工业以太网交换机在智能变电站中的应用

伏少松工业以太网交换机在智能变电站中的应用智能变电站的概念是随着智能电网概念的提出而一并提出的，可以讲是智能电网的一个最重要、最关键的“终端”，承担为智能电网提供数据和控制对象的功能。采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。因此，智能变电站需要数字化的通信平台。基于IEC61850标准的变电站网络通信是最大的共同点。智能变电站概念数字化平台•通信网络；•二次设备；•工具软件。•功能：•取消长电缆连接，提高系统性能，同时消除事故隐患；•使用IEC61850标准，有利于设备之间的互操作。电子式互感器•有源式电子式互感器；•无源式电子式互感器。•功能：•解决传统互感器的固有缺陷；•节约绝缘和材料成本。智能一次设备•高压设备本体；•智能组件。•功能：•监视设备运行状态，消除事故隐患;•提高设备运行寿命，降低全生命周期成本；•实现智能操作。高级应用•全景数据反演；•一体化在线五防；•VQC；•程序化顺控功能；•网络记录分析；•分担主站负担。•功能：•提高电网智能化水平。智能变电站的主要组成智能变电站的通用以太网架构根据IEC61850标准，智能变电站具备典型的三层架构：站控层间隔层过程层由于实际工程的需要，以太网交换机往往置于站控层和过程层；而智能设备（IED）则严格的按照三层架构加以区分。MMS网：站控层和间隔层之间的网络一般传输制造报文规范（manufacturingmessagespecification，MMS）报文，为TCP单播报文。GOOSE网：过程层和间隔层之间的网络一般传输面向通用对象的变电站事件（genericobjectorientedsubstationevents，GOOSE）报文，为组播报文。SMV网：智能一次设备通过光PT、光CT进行模拟量采集并上送合并单元（MU），合并单元将同步后的模拟信号上送保护、测控等间隔层装置使用，通过传输采样测量值（samplemeasuredvalue，SMV）报文上送，为组播报文。时钟同步网：过程层与间隔层之间的基于IEEE1588标准的时钟同步网。过程层报文的种类星形拓扑结构最小延迟—从IED到IED之间只有三跳；全部连接到中心交换机通常成本高且不易实现；没有冗余—任一电缆/交换机的故障可能导致多个IED与站控级断开。站控层的交换机网络通常布置为双星型优点：布线容易缺点：成本高双网互备基本网络结构环形拓扑结构N+1网络冗余容错能力；采用RSTP自动组态；多环连接可以组成网格形拓扑结构。过程层的交换机网络方案：双星型（国内）环网（国外）：优点：出现故障时可在毫秒级内完成自愈切换缺点：实时性略显不足智能变电站系统中通信网络的组网方式MMS、GOOSE、SMV独立组网MMS独立组网，GOOSE、SMV共网采样值（SMV）、GOOSE、同步（1588）三网合一将提高系统可靠性GOOSE和采样值合网o带宽上具有可行性(稳定流量和突发性流量配合)o降低了成本o48点/周波供保护测控，200点/周波点对点供计量o9-2、48点/周波，16回达到80Mbit/s以太网时钟同步与采样网合一oIEEE1588v2，硬件参与，ns级对时，满足计量要求o提高了采样数据的可靠性过程层合网本方案以变压器保护为例，采用IEC61850-9-2采样信息、GOOSE信息、IEEE1588对时信息共网传输。间隔层与过程层合并单元遵循IEC61850-9-2标准，与过程层智能终端采用GOOSE通信协议。过程层网络按间隔配置独立的间隔交换机，各间隔通过主干网交换机组成过程层网络实现信息共享。三网合一配置方案由于三网合一技术的要求比较高，技术难度大，且欠缺有效的冗余手段，其可靠性受到一定的质疑和担忧。因此，基于IEC62439标准的PRP冗余技术得到广泛的关注。PRP（ParallelRedundancyProtocol）是IEC62439-3中定义的网络冗余协议，IEC62439已于2010年3月份正式颁布。IEC61850Ed2.0中明确引用IEC62439-3，作为其冗余协议。在基于PRP技术的变电站冗余网络中，每个PRP冗余节点（例如保护装置、合并单元）需两个网络端口并行运行。工作时，端口通过链路冗余体与网络层相连，其作为一个单独的网络接口软件管理处理以太网卡和上层网络协议的通信接口，如图所示。PRP并行冗余技术方案对于冗余管理，链路冗余体在发出的报文中追加一个冗余校验标签（RCT，RedundancyCheckTag），包括帧的序列号，用来发现重复。另外，链路冗余体周期性地发送PRP监视报文，并且分析其收到的监视报文来评估其他PRP节点的工作状态。节点中的两个以太网卡具有相同的MAC地址和IP地址，这使得冗余对于上层是透明的，上层程序无需为冗余做任何处理。PRP是基于第二层网络协议的网络拓扑结构，它不需要进行改动就可以正常使用网络管理，工程配置非常简单，同时支持第二层网络冗余，对变电站系统而言就是完全支持GOOSE和SMV数据通信。本方案中，网络的冗余切换是无缝的，它可以极大地提高网络通信系统的可用度，其应用前景备受关注。当然，由于每个网络节点（如保护装置）需要冗余网口，因此相比于一般的三网合一，交换机的数量将会增加，相应地网络投资会有所增加。智能变电站网络结构Ⅰ智能变电站网络结构Ⅱ智能变电站网络结构Ⅲ均不包含组网部分智能变电站系统对工业以太网交换机的要求网络系统是连接站内各种智能电子设备（IED）的纽带，是数字化变电站自动化系统的命脉。工业以太网交换机作为数字化变电站通信网络的重要设备，IEC61850-3对其提出了更严格的要求。在功能方面：(1)支持QoS服务质量和快速存储转发方式，以保证网络中重要的GOOSE报文得到实时传输；(2)支持VLAN实现网段隔离，保证重要数据实时、可靠传输并抑制网络广播风暴；(3)支持冗余网络拓扑结构，以提高网络的可靠性；(4)支持RSTP快速生成树协议，提高网络故障时的收敛速度，避免网络环回和抑制网络广播风暴等。在电磁兼容方面：要求能在强电磁干扰、电击、雷击等环境下正常工作。在环境温度方面：满足宽温范围，能在极端恶劣的温度条件下可靠运行。在机械结构方面：满足特定的防尘、防潮、防水要求；具备良好的散热条件；能承受强振动、大冲击的外力等。注：本部分内容主要来源于《智能变电站网络交换机技术规范》硬件上1.能够在强电磁干扰、静电放电情况实现报文传输零丢包。2.在低温（-40℃）及高温（70℃）情况下长期稳定工作。3.在全线速工作情况下报文传输零丢包。4.交换机固有传输延时应小于10μs。5.可灵活选配短距离或长距离的光收发器，适应不同的现场应用。6.采用模块化设置，满足不同应用场合对端口数量，接口方式的灵活配置7.针对过程层的应用应满足零报文丢失，即零丢包。软件上1.支持QoS（802.1p）报文优先级控制，至少提供4个优先级队列，具有严格优先级和权重优先级，可以保证关键通信报文如GOOSE的优先传送。2.支持灵活的VLAN配置，可按实际应用需求设置带VLAN标签报文的处理方式，包括VLAN标签的插入、修改或删除操作。3.支持将多个端口的报文镜像功能，满足数字化变电站通信录波的需求及网络故障分析。4.支持网络风暴抑制功能，可设定交换机广播报文、多播报文和寻址失败报文的转发速率上限。5.支持端口速率控制，可设定各端口的报文转发速率上限和突发速率上限。6.支持链接聚合功能，支持基于MAC地址的链接聚合。7.支持STP（802.1D）和RSTP（802.1w），在通信链路失效时快速切换到备份链路。8.支持Web、Telnet、CLI命令行方式管理。9.支持SNMPV1/V2c/V3简单网络管理协议。智能变电站工业以太网交换机应具有的功能硬件设计硬件部分主要由CPU模块和交换模块组成，如图所示：CPU芯片实现交换机的高级管理功能配置、远程管理以及对故障的诊断监测。SDRAM和FLASH实现交换机中程序和数据的存储管理。交换模块选用工业级、高速芯片，支持VLAN、QoS、Trunk、IGMPSnooping、STP/RSTP、Mirroring、SNMP等功能；提供4千兆的光/电接口，10/100M光/电接口和一个RS232管理口；采用存储转发、无阻塞全线速交换；具有－40℃～85℃宽温范围；等。为了提高硬件电路的质量采取了许多技术措施：印制电路板使用CAD技术；元器件的焊接大规模采用表面贴装生产工艺等。智能变电站工业以太网交换机设计软件设计关键技术1快速网络自愈实现交换机的动态环技术，采用专有快速算法确保网络自愈时间最小。环网中的交换机通过循环的发送一帧监测报文来保持彼此联系，一旦发生故障，环网中的交换机就能知晓，并立即开启备用通道。为了避免由于控制帧丢失造成自愈时间过长的情形出现，每个控制帧重复发送，最初的几个控制帧发送的时间间隔很短（至毫秒级），后面的控制帧则以秒级的间隔较慢地发送。采用这种机制很好地解决了快速切换和减轻网络负担之间的矛盾。当节点检测到链路从故障中恢复时，它将发送Link_up帧给主节点，主节点在收到Link_up帧后，并不是立刻阻塞其从端口，而是启动相应的定时器等待一段时间，以确定环上没有其他故障节点，当定时器到时而且没有收到来自于环上其他节点发送的link_down帧，就表示整个环状态完好，此时主节点才阻塞其从端口，并发送相应的Ring_up_flush_FDB帧通知环上其他节点网络拓扑的改变。软件设计关键技术2GOOSE报文实时性的实现报文传输时间=IED处理时间+网络延迟Type1ATrip快速报文要求总传输时间小于3msGOOSE的快速传输机制实时性问题的解决全线速交换机，100%可用带宽增加带宽—如果100Mbps不够，采用1000Mbps作为主干交换机必须支持GOOSE报文采用IEEE802.1p优先级采用IEEE802.1qVLAN隔离实时数据IGMPSnooping用于组播过滤和管理软件设计关键技术3实时报文优先级处理的实现IEEE802.1p优先级ClassofService（CoS）高优先级数据优先通过多个出口数据队列，较高优先级的数据可以先被发送对实时数据（如GOOSE），减少抖动和网络延迟与802.1q共享标签字节QoS有4个优先队列，执行严格、权重调度算法。严格优先级，先发送高优先级队列，后发送低优先级队列；权重优先级采用轮询调度算法，按照一定的权重发送4个队列的数据。智能变电站实时报文的优先级处理过程层网络站控层网络软件设计关键技术4组播限制的实现限制组播的方法配置静态组播地址表VLAN可以限制组播GMRP或IGMP可实现组播过滤MAC地址一般有OUI和NIC地址两部分组成第一个字节的最后一位如果是1即表示组播。IEC61850建议的取值范围服务开始地址（16进制）结束地址（16进制）GOOSE01-0C-CD-01-00-0001-0C-CD-01-01-FFGSSE01-0C-CD-02-00-0001-0C-CD-02-01-FFSMV01-0C-CD-04-00-0001-0C-CD-04-01-FF静态地址表是通用性最好的隔离组播的方法，但填写MAC地址是很繁琐事情，一般只在智能装置不支持VLAN时使用。静态组播地址表减少广播流量隔离带有关键实时数据的IEDs，这些设备不需要处理无关的数据包隔离产生大量数据输出的设备VLAN(802.1Q)VLAN（VirtualLocalAreaNetwork）可看作一个独立的以太网，与其它网络共用相同的硬件，允许不同位置的多个设备同时工作，就象在不同的局域网上一样每个VLAN作为一个独立的广播域IEEE802.1Q标准定义了“tagged”格式，允许多个VLAN在一个主干上传输VL