楊 貴 王文龍 熊慕文 劉明慧

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

1 引言

隨著智能化變電站在國內(nèi)的廣泛興建，由傳統(tǒng)保護(hù)、測控通過電纜采集一次設(shè)備開關(guān)量、電壓、電流等信號(hào)的變電站模型正向保護(hù)、測控通過光纖通信方式采集一次設(shè)備開關(guān)量、電壓、電流等信號(hào)的智能變電站模式轉(zhuǎn)換。一般認(rèn)為智能變電站的系統(tǒng)架構(gòu)分為站控層、間隔層和過程層三層[1]，站控層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)一般傳輸制造報(bào)文規(guī)范[2]（manufacturing message specification，MMS）報(bào)文，簡稱MMS網(wǎng)。站控層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)一般傳輸面向通用對(duì)象的變電站事件[3]（generic object oriented substation events，GOOSE）報(bào)文，簡稱GOOSE網(wǎng)。智能一次設(shè)備通過光PT、光CT進(jìn)行模擬量采集并上送合并單元，合并單元將同步后的模擬信號(hào)上送保護(hù)、測控等間隔層裝置使用，通過傳輸采樣測量值[3]（sample measured value，SMV）報(bào)文上送，簡稱SMV網(wǎng)。GOOSE報(bào)文和SMV報(bào)文均采用組播方式傳播，GOOSE報(bào)文主要傳輸開關(guān)量信息，SMV報(bào)文傳輸采樣值信息。

2 智能變電站網(wǎng)絡(luò)

2.1 交換機(jī)流量統(tǒng)計(jì)

在智能變電站中MMS網(wǎng)一般采用雙星型網(wǎng)或雙環(huán)形網(wǎng)，GOOSE網(wǎng)和SMV網(wǎng)一般采用雙星型網(wǎng)[4]。目前主要有兩種組網(wǎng)方式：MMS、GOOSE及SMV單獨(dú)組網(wǎng)方式（圖1），MMS單獨(dú)組網(wǎng)、GOOSE和SMV共網(wǎng)方式[5]。智能變電站在站控層和間隔層之間采用MMS報(bào)文進(jìn)行信息傳輸，MMS報(bào)文采用TCP單播進(jìn)行信息傳輸，從而決定了MMS網(wǎng)中的廣播報(bào)文一般只有地址解析協(xié)議（Address Resolution Protocol，ARP）報(bào)文，其他均為TCP單播報(bào)文。GOOSE報(bào)文和SMV報(bào)文均為組播報(bào)文，對(duì)于沒有劃分VLAN的情況下，組播報(bào)文將在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播。

圖1 MM S、GOOSE、SM V獨(dú)立組網(wǎng)

圖2 MM S獨(dú)立組網(wǎng)，GOOSE、SM V共網(wǎng)

我們針對(duì)一個(gè)具有50臺(tái)測控裝置、100臺(tái)保護(hù)裝置，兩臺(tái)后臺(tái)機(jī)和一臺(tái)遠(yuǎn)動(dòng)裝置的智能變電站來統(tǒng)計(jì)一下全站報(bào)文流量，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖2。每臺(tái)保護(hù)、測控裝置需要同時(shí)連接兩臺(tái)后臺(tái)機(jī)和一臺(tái)遠(yuǎn)動(dòng)裝置，那么每臺(tái)后臺(tái)機(jī)和遠(yuǎn)動(dòng)裝置需要連接150臺(tái)裝置，采用GOOSE網(wǎng)和SMV共網(wǎng)方式組網(wǎng)，正常情況下每臺(tái)裝置與每個(gè)后臺(tái)或遠(yuǎn)動(dòng)裝置通信的MMS流量為20kbit/s。那么，可以統(tǒng)計(jì)每臺(tái)后臺(tái)機(jī)的報(bào)文流量大概為3Mbit/s。通過級(jí)聯(lián)端口的報(bào)文流量大概為9Mbit/s（避免GOOSE報(bào)文流量的重復(fù)統(tǒng)計(jì)）。

對(duì)于GOOSE和SMV共網(wǎng)，我們假設(shè)每個(gè)合并單元的數(shù)據(jù)流量為6Mbit/s，GOOSE報(bào)文流量為10kbit/s，網(wǎng)絡(luò)采用3級(jí)級(jí)聯(lián)情況。當(dāng)不采用VLAN劃分方式進(jìn)行報(bào)文隔離情況下，在不考慮報(bào)文延時(shí)情況下網(wǎng)絡(luò)最多可接入合并單元個(gè)數(shù)為100/6≤17臺(tái)，因此在SMV網(wǎng)中必須對(duì)不同間隔的SMV報(bào)文進(jìn)行隔離，并盡量保證接收的保護(hù)和測控裝置同對(duì)應(yīng)的合并單元連接到相同的交換機(jī)上。但是對(duì)于母差保護(hù)、主變保護(hù)等特殊裝置需要同時(shí)接收多個(gè)電壓等級(jí)或間隔的合并單元信號(hào)。必須通過交換機(jī)級(jí)聯(lián)才能采集到所有需要的合并單元信號(hào)，這時(shí)將導(dǎo)致級(jí)聯(lián)端口的報(bào)文流量達(dá)到或接近百兆的滿流量。GOOSE報(bào)文流量相對(duì)于SMV的報(bào)文流量較小，但是要求在全站所有保護(hù)和測控裝置中進(jìn)行傳輸，因此，GOOSE報(bào)文的傳輸延時(shí)將受到SMV報(bào)文的影響而變大。

2.2 交換機(jī)延時(shí)計(jì)算

對(duì)于MMS網(wǎng)一般報(bào)文流量不大，同時(shí)對(duì)通道傳輸延時(shí)要求不高。所以，這里我們主要討論GOOSE報(bào)文和SMV報(bào)文傳輸?shù)那闆r。下面以南瑞繼保公司PCS系列交換機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算。考慮3級(jí)級(jí)聯(lián)（圖3），采用具有24個(gè)百兆光口PCS9882交換機(jī)。對(duì)比用千兆光口交換機(jī)采用PCS9881的技術(shù)參數(shù)。當(dāng)每臺(tái)交換機(jī)的其他端口同時(shí)向一個(gè)端口發(fā)報(bào)文時(shí)，將導(dǎo)致輸出隊(duì)列的最后一幀報(bào)文具有最大延時(shí)（圖4），當(dāng)級(jí)聯(lián)的每臺(tái)交換機(jī)均同時(shí)發(fā)生擁塞時(shí)，就產(chǎn)生了報(bào)文的最大網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。交換機(jī)固有延時(shí)：PCS9882B百兆光口固有延時(shí)＜4us，PCS9881A千兆光口固有延時(shí)＜1μs。

圖3 SM V三級(jí)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

圖4 交換機(jī)內(nèi)部擁塞圖

百兆交換機(jī)的報(bào)文最大延時(shí)計(jì)算公式如下：

Tmd=（每字節(jié)傳輸時(shí)間×最大報(bào)文長度×交換機(jī)端口數(shù)+交換機(jī)固有延時(shí)）×最大級(jí)聯(lián)次數(shù)。

無阻塞情況下的計(jì)算公式如下：

Tad=（每字節(jié)傳輸時(shí)間×平均報(bào)文長度+交換機(jī)固有延時(shí)）×最大級(jí)聯(lián)次數(shù)。

千兆交換機(jī)的報(bào)文最大延時(shí)計(jì)算公式如下：

無阻塞情況下的計(jì)算公式如下：

從傳輸延時(shí)來看，千兆交換機(jī)具有更小的報(bào)文傳輸，在無阻塞情況下，百兆交換機(jī)傳輸延時(shí)為千兆交換機(jī)傳輸延時(shí)的7倍左右。當(dāng)發(fā)生阻塞時(shí)，百兆交換機(jī)的傳輸延時(shí)增加為千兆交換機(jī)傳輸延時(shí)的10倍左右。過程層的傳輸延時(shí)將直接影響到保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，在過程層采用千兆交換機(jī)將具有更加優(yōu)秀的抗阻塞能力，因此千兆交換機(jī)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用將成為智能電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。

3 目前智能變電站交換機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

智能變電站目前采用的交換機(jī)主要為100Mbps工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，端口數(shù)量一般為16或24的管理型交換機(jī)。由于MMS網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)流量較小，MMS對(duì)傳輸延時(shí)要求不高，而GOOSE報(bào)文雖然對(duì)延時(shí)有要求，但是可以通過提高報(bào)文優(yōu)先級(jí)方式解決，這里不再考慮。SMV網(wǎng)報(bào)文量很大，一般每個(gè)端口流量為6Mbit/s左右，同時(shí)接收多個(gè)合并單元數(shù)據(jù)時(shí)，端口流量將更高，對(duì)于需要傳輸所有報(bào)文的級(jí)聯(lián)端口來說，報(bào)文可能達(dá)到或接近滿限速。而采用百兆交換機(jī)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)傳輸幾十臺(tái)合并單元信息將無法滿足帶寬、傳輸延時(shí)要求，在這種情況下，必須采用特殊限制來滿足智能電網(wǎng)建設(shè)的實(shí)際應(yīng)用。目前主要采用以下幾種方法：

（1）盡量將保護(hù)、測控裝置與對(duì)應(yīng)的合并單元通過同一臺(tái)交換機(jī)接入SMV網(wǎng)絡(luò)。

（2）通過劃分VLAN的方式或GMRP及IGMP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的方式限制各個(gè)端口無用的報(bào)文流量。

（3）通過具有千兆端口的交換機(jī)組網(wǎng)，采用千兆端口作為級(jí)聯(lián)端口使用，增加各個(gè)交換機(jī)之間報(bào)文傳輸?shù)膸挕?/p>

（4）通過減少交換機(jī)級(jí)聯(lián)次數(shù)來減少各個(gè)交換機(jī)間傳輸報(bào)文的流量及傳輸延時(shí)。一般要求級(jí)聯(lián)次數(shù)少于3級(jí)。

（5）通過802.1P的Qos服務(wù)來減少敏感報(bào)文（如GOOSE報(bào)文）的傳輸延時(shí)。

在目前的智能電網(wǎng)的建設(shè)中，一般均采用了以上方法中的一個(gè)或多個(gè)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)報(bào)文流量的優(yōu)化。采用以上方法雖然能夠緩解傳輸帶寬、延時(shí)等要求，但是并不能從根本上解決問題。而且導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和裝置安裝位置受限；采用千兆級(jí)聯(lián)端口有可能出現(xiàn)百兆端口帶寬不夠，網(wǎng)絡(luò)問題分析困難等新的一系列問題。

千兆交換機(jī)具有帶寬大，延時(shí)小的特點(diǎn)，從1.2節(jié)計(jì)算可以得到結(jié)論：百兆交換機(jī)3次級(jí)聯(lián)的延時(shí)相當(dāng)于千兆交換機(jī)級(jí)聯(lián)30次的延時(shí)，因此在采用千兆交換機(jī)組網(wǎng)時(shí)級(jí)聯(lián)次數(shù)將不受限制，可以對(duì)SMV網(wǎng)絡(luò)采用更加可靠的雙環(huán)網(wǎng)方式。千兆交換機(jī)的帶寬允許網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)接入166臺(tái)合并單元而不會(huì)出現(xiàn)超過傳輸帶寬問題，同時(shí)通過對(duì)裝置組播地址的管理可以方便的實(shí)現(xiàn)組播的有效過濾，而不會(huì)出現(xiàn)裝置接收過多的報(bào)文無法處理問題，這將從根本上解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)和帶寬問題。

4 千兆交換機(jī)技術(shù)要求

針對(duì)智能變電站的應(yīng)用，千兆交換機(jī)在硬件上應(yīng)具有如下功能：

（1）能夠在強(qiáng)電磁干擾、靜電放電情況實(shí)現(xiàn)報(bào)文傳輸零丟包。

（2）在低溫（-40℃）及高溫（70℃）情況下長期穩(wěn)定工作[6]。

（3）在全線速工作情況下報(bào)文傳輸零丟包。

（4）交換機(jī)固有傳輸延時(shí)應(yīng)小于10μs。

（5）可靈活選配短距離或長距離的光收發(fā)器，適應(yīng)不同的現(xiàn)場應(yīng)用。

（6）采用模塊化設(shè)置，滿足不同應(yīng)用場合對(duì)端口數(shù)量，接口方式的靈活配置

（7）針對(duì)過程層的應(yīng)用應(yīng)滿足零報(bào)文丟失，即零丟包。

千兆交換機(jī)在軟件上應(yīng)具有如下功能：

（1）支持QoS（802.1p）報(bào)文優(yōu)先級(jí)控制，至少提供4個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，具有嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)和權(quán)重優(yōu)先級(jí)，可以保證關(guān)鍵通信報(bào)文如GOOSE的優(yōu)先傳送。

（2）支持靈活的VLAN配置[7]，可按實(shí)際應(yīng)用需求設(shè)置帶VLAN標(biāo)簽報(bào)文的處理方式，包括VLAN標(biāo)簽的插入、修改或刪除操作。

（3）支持將多個(gè)端口的報(bào)文鏡像功能，滿足數(shù)字化變電站通信錄波的需求及網(wǎng)絡(luò)故障分析。

（4）支持網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴抑制功能，可設(shè)定交換機(jī)廣播報(bào)文、多播報(bào)文和尋址失敗報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)速率上限。

（5）支持端口速率控制，可設(shè)定各端口的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)速率上限和突發(fā)速率上限。

（6）支持鏈接聚合功能，支持基于MAC地址的鏈接聚合。

（7）支持STP（802.1D）和RSTP（802.1w），在通信鏈路失效時(shí)快速切換到備份鏈路。

（8）支持Web、Telnet、CLI命令行方式管理。

（9）支持SNMP V1/V 2c/V3簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議。

5 千兆交換機(jī)在應(yīng)用中的阻力

目前智能變電站中裝置采用的均是百兆網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行通信，個(gè)別站采用千兆端口進(jìn)行級(jí)聯(lián)。在過程層的交換機(jī)主要采用百兆光纖接口實(shí)現(xiàn)合并單元與保護(hù)、測控裝置的互聯(lián)，采用光纖接口主要考慮到強(qiáng)電磁干擾對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性基本沒有影響，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的零報(bào)文丟失。但是，由于百兆端口本身的傳輸速率限制，不可避免的為網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文帶來了很大的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，由于傳輸帶寬原因限制了接入裝置的數(shù)量，為智能變電站的建設(shè)帶來了瓶頸。千兆交換機(jī)很好的解決了這兩個(gè)問題，本身的千兆速率使得交換機(jī)的傳輸延時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于百兆交換機(jī)，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以打破3級(jí)級(jí)聯(lián)的限制。千兆的傳輸帶寬允許網(wǎng)絡(luò)接入足夠的合并單元后不需要進(jìn)行任何流量限制處理既能正常工作。

雖然千兆交換機(jī)有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是不可避免的存在一定的缺點(diǎn)：

（1）配套的光纖模塊、sw itch芯片級(jí)PHY芯片相對(duì)百兆交換機(jī)較貴

（2）目前智能變電站裝置均為百兆端口[5]，不便于千兆交換機(jī)的推廣應(yīng)用

（3）目前針對(duì)智能變電站過程層的千兆交換機(jī)品種較少，各個(gè)廠家均以百兆交換機(jī)為主推產(chǎn)品。

6 結(jié)論

本文從智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及自身特點(diǎn)出發(fā)，通過分析智能電網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)流量、計(jì)算千兆交換機(jī)與百兆交換機(jī)的傳輸速率及網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，逐步顯示出千兆交換機(jī)的優(yōu)勢。在未來的應(yīng)用中，千兆交換機(jī)將有逐步取代智能電網(wǎng)中百兆交換機(jī)的發(fā)展趨勢。目前百兆交換機(jī)在應(yīng)用中雖然存在一定的問題，但是仍然可以通過VLAN劃分等方式滿足智能電網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用需求，并且百兆端口裝置是目前市場的主流，建議在今后的智能變電站應(yīng)用中采用千兆交換機(jī)對(duì)過程層組網(wǎng)。

[1] 譚文恕.變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)協(xié)議IEC61850介紹[J].電網(wǎng)技術(shù),2001,25(9):8-11.

[2] ISO 9506,Manufacturing Message Specification[Z]. 1990.

[3] Communication networks and systems in substations. 2005

[4] 王文龍,陳韶偉,徐廣輝,陸巍巍,楊貴.數(shù)字化變電站中MMS網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)共網(wǎng)方案探討[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(2):22-25.

[5] 孫一民,李延新,黎強(qiáng).分階段實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站系統(tǒng)的工程方案[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2007,31(5):90-93.

[6] 林明宇.數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中以太網(wǎng)交換機(jī)的選擇[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(1):93-95.

[7] 王松,黃曉明.GOOSE報(bào)文過濾方法研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2008,32(19):54-57.