工业以太网交换机在智能变电站中的应用

8. 9.
支持Web、Telnet、CLI 命令行方式管理。 支持SNMP V1/V2c/V3 简单网络管理协议。
智能变电站工业以太网交换机设计
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： 交换模块选用工业级、高速芯片，支持VLAN、QoS、 Trunk、IGMP Snooping、STP/RSTP、Mirroring、SNMP
电子式互感器 • 有源式电子式互 感器； • 无源式电子式互 感器。
智能一次设备 • 高压设备本体； • 智能组件。 • • • • • •
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： • 取消长电缆连接， 提高系统性能， 同时消除事故隐 患； • 使用IEC 61850标 准，有利于设备 之间的互操作。

时钟同步网：过程层与间隔层之间的基于IEEE 1588标准的时钟同步网。
过程层报文的种类
基本网络结构
星形拓扑结构 环形拓扑结构


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。

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。
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，IEC 61850-3 对其提出了更严格的要求。
在机械结构方面：

(3) 支持冗余网络拓扑结构，以提高网络的可靠性；
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。

(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。
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》
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
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。
7.
针对过程层的应用应满足零报文丢失， 即零丢包。
6. 7.
支持链接聚合功能，支持基于MAC 地址的链接聚合。 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。
在功能方面：

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。
(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；
在环境温度方面：

(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；
满足宽温范围，能在极端恶劣的温度条件下可靠运行。
GSSE SMV
01-0C-CD-02-00-00 01-0C-CD-04-00-00
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. 4. 5.
在全线速工作情况下报文传输零丢包。 交换机固有传输延时应小于10 μs 。 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。
4. 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。 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。
以先被发送

对实时数据（如GOOSE），减少抖动和网 络延迟 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。

与802.1q共享标签字节
智能变电站实时报文的优先级处理
过程层网络

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。
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
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， Redundancy Check Tag），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
等功能；提供4 千兆的光/电接口，10/100 M 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： 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。
IEC61850 Ed2.0 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。
智能变电站工业以太网交换机应具有的功能
硬件上
1.
软件上
1.
能够在强电磁干扰、静电放电情况实现 报文传输零丢包。
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.
在低温（-40℃）及高温（70℃）情况下 长期稳定工作。
软件设计关键技术2 GOOSE报文实时性的实现
报文传输时间=IED处理时间+网络延迟
实时性问题的解决
Type 1 A Trip快速报文要求总传输时间小于3ms

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
GOOSE的快速传输机制


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。

源自文库
MMS网：站控层和间隔层之间的网络一般传输制造报文规范（manufacturing message specification， 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（generic object orien ted substation events，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（sample measured value， SMV）报文上送，为组播报文。
交换机必须支持GOOSE报文 采用IEEE 802.1p优先级
采用IEEE 802.1q VLAN隔离实时数据
IGMP Snooping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
IEEE 802.1p优先级

Class of Service（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
站控层网络
软件设计关键技术4 组播限制的实现
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。 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
IEC61850建议的取值范围
服务 GOOSE 开始地址（16进制） 结束地址（16进制） 01-0C-CD-01-00-00 01-0C-CD-01-01-FF
• 功能： • 解决传统互感器 的固有缺陷； • 节约绝缘和材料 成本。
• 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。
• 功能： • 提高电网智能化 水平。
智能变电站的通用以太网架构
根据IEC 61850标准，智能变电 站具备典型的三层架构：
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IEC 61850 标准的变电站网络通信是最大的共同点。
智能变电站的主要组成
数字化平台 • 通信网络； • 二次设备； • 工具软件。
工业以太网交换机在智能 变电站中的应用
伏少松
智能变电站概念

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
站控层的交换机网络通常布置为双星型
优点：布线容易 双网互备 缺点：成本高
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
过程层合网
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
o 48点/周波供保护测控，200点/周波点对点供计量 o 9-2、48点/周波，16回达到80Mbit/s
以太网时钟同步与采样网合一
o IEEE 1588v2，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
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。
三网合一配置方案
本方案以变压器保护为 例，采用IEC61850-9-2采样 信息、GOOSE 信息、IEEE 1588 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GOO SE 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。
PRP并行冗余技术方案
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IEC 62439 标准的PR P冗余技术得到广泛的关注。PRP （ Parallel Red undancy Protocol ） 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。