智能变电站过程层用交换机的研制_王文龙

智能变电站过程层用交换机的研制

王文龙，杨　贵，刘明慧

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市２１１１０２

）摘要：简述了目前智能变电站的常用网络架构，从电源、存储转发时延、温度范围、吞吐量、强电磁干扰下的零丢包技术、环网自愈时间、组播流量控制和优先级、网络安全控制几方面分析了智能变电站过程层对过程层交换机的需求。提出了一种智能变电站过程层交换机的研制方案，并从组网方式设计、硬件实现和软件实现３个方面详细阐述了该方案，介绍了软件架构和各功能模块的作用。最后对采用该方案研制的交换机的测试结果和运行情况进行了描述和总结。关键词：智能变电站；过程层；交换机

收稿日期：２０１０－１１－２９；修回日期：２０１１－０７－

２５。０　引言

在智能变电站中，通过交换机构建间隔层和过

程层之间的网络，

保护跳闸命令传输、开关信号的上送、模拟量采集上送等也必须通过交换机实现。交换机的性能和运行情况将直接影响全站运行的可靠

性［

１］

。由于交换机的功能及性能指标都是针对非工业用户所设计，相关的技术标准也是针对非工业用

户所提出，

故交换机在电源、存储转发时延、温度范围、吞吐量、强电磁干扰下的零丢包技术、环网自愈

时间、流量分类控制、网络安全控制等方面，不符合电力系统的应用条件，更不能满足智能变电站过程层的应用需求。因此，研制工业级交换机，以适应智

能变电站过程层的应用十分必要［

２－

３］。１　智能变电站网络架构

智能变电站可分为站控层、间隔层、过程层，站

控层和间隔层之间的网络为ＭＭＳ网，间隔层和过程层之间的网络为ＧＯＯＳＥ／ＳＭＶ网（

统称为过程层网络）

［１］

。目前智能变电站大多采用星形网络，基本结构如图１所示

。

图１　智能变电站组网方案

Ｆｉｇ

．１　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｏｆ　ｓｍａｒｔ　ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ图１所示的网络架构中，ＭＭＳ网用于站控层

设备和间隔层设备的信息交换，主要是监视间隔层

设备和控制信息，可靠性要求较低，但数据量相对较

大［１］

；ＧＯＯＳＥ网主要用于过程层设备的跳闸、

保护之间的信息交互、开关刀闸等开关量信息的采集［

４］

；ＳＭＶ网用于传输电子式互感器所产生的模拟量。

智能变电站的信息数据量庞大，对数据传输的可靠性、实时性要求很高。

２　智能变电站过程层基本需求

２．１　电源

变电站中一般采用直流电源，交换机需要适应变电站的电源供电方式。在智能变电站中，１台交换机连接多个间隔，１台交换机的电源故障将导致多个间隔的网络中断，所以交换机需要提供双电源。双电源可同时运行、均衡负载，也可采用主备运行切换方式。当采用主备运行切换方式时，应保证主备电源切换期间交换机的正常运行。

２．２　存储转发时延

常规变电站的保护跳闸信号通过电缆传送，实时性好，而智能变电站的保护装置先形成ＧＯＯＳＥ跳闸命令报文，再经过交换机传送给智能终端。其中交换机的存储转发时延是影响跳闸命令传输时间

特性的一个重要因素，存储转发时延越小，ＧＯＯＳＥ跳闸的实时性就越好。考虑到目前的交换技术水

平，交换机的存储转发时延在１００％吞吐量时应该

小于４μｓ

。对于光纤交换机，减小光模块的转发时延是减小交换机存储转发时延的一个途径。

２．３　温度范围

智能变电站的部分过程层设备需要就地安装，例如智能终端往往需要安装在开关旁边。随着过程层设备的就地化，过程层交换机往往也需要户外就

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２７—第３５卷　第１８期２０１１年９月２５日

地安装。中国幅员广阔，南北温度差异大，低温对交换机的影响一般不大，但是交换机在高温下运行时，其相关元器件的老化速度会加快，严重影响其性能和使用寿命。交换机必须采用适当的无风扇自冷散热技术，使得交换机能够在－４０～＋８５℃的温度范围内长期可靠地工作。

交换机的散热技术一般从２方面着手，一是降低元器件功耗，另一个是增加散热面积。

２．４　吞吐量

智能变电站过程层数字化后，过程层网上传输报文的字节长度各有不同，例如不同间隔的跳闸ＧＯＯＳＥ报文、ＳＭＶ报文中，任意一帧丢失均可能导致保护工作异常，从而严重影响保护动作的可靠性，进而影响整个电网的安全。因此，要求交换机必须对有效长度（６４～１　５１８Ｂ）内的所有报文吞吐量达到１００％。当网络报文流量达到上限时，不能出现因交换机吞吐量达不到１００％而引起报文丢失，避免因某一字节长度报文出现丢包而影响变电站的可靠运行。

２．５　强电磁干扰下的零丢包技术

在变电站中，正常和异常运行状况下都会产生和遭受各种电磁干扰，例如高压电气设备和低压交直流回路内电气设备的操作、短路故障所产生的瞬变过程，电气设备周围的静电场和磁场、雷电、电磁波辐射、人体与物体的静电、放电等［５］。这些电磁干扰会对交换机通信数据的转发产生影响，导致交换机转发的报文中某些字节出错，使得链路层的ＣＲＣ校验出错，从而丢失整帧报文。报文丢失会导致模拟量采样出错、开关量丢失、跳闸延时，影响变电站的可靠安全运行。

交换机可采用全封闭机箱、分区接地、电源干扰抑制、电路板按电压等级分区、信号线屏蔽等抗ＥＭＣ干扰技术，实现强ＥＭＣ干扰下的零丢包技术，以满足过程层数字化的需求［６］。

２．６　环网自愈时间

在环网架构的物理链路上，交换机构成１个环；在逻辑链路上，其中１台交换机的１个端口处于“ｂｌｏｃｋ”状态，数据流不能通过，从而在逻辑上构成非环链路。当网络上出现故障时，交换机之间的环网架构发生改变，交换机需要能探测到网络架构的改变，并能够重新构建新的逻辑链路。在智能变电站中，环网故障自愈的时间应尽量短，并且最好实现零丢包。

交换机一般采用快速生成树协议（ＲＳＴＰ）实现环网自愈，但是标准的ＲＳＴＰ环网故障后恢复的时间较长，很难满足智能变电站的需求。一般情况下，

智能变电站用交换机针对智能变电站的应用采用自己的环网自愈技术，就目前的技术水平而言，其自愈时间应该小于２ｍｓ／ｈｏｐ。

２．７　组播流量控制和优先级

智能变电站中，本间隔的保护测控装置往往只关心本间隔的数据（如线路保护），而ＧＯＯＳＥ报文和ＳＭＶ报文都是组播发送，如不进行控制，交换机会将此类报文向其所有端口转发，网络上会增加许多不必要的组播流量，极大地浪费带宽。因此，智能变电站内组播流量控制十分必要［７］。

交换机可以采用虚拟局域网（ＶＬＡＮ）技术将相关的装置划分在同一ＶＬＡＮ里，限制组播的转发范围；或者采用动态组播管理协议（ＧＭＲＰ）动态对组播数据进行管理，控制组播数据的转发端口。２种方式都可减少网络上不必要的组播流量。

另外，交换机也需要支持优先级技术，保证重要数据的实时性。

２．８　网络安全控制

智能变电站的采样值、跳闸、联闭锁等重要信息全部通过网络传输。因此，交换机网络必须提供更高的安全控制策略，如目前常用的基于静态ＭＡＣ或８０２．１Ｘ［８］的网络安全控制策略，二者均可提供精确到端口粒度的网络安全，可从源头上杜绝网络侵害隐患。

３　交换机的整体方案

３．１　组网方式设计

智能变电站用交换机需要支持星形网、环网等多种组网方式。支持星形网时，交换机需要提供１个千兆光纤端口，用于主交换机和从交换机之间级联；支持环网时，需要提供２个千兆光纤端口，以构成环网。因此，交换机一般支持２个千兆光纤端口。

３．２　硬件方案

交换机的硬件架构分为数据交换模块和管理模块２部分。数据交换模块负责交换机的基本的数据交换处理，支持１６个百兆光纤端口、２个千兆光纤端口，采用存储转发模式工作，缓存空间应不小于６ＭＢ，存储转发延时小于４μｓ。管理模块实现交换机的管理、配置、调试以及交换机的高级应用功能。管理模块和数据交换模块之间通过ＰＣＩ连接。基本框架如图２所示。

３．３　软件方案

３．３．１　软件架构

该交换机的软件整体结构分为操作系统、系统抽象层（ＳＡＬ）、交换模块的操作接口层（Ｓｗｉｔｃｈ

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