楊 貴， 高紅亮， 彭 安， 張喜銘， 李 莉， 潘 磊

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2. 中國(guó)南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510663)

智能變電站過程層交換機(jī)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

楊 貴1， 高紅亮2， 彭 安1， 張喜銘2， 李 莉1， 潘 磊1

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2. 中國(guó)南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510663)

從智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)傳輸報(bào)文的特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)交換機(jī)的傳輸帶寬、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)、強(qiáng)電磁干擾下的零丟包、采樣同步、流量控制、配置管理等方面進(jìn)行需求分析，提出了一種適用于智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的整體研制方案，并對(duì)交換機(jī)的測(cè)試情況和試點(diǎn)運(yùn)行情況進(jìn)行了分析介紹。

過程層；交換機(jī)；延時(shí)累加；離線配置；流量控制

0 引言

目前，智能變電站中的繼電保護(hù)普遍采用“直采直跳”方式[1]，即保護(hù)裝置與合并單元采用點(diǎn)到點(diǎn)的方式，這種方式較為可靠，但接線較復(fù)雜且信息不能共享，存在智能電子設(shè)備(IED)光口數(shù)量多導(dǎo)致發(fā)熱量大等問題。智能變電站要求全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息平臺(tái)共享化。因此，采用網(wǎng)絡(luò)傳輸方式實(shí)現(xiàn)智能變電站過程層組網(wǎng)是發(fā)展的必然趨勢(shì)[2]。

現(xiàn)有智能變電站采用兩層網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)，即過程層網(wǎng)絡(luò)和站控層網(wǎng)絡(luò)。過程層網(wǎng)絡(luò)連接間隔層設(shè)備和過程層設(shè)備，站控層網(wǎng)絡(luò)連接站控層設(shè)備和間隔層設(shè)備。繼電保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)化，即“網(wǎng)采網(wǎng)跳”，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的共享，簡(jiǎn)化光纖接線，提高調(diào)試效率，節(jié)約建設(shè)成本[3]。但要實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的網(wǎng)采網(wǎng)跳，對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、采樣同步可靠性、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延確定性、通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置管理方便性等方面提出新的要求。因此研制符合智能變電站過程層應(yīng)用的交換機(jī)，適應(yīng)智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求十分必要。

1 智能變電站的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前，國(guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)分別進(jìn)行了智能變電站的網(wǎng)絡(luò)化三層兩網(wǎng)[4]、三網(wǎng)合一[5]的試點(diǎn)建設(shè)。在三層兩網(wǎng)情況下，過程層網(wǎng)絡(luò)逐步由原來的面向通用對(duì)象的變電站事件(GOOSE)、取樣值(SV)分別組網(wǎng)[6]，向GOOSE、SV共網(wǎng)傳輸方向發(fā)展；三網(wǎng)合一實(shí)現(xiàn)了GOOSE、SV和制造報(bào)文規(guī)范(MMS)報(bào)文的共網(wǎng)傳輸，大大節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的投入。

但是網(wǎng)絡(luò)化在推廣過程中發(fā)現(xiàn)如下問題尚待解決：

(1) 未統(tǒng)一建模。由于交換機(jī)在IEC 61850規(guī)范中未進(jìn)行建模工作，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)交換機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的有效監(jiān)管[7]。

(2) 配置工作量大。由于GOOSE、SV為組播傳輸報(bào)文，過程層網(wǎng)絡(luò)為了實(shí)現(xiàn)GOOSE、SV報(bào)文的傳輸路徑管理，防止網(wǎng)絡(luò)報(bào)文發(fā)送到不需要的IED設(shè)備中，需要進(jìn)行虛擬局域網(wǎng)(VLAN)、靜態(tài)組播等配置工作[8]，該工作由于缺乏IEC 61850建模和離線配置工具，必須通過手工方式進(jìn)行逐臺(tái)配置，配置工作量大且易反復(fù)。

(3) 傳輸可靠性難以保證。過程層網(wǎng)絡(luò)的每路GOOSE、SV報(bào)文均采用組播的方式進(jìn)行傳輸，目前采用VLAN或靜態(tài)組播的方式進(jìn)行報(bào)文傳輸管理[9]，該方式無法解決單路GOOSE或SV發(fā)生風(fēng)暴時(shí)過程層網(wǎng)絡(luò)整體受到影響的問題。

(4) 采樣同步。為了滿足繼電保護(hù)裝置采樣同步的要求，目前智能變電站采用B碼對(duì)時(shí)或精準(zhǔn)時(shí)間協(xié)議(PTP)對(duì)時(shí)等方式實(shí)現(xiàn)采樣同步[10]，但當(dāng)外部時(shí)鐘源出現(xiàn)異常而導(dǎo)致假同步等異常現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，無法保證繼電保護(hù)高可靠性要求[11]。

2 智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析

過程層網(wǎng)絡(luò)傳輸SV、GOOSE報(bào)文類型均為二層組播報(bào)文，為了合理規(guī)劃智能變電站網(wǎng)絡(luò)需要了解各種報(bào)文的特點(diǎn)。當(dāng)采用網(wǎng)絡(luò)PTP對(duì)時(shí)模式時(shí)，PTP報(bào)文同樣采用二層組播報(bào)文方式進(jìn)行傳輸。

2.1 SV報(bào)文分析

SV報(bào)文為合并單元發(fā)送給保護(hù)、測(cè)控等裝置的原始采樣電壓電流信息值，每個(gè)周波采樣點(diǎn)數(shù)為80點(diǎn)，毎幀SV報(bào)文長(zhǎng)度一般在200字節(jié)左右，SV流量計(jì)算公式為：200 byte×8 bit×4000幀=6.4 Mbps。因此，每路SV報(bào)文流量大概在5～10 Mbps之間[12]。

采用組網(wǎng)方式傳輸SV報(bào)文情況下，由于交換機(jī)間存在級(jí)聯(lián)，而通過級(jí)聯(lián)端口的SV報(bào)文同樣存在擁塞現(xiàn)象[13]。目前為了有效的解決交換機(jī)間級(jí)聯(lián)的帶寬問題，普遍采用千兆光纖端口。

在正常組網(wǎng)情況下，線路保護(hù)僅接收一路SV報(bào)文，而母差保護(hù)需要同時(shí)接收多路SV報(bào)文，在母差保護(hù)的SV輸入光纖端口上，存在SV報(bào)文擁塞情況。這種情況下無法通過增加端口速率來減小擁塞帶來的延時(shí)，因此，無法達(dá)到或者逼近直采直跳方式的延時(shí)要求，必須通過一定的方式來解決傳輸延時(shí)不確定問題。

2.2 GOOSE報(bào)文分析

GOOSE報(bào)文主要用來傳輸狀態(tài)變位信息或控制命令等信息。平時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上的報(bào)文流量很小，基本可以忽略，但是發(fā)生故障時(shí)將出現(xiàn)短暫的流量突增，最大總流量可達(dá)到30 Mbps的突發(fā)流量，每路GOOSE報(bào)文流量小于2 Mbps。突發(fā)GOOSE報(bào)文的流量計(jì)算公式為：報(bào)文長(zhǎng)度×8 bit×5幀，當(dāng)GOOSE報(bào)文長(zhǎng)度為1.5 kbyte時(shí)突發(fā)流量為0.6 Mbps，突發(fā)流量為GOOSE報(bào)文本身，沒有時(shí)序的要求，因此，對(duì)組網(wǎng)帶來的延時(shí)抖動(dòng)并不敏感。為了確保GOOSE突發(fā)時(shí)報(bào)文能夠有效傳輸?shù)浇邮斩?，需要確保網(wǎng)絡(luò)具有足夠的帶寬能夠傳輸報(bào)文而不產(chǎn)生報(bào)文丟失。

為了確保GOOSE報(bào)文突發(fā)流量的可靠傳輸，在組網(wǎng)時(shí)應(yīng)保證網(wǎng)絡(luò)預(yù)留足夠的帶寬來確保突發(fā)時(shí)的流量要求。

2.3 PTP報(bào)文分析

PTP報(bào)文包括發(fā)布報(bào)文(announce)、同步報(bào)文(sync)、同步跟隨報(bào)文(sync followup)、對(duì)等延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文(pdelay request)、對(duì)等延時(shí)應(yīng)答報(bào)文(pdelay reply)等幾種報(bào)文。按照GBT 25931—2010精確網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議要求，以上報(bào)文的發(fā)送間隔均為1 s。其中announce報(bào)文用于通知網(wǎng)絡(luò)設(shè)備當(dāng)前的主時(shí)鐘信息，為主時(shí)鐘定時(shí)發(fā)送的組播報(bào)文，在網(wǎng)絡(luò)上全網(wǎng)發(fā)送；sync報(bào)文和sync followup報(bào)文由主時(shí)鐘定時(shí)發(fā)送，用于為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供精確的時(shí)間，在網(wǎng)絡(luò)上全網(wǎng)發(fā)送；pdelay request、pdelay reply報(bào)文在互聯(lián)的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口上進(jìn)行鏈路延時(shí)測(cè)量，僅出現(xiàn)在互聯(lián)的兩個(gè)端口上，不進(jìn)行全網(wǎng)廣播。從以上分析來看PTP報(bào)文不具備突發(fā)機(jī)制，均采用定時(shí)發(fā)送機(jī)制，不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶來沖擊。

3 智能變電站過程層對(duì)交換機(jī)需求

3.1 基本需求

3.1.1 電源

智能變電站中一般采用直流電源，交換機(jī)需要適應(yīng)智能變電站的電源供電方式。由于在智能變電站中一臺(tái)交換機(jī)要連接多個(gè)間隔，其電源故障將導(dǎo)致多個(gè)間隔的網(wǎng)絡(luò)中斷，所以交換機(jī)需要提供雙電源，雙電源熱備用方式同時(shí)工作，從而保證任何一路電源掉電時(shí)交換機(jī)不間斷地正常運(yùn)行。

3.1.2 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延

在繼電保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸模式下，跳閘保護(hù)信號(hào)通過電纜傳送，基本不存在延時(shí)。在采用網(wǎng)絡(luò)傳輸模式下，GOOSE、SV報(bào)文均通過過程層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)直接影響GOOSE、SV報(bào)文的傳輸時(shí)間，從而導(dǎo)致跳閘命令和采樣值接收時(shí)間受到影響，最終使得保護(hù)動(dòng)作時(shí)間受到影響。因此，網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間應(yīng)越短越好，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)應(yīng)小于10 μs，以滿足過程層報(bào)文傳輸需求。

3.1.3 溫度范圍

智能變電站交換機(jī)一般安裝于小室或箱變中，通常都有空調(diào)來調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，正常情況下不需要交換機(jī)具有寬溫的工作范圍。但是，交換機(jī)作為過程層網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，其可靠性直接影響保護(hù)動(dòng)作的可靠性，因此，必須考慮空調(diào)失效等極端情況下的交換機(jī)運(yùn)行可靠性。交換機(jī)在高溫下運(yùn)行時(shí)，其相關(guān)元器件的老化速度加快，將嚴(yán)重影響其性能和使用壽命，需采用適當(dāng)?shù)臒o風(fēng)扇自冷散熱技術(shù)，使得交換機(jī)能夠在-40～+85 ℃的溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期可靠的工作。

3.1.4 吞吐量

智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)化后，過程層網(wǎng)絡(luò)上傳輸報(bào)文的字節(jié)長(zhǎng)度各有不同。例如跳閘GOOSE報(bào)文、SV報(bào)文等，交換機(jī)需要對(duì)任何字節(jié)長(zhǎng)度的報(bào)文的吞吐量都能達(dá)到100%。有些交換技術(shù)對(duì)某一字節(jié)長(zhǎng)度的報(bào)文的吞吐量達(dá)不到100%,會(huì)導(dǎo)致該長(zhǎng)度的報(bào)文的傳輸可靠性下降，影響變電站的正常運(yùn)行。

3.1.5 強(qiáng)電磁干擾下的零丟包技術(shù)

電力系統(tǒng),特別是變電站,在正常和異常運(yùn)行狀況下都會(huì)產(chǎn)生和遭受各種電磁干擾。例如高壓電氣設(shè)備的操作，低壓交直流回路內(nèi)電氣設(shè)備的操作,短路故障等產(chǎn)生的瞬變過程,電氣設(shè)備周圍的靜電場(chǎng)和磁場(chǎng)、雷電、電磁波輻射，人體與物體的靜電放電等。這些電磁干擾會(huì)對(duì)交換機(jī)的通信數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文中某些字節(jié)出錯(cuò)，使得鏈路層的FCS(幀校驗(yàn)序列)校驗(yàn)出錯(cuò)，從而丟失整幀報(bào)文。報(bào)文的丟失會(huì)導(dǎo)致模擬量采樣出錯(cuò)、開關(guān)量丟失、跳閘延時(shí)，嚴(yán)重影響變電站的可靠安全運(yùn)行。在強(qiáng)電磁干擾的情況下交換機(jī)必需實(shí)現(xiàn)零丟包技術(shù)，以滿足過程層網(wǎng)絡(luò)化的需求[14]。

3.1.6 流量分類控制

在智能變電站之中，本間隔的保護(hù)測(cè)控裝置往往只關(guān)心本間隔的數(shù)據(jù)，例如線路保護(hù)裝置，交換機(jī)采用VLAN技術(shù)或者靜態(tài)組播、動(dòng)態(tài)組播管理協(xié)議(GMRP)等技術(shù)，將不同間隔的數(shù)據(jù)進(jìn)行隔離十分必要。另外交換機(jī)也需要支持優(yōu)先級(jí)技術(shù)，保證重要數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

3.2 研制需求

3.2.1 交換機(jī)建模

對(duì)于通信設(shè)備普遍采用簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP協(xié)議)進(jìn)行監(jiān)控管理[15]，在智能變電站中則統(tǒng)一采用IEC 61850模型進(jìn)行監(jiān)管。在智能變電站中采用IEC 61850對(duì)交換機(jī)進(jìn)行監(jiān)視相比于采用傳統(tǒng)的SNMP協(xié)議具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1) 保證全站通信協(xié)議的統(tǒng)一性，符合智能變電站的設(shè)計(jì)理念。如果應(yīng)用SNMP協(xié)議，將導(dǎo)致智能變電站監(jiān)控網(wǎng)內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)兩種通信協(xié)議、兩套監(jiān)控系統(tǒng)，不符合“一個(gè)世界，一種技術(shù)，一種標(biāo)準(zhǔn)”的理念。

(2) 可以方便地在后臺(tái)機(jī)上對(duì)交換機(jī)、保護(hù)、測(cè)控等設(shè)備同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，符合電力系統(tǒng)操作習(xí)慣，方便用戶使用。如果應(yīng)用SNMP協(xié)議，需要設(shè)立單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)安全與監(jiān)管(NSM)服務(wù)器作為監(jiān)控設(shè)備，增大投資，且用戶需要同時(shí)監(jiān)控兩套系統(tǒng)，不便于使用。

(3) 可以通過變電站配置描述(SCD)工具[16]實(shí)現(xiàn)對(duì)全站的IED設(shè)備(包括交換機(jī))進(jìn)行統(tǒng)一配置管理，實(shí)現(xiàn)源端統(tǒng)一配置，有效解決目前過程層交換機(jī)配置工作量大、易反復(fù)的問題。

3.2.2 SCD離線配置

智能變電站SCD中已有GOOSE、SV報(bào)文的訂閱關(guān)系信息[17]，但是由于交換機(jī)未進(jìn)行IEC 61850建模，無法用于生成交換機(jī)配置，導(dǎo)致目前智能變電站交換機(jī)重復(fù)配置、配置難度大、正確性難以保證，在交換機(jī)建模的基礎(chǔ)上通過SCD離線配置工具可有效解決該問題。

利用智能變電站GOOSE/SV訂閱關(guān)系和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，通過SCD工具生成交換機(jī)配置文件，實(shí)現(xiàn)交換機(jī)的源端統(tǒng)一配置。交換機(jī)的配置文件用符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站配置描述語(yǔ)言(SCL)描述變電站中過程層網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)系。SCD離線工具解析SCD文件中IED設(shè)備的訂閱關(guān)系，生成交換機(jī)的配置文件，配置文件中應(yīng)包括VLAN或靜態(tài)組播配置，下裝到交換機(jī)完成配置，并歸檔，如圖1所示。

圖1 交換機(jī)離線配置Fig.1 Switches offline configuration

3.2.3 流量精確控制

智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)中不同報(bào)文控制塊的GOOSE/SV報(bào)文在相同的網(wǎng)絡(luò)上傳輸，不可避免地存在不同路GOOSE/SV之間的報(bào)文干擾問題，當(dāng)某路報(bào)文發(fā)生風(fēng)暴等情況時(shí)，必然導(dǎo)致過程層網(wǎng)絡(luò)正常報(bào)文傳輸發(fā)生擁塞、丟包等異常情況。

為了提升GOOSE、SV報(bào)文傳輸可靠性，避免一路GOOSE或SV報(bào)文故障導(dǎo)致整個(gè)過程層網(wǎng)絡(luò)異常的情況發(fā)生，提出了針對(duì)每路GOOSE和SV報(bào)文分別進(jìn)行流量控制的技術(shù)，確保發(fā)生風(fēng)暴的GOOSE、SV報(bào)文僅占用網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的一小部分，其他網(wǎng)絡(luò)帶寬仍然能夠正常傳輸GOOSE、SV報(bào)文，有效解決過程層網(wǎng)絡(luò)報(bào)文相互干擾問題。

3.2.4 傳輸延時(shí)測(cè)量

目前智能變電站繼電保護(hù)采用網(wǎng)采模式最大的障礙在于采樣報(bào)文在交換機(jī)內(nèi)的傳輸延時(shí)是不確定的，所以跨間隔保護(hù)需依賴于外部時(shí)鐘，以保證采樣數(shù)據(jù)的同步性，當(dāng)失去外部時(shí)鐘或外部時(shí)鐘出現(xiàn)故障時(shí)，跨間隔保護(hù)將退出運(yùn)行。

通過交換機(jī)報(bào)告?zhèn)鬏斞訒r(shí)的方法可以徹底解決這個(gè)問題，即精確計(jì)算報(bào)文在交換機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)ΔT并寫入SV報(bào)文內(nèi)，多個(gè)交換機(jī)級(jí)聯(lián)情況下可以累積報(bào)文傳輸延時(shí)。如圖2所示，延時(shí)可測(cè)交換機(jī)的時(shí)標(biāo)測(cè)量精度不低于100 ns，完全可以滿足各種保護(hù)的應(yīng)用需求。

圖2 傳輸延時(shí)測(cè)量示意圖Fig. 2 Delay measurement schematic diagram

保護(hù)裝置依賴本地時(shí)間基準(zhǔn)，利用MU(合并單元)額定延時(shí)和鏈路傳輸總延時(shí)ΔT還原收到的各間隔MU的采樣時(shí)刻(相對(duì)直采方式，只是增加了ΔT的補(bǔ)償)，完成采樣值的差值同步處理，其原理基本等效直采模式，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)采方式不再依賴同步時(shí)鐘，即：

保護(hù)裝置時(shí)間基準(zhǔn)上的合并單元采樣時(shí)刻為 MU采樣數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)標(biāo) -MU額定延時(shí)-鏈路傳輸總延時(shí)ΔT。

為了確保延時(shí)值的正確性，每臺(tái)交換機(jī)均對(duì)延時(shí)值的有效性進(jìn)行判別，當(dāng)延時(shí)值異常時(shí)置無效標(biāo)志，接收設(shè)備判別標(biāo)志位狀態(tài)，無效狀態(tài)的報(bào)文將被丟棄處理。

通過上述方法完成合并單元采樣時(shí)刻處理后，保護(hù)裝置針對(duì)MU采樣數(shù)據(jù)的處理方式完全等同于直采模式，對(duì)等效的合并單元采樣時(shí)刻進(jìn)行合理性校驗(yàn)：當(dāng)時(shí)標(biāo)抖動(dòng)時(shí)間超過10 μs，裝置將報(bào)“間隔幀通道抖動(dòng)異?！?，同時(shí)置該合并單元數(shù)據(jù)無效，閉鎖相關(guān)的保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)正確性的校驗(yàn)。當(dāng)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)錯(cuò)誤時(shí)，保護(hù)裝置感受到的MU發(fā)送時(shí)標(biāo)將出現(xiàn)抖動(dòng)，通過快速閉鎖保護(hù)可以避免可能因此產(chǎn)生的保護(hù)誤動(dòng)。

數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)刻打時(shí)標(biāo)技術(shù)在保護(hù)直采方式下已經(jīng)廣泛使用，所以交換機(jī)延時(shí)可測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)門檻并不高?；诮粨Q機(jī)延時(shí)可測(cè)的方案原理簡(jiǎn)單可靠，保護(hù)程序改動(dòng)很小。

4 交換機(jī)的整體方案

4.1 型號(hào)設(shè)計(jì)

智能變電站中一般采用星型網(wǎng)，主控室配置千兆中心交換機(jī)，繼電保護(hù)小室配置百兆交換機(jī)，千兆中心交換機(jī)和百兆交換機(jī)之間通過光纖相連。千兆中心交換機(jī)位于星型網(wǎng)根部，數(shù)據(jù)交換量大，交換速率要求高，百兆交換機(jī)負(fù)責(zé)本小室的數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)量較小。因此交換機(jī)系列考慮兩種類別：千兆中心交換機(jī)，位于星型網(wǎng)的中心位置，速率為1000 M，負(fù)責(zé)接入站控層設(shè)備和百兆交換機(jī)的組網(wǎng)；百兆交換機(jī)，位于星型網(wǎng)外圍節(jié)點(diǎn)位置，速率為100 M，通過1000 M級(jí)聯(lián)端口連接主交換機(jī)。文中將詳細(xì)介紹千兆中心交換機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Smart substation process layer network diagram

4.2 硬件方案

交換機(jī)的硬件架構(gòu)由CPU管理模塊、數(shù)據(jù)交換模塊、延時(shí)累加模塊、物理接口模塊、電源模塊和復(fù)位模塊及其他一些外圍電路構(gòu)成。基本框架如圖4所示。

圖4 硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.4 Hardware design block diagram

4.2.1 CPU管理模塊

CPU管理部分是管理型以太網(wǎng)交換機(jī)不可缺少的部分。CPU通過數(shù)據(jù)交換模塊的匯流排(PCIe)或串行外設(shè)接口(SPI)完成對(duì)數(shù)據(jù)交換模塊的初始化配置和后續(xù)管理。存儲(chǔ)芯片采用64 MB存儲(chǔ)空間的并行閃存(NAND flash)和2 MB的串行閃存(NOR flash)構(gòu)成。雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DDR)由多片DDR芯片并行工作構(gòu)成32 bit的數(shù)據(jù)寬度。使用CPU芯片自帶的網(wǎng)口和通用異步收發(fā)傳輸器(UART)串口構(gòu)成交換機(jī)的CONSOLE維護(hù)口。實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)模塊與CPU之間通過I2C總線進(jìn)行通信，為交換機(jī)提供時(shí)間信息。

CPU：CPU具有高速的處理速度并提供了豐富的外圍接口，提供32位的DDR存儲(chǔ)器控制器、PCIe接口、I2C接口、介質(zhì)無關(guān)接口(MII)、外部擴(kuò)展總線接口、SPI接口、通用輸入/輸出(GPIO)等。

存儲(chǔ)：CPU管理部分包含3種存儲(chǔ)芯片：DDR、NOR flash和NAND flash。DDR為系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)存，flash芯片存放固化的軟件系統(tǒng)和Boot啟動(dòng)系統(tǒng)。其中，NOR flash存放系統(tǒng)的引導(dǎo)代碼，系統(tǒng)從這里啟動(dòng)；NAND flash存放系統(tǒng)的主程序，同時(shí)存放系統(tǒng)配置文件、日志文件等。

CONSOLE(調(diào)試端口)：CPU芯片集成了MII接口和UART接口，UART接口通過外接串口芯片實(shí)現(xiàn)RS232接口，為交換機(jī)通過串口管理端口，MII接口通過外接物理接口模塊實(shí)現(xiàn)交換機(jī)的帶外管理網(wǎng)口。

RTC：RTC通過I2C總線方式與CPU進(jìn)行通信，為交換機(jī)提供時(shí)間值，用于事件記錄，信息上送打時(shí)標(biāo)等。

4.2.2 數(shù)據(jù)交換模塊

數(shù)據(jù)交換模塊是構(gòu)成交換機(jī)的核心器件，報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)、轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則、VLAN、靜態(tài)組播、鏡像、優(yōu)先級(jí)、端口管理等等功能均由該模塊實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)交換模塊為了達(dá)到全部端口線速轉(zhuǎn)發(fā)的要求，全部采用硬件電路實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)交換模塊與CPU管理模塊配合實(shí)現(xiàn)快速生成樹協(xié)議(RSTP)、GMRP、VLAN注冊(cè)協(xié)議(GVRP)、互聯(lián)網(wǎng)組播協(xié)議規(guī)則(IGMP Snooping)、鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議(LLDP)、端口安全等等高級(jí)功能。數(shù)據(jù)交換模塊的性能直接影響到交換機(jī)性能，選型時(shí)必須特別注意。

4.2.3 延時(shí)累加模塊

為了精確測(cè)量報(bào)文經(jīng)過交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間，硬件設(shè)計(jì)時(shí)在物理接口模塊和數(shù)據(jù)交換模塊之間加入了延時(shí)累加模塊，該模塊用于實(shí)時(shí)記錄每幀報(bào)文的端口輸入時(shí)間和端口輸出時(shí)間，并將轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間在SV報(bào)文傳輸過程中直接插入到SV報(bào)文的特定字段中，該特定字段可以選擇報(bào)文的reserver(保留)字段等實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)交換機(jī)傳輸時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)量。當(dāng)SV報(bào)文經(jīng)過多級(jí)交換機(jī)時(shí)，傳輸延時(shí)可累加記錄。

4.2.4 物理接口模塊

用于實(shí)現(xiàn)交換機(jī)內(nèi)部的數(shù)字信號(hào)到物理鏈路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換，同時(shí)用于實(shí)現(xiàn)RJ45電口和Fiber光口，百兆/千兆口。

4.2.5 電源模塊

為交換機(jī)提供供電電源，實(shí)現(xiàn)外部220 VDC/AC電源向內(nèi)部芯片和電路使用的5 V，3.3 V，2.5 V，1.8 V等電壓的轉(zhuǎn)換，同時(shí)，提供電壓監(jiān)視電路，方便電壓檢測(cè)管理。

4.2.6 復(fù)位模塊

為交換機(jī)提供內(nèi)部電路復(fù)位電路，確保交換機(jī)在冷啟動(dòng)、軟件復(fù)位、硬件復(fù)位等情況下實(shí)現(xiàn)交換機(jī)的復(fù)位功能。

4.3 軟件方案

4.3.1 軟件架構(gòu)

該交換機(jī)的軟件整體結(jié)構(gòu)分為操作系統(tǒng)、SAL(系統(tǒng)抽象層)、API(交換模塊的操作接口層)、基本功能模塊、高級(jí)功能模塊、配置管理模塊、日志告警模塊等幾部分，如圖5所示。

圖5 軟件架構(gòu)Fig.5 Software architecture diagram

4.3.2 操作系統(tǒng)和SAL及API模塊

綜合考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性、高效性和可擴(kuò)展性等因素，交換機(jī)的操作系統(tǒng)采用了Linux。

SAL為系統(tǒng)抽象層，提供通用的系統(tǒng)函數(shù)封裝接口，使得上層的應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)無關(guān)，確保程序具有良好的可移植性，為今后CPU或操作系統(tǒng)升級(jí)提供了良好的可擴(kuò)展性。

Switch API層封裝了應(yīng)用功能對(duì)交換模塊的操作，包括修改端口屬性、讀寫交換芯片各寄存器等，為上層應(yīng)用提供了簡(jiǎn)明清晰的操作手段。增加API層使得上層應(yīng)用程序獨(dú)立于交換芯片存在，便于上層應(yīng)用程序的改進(jìn)和移植，提高了本方案的可擴(kuò)展性，也便于在今后開發(fā)同類產(chǎn)品時(shí)應(yīng)用模塊和代碼復(fù)用。

4.3.3 配置管理模塊

該模塊負(fù)責(zé)所有參數(shù)的顯示、配置，可以通過Web、telnet、命令行接口(CLI)對(duì)交換機(jī)進(jìn)行訪問和維護(hù)，以滿足在不同場(chǎng)合和條件下用戶對(duì)交換機(jī)配置和管理的需要。

4.3.4 基本功能模塊

該模塊主要包括對(duì)端口模式、屬性的控制管理等。通過改變SWITCH和物理接口模塊上相關(guān)寄存器的內(nèi)容設(shè)置端口的各項(xiàng)屬性，以適應(yīng)應(yīng)用需求。

該模塊接收來自配置管理模塊的功能控制命令，對(duì)物理接口模塊和數(shù)據(jù)交換模塊的工作模式做設(shè)置。同時(shí)該模塊與日志告警模塊接口，對(duì)常規(guī)配置操作和系統(tǒng)運(yùn)行異常等情況進(jìn)行記錄。

該模塊內(nèi)部各子模塊之間為平行關(guān)系，獨(dú)立運(yùn)行，可分為以下模塊。

(1) PHY模式控制：控制PHY工作模式，包括端口的工作速率、全雙工/半雙工模式、自動(dòng)協(xié)商模式控制和網(wǎng)線自動(dòng)交叉識(shí)別等。

(2) 端口屬性控制：控制端口屬性，包括端口使能，網(wǎng)絡(luò)報(bào)文控制等。

(3) 端口鏡像設(shè)置：用于將某一個(gè)或幾個(gè)端口上的所有流量復(fù)制到另外一個(gè)或幾個(gè)端口上，用于偵測(cè)或調(diào)試。

(4) 端口聚合設(shè)置(trunk)：用于將多個(gè)端口聚合成一個(gè)數(shù)據(jù)通道，該通道被視作單個(gè)邏輯連接，以便擴(kuò)展交換機(jī)級(jí)聯(lián)帶寬或增加級(jí)聯(lián)冗余度。

(5) 端口速率限制：控制每個(gè)端口輸入、輸出流量速率，可同時(shí)對(duì)端口速率和端口瞬時(shí)風(fēng)暴進(jìn)行設(shè)置。

(6) 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴抑制：用于抑制廣播、多播或未知單播的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

(7) 802.1q VLAN：用于實(shí)現(xiàn)虛擬局域網(wǎng)功能，將交換機(jī)劃分為多個(gè)虛擬交換機(jī)。

(8) 802.1p 優(yōu)先級(jí)：控制報(bào)文在交換機(jī)中的發(fā)送順序，支持嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)和權(quán)重優(yōu)先級(jí)兩種模式，高優(yōu)先級(jí)報(bào)文具有優(yōu)先發(fā)送的權(quán)利。

(9) 靜態(tài)組播：在交換機(jī)上設(shè)置指定組播地址報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

4.3.5 高級(jí)應(yīng)用模塊

該模塊提供管理型交換機(jī)的各項(xiàng)高級(jí)應(yīng)用功能，包括流量遠(yuǎn)程監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)、對(duì)時(shí)/組播報(bào)文管理、IEC 61850建模、SCD離線配置、流量精確控制、延時(shí)累加等。

該模塊接收來自配置管理模塊的功能控制命令，設(shè)置物理接口模塊和數(shù)據(jù)交換模塊的工作模式。同時(shí)該模塊與日志告警模塊接口，對(duì)常規(guī)配置操作和各項(xiàng)高級(jí)功能在運(yùn)行過程中的異常情況或重要事件進(jìn)行記錄。

該模塊內(nèi)部各模塊為平行關(guān)系，獨(dú)立運(yùn)行，可以獨(dú)立打開和關(guān)閉，為用戶提供了靈活的應(yīng)用方式，如圖5所示。

(1) IEC 61850建模：該模塊實(shí)現(xiàn)了MMS通信機(jī)制，通過IEC 61850通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)交換機(jī)的監(jiān)管，解決了交換機(jī)無法納入到61850體系的問題，實(shí)現(xiàn)了全站的統(tǒng)一監(jiān)管。IEC 61850模型應(yīng)包括交換機(jī)的物理端口狀態(tài)、端口統(tǒng)計(jì)信息、裝置主板的溫度、電壓等監(jiān)視信息、光口監(jiān)視信息(包括溫度、收發(fā)光功率等)，滿足交換機(jī)的監(jiān)視需求。

(2) SCD離線配置：將交換機(jī)的模型納入到SCD中進(jìn)行統(tǒng)一配置管理，在SCD中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)溥B接和虛鏈路的訂閱關(guān)系連接，從SCD中導(dǎo)出每臺(tái)交換機(jī)的配置文件，通過工具下裝到交換機(jī)中實(shí)現(xiàn)交換機(jī)的同源配置，SCD導(dǎo)出的交換機(jī)配置僅限于過程層組播MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)表等密切相關(guān)的部分。

(3) 流量控制：通過對(duì)每個(gè)組播MAC地址的流量進(jìn)行配置，限制每個(gè)組播MAC地址的最大數(shù)據(jù)流量，實(shí)現(xiàn)報(bào)文間的有效隔離，解決了報(bào)文傳輸可靠性問題。

(4) 延時(shí)累加：通過對(duì)每幀SV報(bào)文進(jìn)行交換機(jī)傳輸延時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量值實(shí)時(shí)插入到SV報(bào)文的保留字段的方式，解決保護(hù)功能依賴外部時(shí)鐘問題，提升繼電保護(hù)功能的可靠性。

(5) SNMP和RMON(遠(yuǎn)程監(jiān)視)：該模塊可以通過響應(yīng)管理站查詢提供整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?、交換機(jī)端口各項(xiàng)流量統(tǒng)計(jì)指標(biāo)、端口狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；通過預(yù)設(shè)條件產(chǎn)生的告警和日志，可以主動(dòng)上送trap信息。該項(xiàng)功能為智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控和分析提供了豐富的數(shù)據(jù)來源，在智能變電站內(nèi)有著廣闊的應(yīng)用前景，并且目前已經(jīng)在示范站中開始采用，使得用戶可以在后臺(tái)機(jī)(管理站)實(shí)時(shí)了解站內(nèi)各交換機(jī)的工作情況和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

(6) GMRP和GVRP：GMRP 是一種基于以太網(wǎng)鏈路幀的自動(dòng)多播配置方案, 由于VLAN 和多播管理信息未能在IEC 61850模型文件中進(jìn)行規(guī)范表達(dá),為了解決此問題,建議通過GMRP或者GVRP實(shí)現(xiàn)IED 和交換機(jī)的互動(dòng), 由裝置告訴交換機(jī)多播報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)范圍，達(dá)到動(dòng)態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)流量的目的，省去了配置靜態(tài)VLAN的繁瑣，并且可以動(dòng)態(tài)應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變。

(7) PTP對(duì)時(shí)：交換機(jī)作為PTP的TC時(shí)鐘工作，為保護(hù)等IED設(shè)備提供高精度的對(duì)時(shí)信息，每級(jí)交換機(jī)的對(duì)時(shí)精度應(yīng)不低于200 ns。

(8) SNTP(簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議)：通過SNTP客戶端模塊訪問時(shí)鐘源以便同步內(nèi)部時(shí)鐘。

5 實(shí)驗(yàn)及測(cè)試

智能變電站過程層交換機(jī)研制成功后，經(jīng)過了嚴(yán)格的驗(yàn)收測(cè)試、仿真測(cè)試等廠內(nèi)測(cè)試，并通過了國(guó)家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司的A類測(cè)試認(rèn)證，各項(xiàng)過程層定制功能和常規(guī)功能性能優(yōu)越。延時(shí)累加精度優(yōu)于100 ns，組播流量控制精度優(yōu)于0.1%,組播地址表容量達(dá)到512 K條目，PTP對(duì)時(shí)精度優(yōu)于50 ns。

6 試點(diǎn)及運(yùn)行

廣州知識(shí)城變電站是廣州第一座220 kV智能變電站，該站終期規(guī)模為4臺(tái)主變，6回220 kV出線，一次設(shè)備全部為室內(nèi)GIS(空氣絕緣開關(guān))，20 kV出線64回，全部帶光纖差動(dòng)保護(hù)。該站是國(guó)內(nèi)首座20 kV“花瓣型”配電網(wǎng)的主供電源變電站。全站所有保護(hù)、綜合自動(dòng)化、智能終端、合并單元、區(qū)域穩(wěn)控系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)綜合處理單元全部采用了國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品。其中過程層網(wǎng)絡(luò)中心千兆光口交換機(jī)采用PCS-9882GD，百兆交換機(jī)采用PCS-9882SD，其過程層組網(wǎng)如圖6所示。

圖6 過程層組網(wǎng)示意圖Fig.6 Software architecture diagram

該站交換機(jī)采用SCD離線配置方式實(shí)現(xiàn)同源配置，有效降低了配置難度，提升配置可靠性;同時(shí)采用了延時(shí)累計(jì)技術(shù)提升繼電保護(hù)可靠性；采用流量控制技術(shù)，對(duì)每路GOOSE報(bào)文限制流量為2 Mbps，對(duì)每路SV報(bào)文限制流量為15 Mbps，極大提升過程層網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性。

以上技術(shù)的采用實(shí)現(xiàn)了智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備IEC 6850建模；提升了智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)和繼電保護(hù)的可靠性；解決了交換機(jī)配置工作量大和保護(hù)采樣依賴外部時(shí)鐘等問題；同時(shí)通過流量控制管理等技術(shù)解決網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性問題。目前該站正式投入運(yùn)行。

7 結(jié)語(yǔ)

交換機(jī)作為智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備，其電源的可靠性、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)性能、強(qiáng)電磁干擾下的零丟包能力、-40～+85 ℃溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行能力是其必須達(dá)到的關(guān)鍵指標(biāo)。為了滿足過程層網(wǎng)絡(luò)對(duì)交換機(jī)的特殊需求，定制開發(fā)了IEC 61850建模、SCD離線配置、流量控制、延時(shí)累加等功能。目前智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)逐步展開，但是由于定制開發(fā)功能推廣時(shí)間較短，尚需加大推廣應(yīng)用力度，通過新技術(shù)的推廣來提升智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)的整體水平。

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(編輯方 晶)

Design and Implementation of Smart Substation Process Layer Switch

YANG Gui1, GAO Hongliang2, PENG An1, ZHANG Ximing2, LI Li1, PAN Lei1

(1. Nanjing NARI-relays Electric Co., Ltd.， Nanjing，211102，China;2. Power Dispatching and Control Center of China Southern Power Grid, Guangzhou, 510663, China )

Based on the smart substation process layer according to the characteristics of the network transmission message, this paper analyzes the requirements of the switch’s transmission bandwidth, storage and forwarding delay, zero loss packet under the strong electromagnetic interference, sampling synchronization, flow control, configuration management and so on. A method is presented for the smart substation process layer network switches the overall development scheme, and the switch test and pilot operation were introduced and analyzed.

process layer;switch; delay accumulation; offline configuration; flow control

楊 貴

2017-04-29；

2017-05-28

中國(guó)南方電網(wǎng)公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目-(-Z-D-K-J-Q-Q-00000016)

TM769；TP393

：A

：2096-3203(2017)05-0128-08

楊 貴(1976—)，男，吉林通化人，碩士，高級(jí)工程師，從事通信技術(shù)、傳輸技術(shù)、時(shí)間同步技術(shù)和變電站自動(dòng)化系統(tǒng)研究工作(E-mail：yangg@nrec.com)；

高紅亮(1982—)，男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化研究工作(E-mail：gaohl@csg.cn)；

彭 安(1983—)，男，湖南汨羅人，碩士，助理工程師，從事配電自動(dòng)化系統(tǒng)、變電站自動(dòng)化系統(tǒng)研究工作(E-mail：Penga@nrec.com)；

張喜銘(1980—)，男，吉林九臺(tái)人，碩士，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化研究工作(E-mail：zhangxm@csg.cn)；

李 莉(1985—)，女，陜西省西安人，碩士，工程師，從事變電站自動(dòng)化通信研究工作(E-mail：Lili1@nrec.com)；

潘 磊(1989—)，男，河南洛陽(yáng)人，碩士，工程師，從事智能變電站通信研究工作(E-mail：Panlei2@nrec.com)。