智能变电站过程层交换机的应用分析

智能变电站过程层交换机的应用分析

发表时间：2016-04-26T13:51:15.493Z 来源：《电力设备》2015年第12期供稿作者：杜国斌

[导读] (南瑞继保电气有限公司智能变电站过程层GOOSE和SV技术的可靠性，通过大量的工程实践已得到验证，具备推广的可行性，但在新一代智能变电站三网合一方案的探索中，过程层交换机依然是GOOSE和SV技术可靠应用的一个瓶颈，如何解决过程层交换机数据交换的可靠性，成为一个现实问题，因此本文将结合工程实施经验，从工程实施的角度针对过程层交换机中的静态组播、VLan、GMRP技术特点，论证几种技术的工程实施优缺点，为工程实施提供参考依据。

(南瑞继保电气有限公司江苏南京 211106)

摘要：智能变电站过程层GOOSE和SV技术的可靠性，通过大量的工程实践已得到验证，具备推广的可行性，但在新一代智能变电站三网合一方案的探索中，过程层交换机依然是GOOSE和SV技术可靠应用的一个瓶颈，如何解决过程层交换机数据交换的可靠性，成为一个现实问题，因此本文将结合工程实施经验，从工程实施的角度针对过程层交换机中的静态组播、VLan、GMRP技术特点，论证几种技术的工程实施优缺点，为工程实施提供参考依据。

关键词：智能变电站；过程层交换机；静态组播；VLAN；GMRP

引言

随着建设坚强智能电网战略方针的推进，作为智能电网关键环节的智能变电站，获得了极大的发展机遇，大量的智能变电站建设已由试点阶段进入规模建设阶段。

智能变电站典型的网络系统结构图为三层两网结构，三层分别指的是监控、远动等客户端系统所在的站控层、具备MMS通讯功能的各IED所在的间隔层,以及具备GOOSE、SV功能的采集、执行单元所在过程层；两网分别指的是站控层与间隔层之间的站控层网络、间隔层与过程层之间的过程层网络，其典型系统结构如图1所示：

图1 三层两网

在三层两网结构中，为实现组网采样数据的可靠传输，针对过程层交换机，合理规划交换机端口流量，提高各组网IED之间的通信稳定性，本文将针对交换机的几种流量控制方案进行对比，并分析静态组播、VLAN和GMRP的工程实施优缺点。

1、过程层交换机概述

智能变电站过程层通讯的可靠性，将直接关系到一次设备运行的可靠性，因此为消除变电站内高压电气设备运行过程中的扰动电磁波对通讯回路的影响，过程层交换机的选择，通常会选择光纤交换机，通过光通讯，来消除电信号的不可靠性。

过程层GOOSE、SV通讯是基于OSI链路层的通讯，且实时性要求高，因此过程层交换机应具备二层交换机的功能要求，同时实现可基于MAC地址和TCP/IP的快速数据交换。

由于GOOSE、SV、MMS报文共网通讯时，根据接入交换机的IED数量的多少，总数据流量存在超出交换机最大带宽的可能性，从而造成数据丢失，因此如何通过流量控制来实现交换机带宽的有效使用，就成为工程首要解决的问题。

2、交换机流量计算

在计算交换机流量时，应确保交换机的总流量不超过交换机的最大带宽。

2.1 GOOSE流量计算

GOOSE通讯通过T0-T1-T1-T2-T3-T0的重传机制实现数据的可靠传输，因此当产生一个GOOSE信号变位时，将会产生较大突发流量，例如北京220kV某新一代智能变电站，其中某220kV线路间隔的一台分相智能终端，GOOSE数据集报警信号的FCDA个数为125个，经实时监测该数据集在交换机上的报文，获得整帧GOOSE报文长度为949Byte，则其稳态输出流量为949×8=9.04（Kbit），当模拟该数据集中的“GPS异常”信号变位时，GOOSE报文产生突发传输，此时所产生的突发流量激增到949×8×5=45.2（Kbit），可见当产生一个变位信号时，瞬间突发流量将远大于稳态流量，当产生更多变位时，流量激增将更加突出，因此对于GOOSE报文，在配置交换机时，必须考虑突发报文流量对交换机带宽所带来的影响。

2.2 SV流量计算

SV（IEC61850-9-2）通讯采用的是非面向连接的非可靠性实时数据传输，且为等间隔传输，因此SV的传输流量是稳定的，不存在突发流量，根据《Q／GDW_441-2010智能变电站继电保护技术规范》6.4.6部分规定，SV输出的采样率应为4000，即每秒传输4000帧采样值。例如北京220kV某新一代智能变电站，其中某主变间隙的一台合并单元，SV输出32个采样输出通道，经实时监测该数据集在交换机上的报文，获取该合并单元的单帧SV采样的输入报文长度为334Byte，则理论上该合并单元的SV输入流量为334×4000×8=10.19（Mbps），经10分钟时间的监视，在采样值任意变化时，都未产生任何突发流量，因此进一步验证了SV流量传输的稳定性。

3、交换机拓扑

过程层交换机在进行系统组网时，根据《Q／GDW_441-2010智能变电站继电保护技术规范》6.2.5.b）部分规定，“任两台智能电子设备之间的数据传输路由不应超过4 个交换机”，因此交换机间级联时，级联层数不应超过三层，通过工程实践，探索出的间隔交换机级

联中心交换机方案，可既满足数据传输的时延指标，也可满足传输的可靠性及相关行业标准规定。典型的过程层网络系统拓扑结构如图4所示：

图4 过程层网络系统拓扑 4、交换机流量控制

为了合理利用交换机的带宽，保证数据的可靠传输，可通过以下几种流量控制方法，来实现交换机流量的管控。

4.1 静态组播

采用基于组播MAC地址和端口的静态组播，是通过静态配置的方法来控制组播组在交换机中的转发范围，交换机将按照已配置的静态组播表内容，按端口来转发组播组，从而减小广播域，而未配置的组播组可配置为向除CPU口以外的所有端口转发或不转发。

这种方案最鲜明的特点是原理简单易懂、工程现场易学易操作，但其也存在配置工作量大，需全面了解数据流向等难点；且当交换机存在级联关系时，对于穿透型组播组，特别容易产生配置遗漏，因此在规划静态组播时需格外关注穿透型组播组。

4.2 VLAN（虚拟局域网） VLAN是一种将局域网设备从逻辑上划分成一个个独立网段，从而实现虚拟工作组的新兴数据交换技术。其特点是原理简单易懂、实现方案灵活多样。工程实施中，配置工作量以VLAN划分范围大小的不同而不同，VLAN越小，工作量越大，且对工程人员的知识要求较高，适用于交换机严格按照间隔来划分的场合。

4.3 GMRP（GARP 组播注册协议） GMRP是一种二层组播协议，是通用属性注册协议（GARP）的一种应用，主要提供二层组播管理功能。GMRP 的操作基于GARP 所提供的服务，允许终端站向连接的交换机动态注册组播组，并且这些信息可以被传播到支持GMRP的所有交换机，以便使同一交换网内所有支持GMRP特性的设备的组播信息达成一致。

鉴于GMRP是一种自动协商协议，且不依赖交换机的某一个端口，并且可以动态创建合理的组播组，因此GMRP可以高效的提高带宽的利用率，且工程实施的工作量极小，但是GMRP也存在设备技术要求高，要求网络内各IED、交换机均需支持GMRP功能，另外在运行期间的交换机组播表是动态维护的，在组播表的创建、维护阶段，交换机带宽的合理利用会出现短暂的混乱，因此在此阶段，当出现突发数据时，数据传输的可靠性无法得到有效保证，对变电站的安全运行是一种隐患，如何在交换机组播表创建、维护阶段，提高数据转发的可靠性，仍有改进、提高之处。

从工程实施方面，本文作者经过国内多个智能变电站工程的现场实践，分别从技术的难易度、现场操作的简繁性、现场工作量等三个方面进行

结论

IEC 61850智能变电站的过程层信息交互，完全是基于网络的信息共享，因此智能变电站的发展，始终绕不开交换机环节；通过在国内的多次应用测试以及现场的工程实践，作者认为，在如何提高过程层交换机的带宽利用率、技术稳定性、工程实施的便捷性方面，国内的设备制造商仍有一定的可发展空间。

但在现阶段的工程实施中，综合考虑实施难易度、工作量、人员技能水平等因素，首先还是推荐使用静态组播的方式来进行流量控制，其次选择VLAN方式，GMRP则可作为一种技术验证方案，进行少量工程的试点，待技术更趋成熟时，可作为智能变电站的首选方案。

参考文献

[1]Q／GDW_441-2010 .《智能变电站继电保护技术规范》[S],北京：国家电网公司.2010

[2]Q／GDW_429-2010 .《智能变电站网络交换机技术规范》[S] ,北京：国家电网公司.2010

[3]IEC. IEC61850 变电站网络通讯和系统[S]，2004. IEC.IEC61850 communication networks and systems in substations[S]. 2004.

[4]谢希仁.《计算机网络》.第5版[M].北京:电子工业出版社,2008.180-224.

4.4 工程实施对比