工业以太网交换机在智能变电站中的应用

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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
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
GSSE SMV
01-0C-CD-02-00-00 01-0C-CD-04-00-00
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。
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。
• 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:
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。
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

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。
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。
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
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》
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

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。
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。
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。
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。

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(manufacturing message specification, MMS)报文,为TCP单播报文。
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

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。
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。
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。
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
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。

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
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
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
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