定門檻，就導(dǎo)致采樣異常、閉鎖保護(hù)，如圖6所示。修正雙網(wǎng)SV冗余處理邏輯，即雙網(wǎng)SV數(shù)據(jù)校驗(yàn)時(shí)，采用正常網(wǎng)絡(luò)的SV數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，只有雙網(wǎng)數(shù)據(jù)都超過延時(shí)判定門檻后才進(jìn)行異常數(shù)據(jù)處理。按修改后的邏輯進(jìn)行各種異常模擬，保護(hù)裝置采樣均正常，不會(huì)出現(xiàn)采樣異常和誤報(bào)警。

圖6 采樣數(shù)據(jù)異常波形

3.5 網(wǎng)絡(luò)壓力測試

對網(wǎng)絡(luò)中的訂閱和非訂閱的SV和GOOSE報(bào)文進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)壓力測試，在原有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的基礎(chǔ)上使用網(wǎng)絡(luò)測試儀對網(wǎng)口施加如下網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴報(bào)文（網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴情況下，不影響正常的SV數(shù)據(jù)的延時(shí)標(biāo)記精度）。

（1）施加非訂閱GOOSE，SV，ARP和PTP等類型的報(bào)文，注入100%流量進(jìn)行測試，交換機(jī)可以將非訂閱報(bào)文正確過濾，模擬區(qū)內(nèi)故障及與各訂閱GOOSE控制塊報(bào)文相關(guān)的故障，保護(hù)均能正確動(dòng)作，并正確上送后臺。

（2）施加單個(gè)或多個(gè)訂閱GOOSE報(bào)文（StNum不變，SqNum不變），注入1%～100%流量進(jìn)行測試，模擬區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)能正確動(dòng)作，并正確上送后臺。

（3）模擬網(wǎng)絡(luò)中組播報(bào)文增加和減少，交換機(jī)路由表發(fā)生變化后交換機(jī)對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的正確性。

（4）模擬單端口收發(fā)超過100M數(shù)據(jù)流量后，交換機(jī)對有效數(shù)據(jù)和高優(yōu)先級數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、保護(hù)裝置對異常數(shù)據(jù)處理的正確性。實(shí)際測試過程中，交換機(jī)能按照正常的設(shè)置進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，保護(hù)裝置能夠給出報(bào)警提示，不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作。

4 應(yīng)用案例

新一代智能變電站建設(shè)中，已經(jīng)采用保護(hù)裝置進(jìn)行直采直跳，其他的測控、網(wǎng)絡(luò)分析、錄波和站控層MMS數(shù)據(jù)等均通過共網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)。在該種組網(wǎng)模式下，將交換機(jī)更換成電力專用交換機(jī)后（如圖7所示，圖中GIS為氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備），可以精簡過程層直連部分的光纖連線，實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的共網(wǎng)和共享，同時(shí)又不依賴外部對時(shí)。

在該種組網(wǎng)方式下，精簡了二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保護(hù)、測控、錄波等二次設(shè)備進(jìn)行SV采樣時(shí)，僅需1根光纖接入，根據(jù)合智一體裝置（合并單元、智能終端合并）的采樣延時(shí)和交換機(jī)標(biāo)注的延時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的同步采樣。對于跨間隔保護(hù)，如母線和站域保護(hù)，可以使用千兆網(wǎng)口進(jìn)行數(shù)據(jù)接入，千兆數(shù)據(jù)接入在智能變電站中已經(jīng)得到推廣應(yīng)用。目前、配合測試的母線保護(hù)還不支持千兆口接入，需研發(fā)支持千兆口數(shù)據(jù)的母線保護(hù)，采用電力專用交換機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)后，為廣域保護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。

圖7 GOOSE和SV共網(wǎng)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

采用電力專用交換機(jī)后，在精簡網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，解決了SV組網(wǎng)模式下依賴外部對時(shí)的問題，既保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，又可以?shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的共享，經(jīng)過測試和應(yīng)用分析，能滿足電力系統(tǒng)對繼電保護(hù)的要求，可以進(jìn)行推廣應(yīng)用。本文重點(diǎn)從“三層兩網(wǎng)”組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的過程層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了應(yīng)用和測試的分析，測試了電力專用交換機(jī)的最大標(biāo)記精度為400 ns，經(jīng)過測試驗(yàn)證完全滿足繼電保護(hù)的性能要求，由于目前無相關(guān)的應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)要求，本文中的測試方法、試驗(yàn)數(shù)據(jù)對以后的工程應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)制定具有參考意義，可以為以后新一代智能邊站建設(shè)提供設(shè)計(jì)參考。交換機(jī)作為重要的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)單元，必須保證在電磁兼容和復(fù)雜工況下延時(shí)標(biāo)記精度和傳輸速度的穩(wěn)定性和可靠性，因此可以在智能變電站中進(jìn)行試點(diǎn)，待技術(shù)成熟后進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

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（本文責(zé)編：白銀雷）

TN 916.43

：B

：1674-1951（2015）06-0013-05

張文（1984—），男，安徽阜陽人，工程師，從事繼電保護(hù)及自動(dòng)化產(chǎn)品的測試技術(shù)、測試方法的研究和科研產(chǎn)品的研發(fā)測試工作（E-mail：electricwen＠163.com）。

2015-01-27；

2015-04-28

韓悅（1986—），女，河南周口人，助理工程師，從事電力系統(tǒng)通信及變電站自動(dòng)化產(chǎn)品開發(fā)與測試方面的工作（E-mail：1379215791＠qq.com）。

盧軍志（1987—），男，吉林伊通人，助理工程師，從事電力系統(tǒng)通信及變電站自動(dòng)化產(chǎn)品開發(fā)與測試方面的工作（E-mail：270513271＠qq.com）