千兆交換機在智能變電站的應用探討

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的廣泛興建，由傳統保護、測控通過電纜采集一次設備開關量、電壓、電流等信號的變電站模型正向保護、測控通過光纖通信方式采集一次設備開關量、電壓、電流等信號的智能變電站模式轉換。一般認為智能變電站的系統架構分為站控層、間隔層和過程層三層[1]，站控層和間隔層之間的網絡一般傳輸制造報文規范[2]（manufacturing message specification，MMS）報文，簡稱MMS網。站控層和間隔層之間的網絡一般傳輸面向通用對象的變電站事件[3]（generic object oriented substation events，GOOSE）報文，簡稱GOOSE網。智能一次設備通過光PT、光CT進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上送保護、測控等間隔層裝置使用，通過傳輸采樣測量值[3]（sample measured value，SMV）報文上送，簡稱SMV網。GOOSE報文和SMV報文均采用組播方式傳播，GOOSE報文主要傳輸開關量信息，SMV報文傳輸采樣值信息。

2 智能變電站網絡

2.1 交換機流量統計

在智能變電站中MMS網一般采用雙星型網或雙環形網，GOOSE網和SMV網一般采用雙星型網[4]。目前主要有兩種組網方式：MMS、GOOSE及SMV單獨組網方式（圖1），MMS單獨組網、GOOSE和SMV共網方式[5]。智能變電站在站控層和間隔層之間采用MMS報文進行信息傳輸，MMS報文采用TCP單播進行信息傳輸，從而決定了MMS網中的廣播報文一般只有地址解析協議（Address Resolution Protocol，ARP）報文，其他均為TCP單播報文。GOOSE報文和SMV報文均為組播報文，對于沒有劃分VLAN的情況下，組播報文將在整個網絡廣播。

圖1 MM S、GOOSE、SM V獨立組網

圖2 MM S獨立組網，GOOSE、SM V共網

我們針對一個具有50臺測控裝置、100臺保護裝置，兩臺后臺機和一臺遠動裝置的智能變電站來統計一下全站報文流量，網絡結構見圖2。每臺保護、測控裝置需要同時連接兩臺后臺機和一臺遠動裝置，那么每臺后臺機和遠動裝置需要連接150臺裝置，采用GOOSE網和SMV共網方式組網，正常情況下每臺裝置與每個后臺或遠動裝置通信的MMS流量為20kbit/s。那么，可以統計每臺后臺機的報文流量大概為3Mbit/s。通過級聯端口的報文流量大概為9Mbit/s（避免GOOSE報文流量的重復統計）。

對于GOOSE和SMV共網，我們假設每個合并單元的數據流量為6Mbit/s，GOOSE報文流量為10kbit/s，網絡采用3級級聯情況。當不采用VLAN劃分方式進行報文隔離情況下，在不考慮報文延時情況下網絡最多可接入合并單元個數為100/6≤17臺，因此在SMV網中必須對不同間隔的SMV報文進行隔離，并盡量保證接收的保護和測控裝置同對應的合并單元連接到相同的交換機上。但是對于母差保護、主變保護等特殊裝置需要同時接收多個電壓等級或間隔的合并單元信號。必須通過交換機級聯才能采集到所有需要的合并單元信號，這時將導致級聯端口的報文流量達到或接近百兆的滿流量。GOOSE報文流量相對于SMV的報文流量較小，但是要求在全站所有保護和測控裝置中進行傳輸，因此，GOOSE報文的傳輸延時將受到SMV報文的影響而變大。

2.2 交換機延時計算

對于MMS網一般報文流量不大，同時對通道傳輸延時要求不高。所以，這里我們主要討論GOOSE報文和SMV報文傳輸的情況。下面以南瑞繼保公司PCS系列交換機為例進行計算?？紤]3級級聯（圖3），采用具有24個百兆光口PCS9882交換機。對比用千兆光口交換機采用PCS9881的技術參數。當每臺交換機的其他端口同時向一個端口發報文時，將導致輸出隊列的最后一幀報文具有最大延時（圖4），當級聯的每臺交換機均同時發生擁塞時，就產生了報文的最大網絡延時。交換機固有延時：PCS9882B百兆光口固有延時＜4us，PCS9881A千兆光口固有延時＜1μs。

圖3 SM V三級級聯網絡

圖4 交換機內部擁塞圖

百兆交換機的報文最大延時計算公式如下：

Tmd=（每字節傳輸時間×最大報文長度×交換機端口數+交換機固有延時）×最大級聯次數。

無阻塞情況下的計算公式如下：

Tad=（每字節傳輸時間×平均報文長度+交換機固有延時）×最大級聯次數。

千兆交換機的報文最大延時計算公式如下：

無阻塞情況下的計算公式如下：

從傳輸延時來看，千兆交換機具有更小的報文傳輸，在無阻塞情況下，百兆交換機傳輸延時為千兆交換機傳輸延時的7倍左右。當發生阻塞時，百兆交換機的傳輸延時增加為千兆交換機傳輸延時的10倍左右。過程層的傳輸延時將直接影響到保護動作時間，在過程層采用千兆交換機將具有更加優秀的抗阻塞能力，因此千兆交換機在智能電網中的應用將成為智能電網發展的必然趨勢。

3 目前智能變電站交換機應用現狀

智能變電站目前采用的交換機主要為100Mbps工業以太網交換機，端口數量一般為16或24的管理型交換機。由于MMS網和GOOSE網傳輸數據流量較小，MMS對傳輸延時要求不高，而GOOSE報文雖然對延時有要求，但是可以通過提高報文優先級方式解決，這里不再考慮。SMV網報文量很大，一般每個端口流量為6Mbit/s左右，同時接收多個合并單元數據時，端口流量將更高，對于需要傳輸所有報文的級聯端口來說，報文可能達到或接近滿限速。而采用百兆交換機構成的網絡傳輸幾十臺合并單元信息將無法滿足帶寬、傳輸延時要求，在這種情況下，必須采用特殊限制來滿足智能電網建設的實際應用。目前主要采用以下幾種方法：

（1）盡量將保護、測控裝置與對應的合并單元通過同一臺交換機接入SMV網絡。

（2）通過劃分VLAN的方式或GMRP及IGMP網絡協議的方式限制各個端口無用的報文流量。

（3）通過具有千兆端口的交換機組網，采用千兆端口作為級聯端口使用，增加各個交換機之間報文傳輸的帶寬。

（4）通過減少交換機級聯次數來減少各個交換機間傳輸報文的流量及傳輸延時。一般要求級聯次數少于3級。

（5）通過802.1P的Qos服務來減少敏感報文（如GOOSE報文）的傳輸延時。

在目前的智能電網的建設中，一般均采用了以上方法中的一個或多個進行網絡報文流量的優化。采用以上方法雖然能夠緩解傳輸帶寬、延時等要求，但是并不能從根本上解決問題。而且導致了網絡結構和裝置安裝位置受限；采用千兆級聯端口有可能出現百兆端口帶寬不夠，網絡問題分析困難等新的一系列問題。

千兆交換機具有帶寬大，延時小的特點，從1.2節計算可以得到結論：百兆交換機3次級聯的延時相當于千兆交換機級聯30次的延時，因此在采用千兆交換機組網時級聯次數將不受限制，可以對SMV網絡采用更加可靠的雙環網方式。千兆交換機的帶寬允許網絡上同時接入166臺合并單元而不會出現超過傳輸帶寬問題，同時通過對裝置組播地址的管理可以方便的實現組播的有效過濾，而不會出現裝置接收過多的報文無法處理問題，這將從根本上解決現有網絡傳輸延時和帶寬問題。

4 千兆交換機技術要求

針對智能變電站的應用，千兆交換機在硬件上應具有如下功能：

（1）能夠在強電磁干擾、靜電放電情況實現報文傳輸零丟包。

（2）在低溫（-40℃）及高溫（70℃）情況下長期穩定工作[6]。

（3）在全線速工作情況下報文傳輸零丟包。

（4）交換機固有傳輸延時應小于10μs。

（5）可靈活選配短距離或長距離的光收發器，適應不同的現場應用。

（6）采用模塊化設置，滿足不同應用場合對端口數量，接口方式的靈活配置

（7）針對過程層的應用應滿足零報文丟失，即零丟包。

千兆交換機在軟件上應具有如下功能：

（1）支持QoS（802.1p）報文優先級控制，至少提供4個優先級隊列，具有嚴格優先級和權重優先級，可以保證關鍵通信報文如GOOSE的優先傳送。

（2）支持靈活的VLAN配置[7]，可按實際應用需求設置帶VLAN標簽報文的處理方式，包括VLAN標簽的插入、修改或刪除操作。

（3）支持將多個端口的報文鏡像功能，滿足數字化變電站通信錄波的需求及網絡故障分析。

（4）支持網絡風暴抑制功能，可設定交換機廣播報文、多播報文和尋址失敗報文的轉發速率上限。

（5）支持端口速率控制，可設定各端口的報文轉發速率上限和突發速率上限。

（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簡單網絡管理協議。

5 千兆交換機在應用中的阻力

目前智能變電站中裝置采用的均是百兆網絡接口進行通信，個別站采用千兆端口進行級聯。在過程層的交換機主要采用百兆光纖接口實現合并單元與保護、測控裝置的互聯，采用光纖接口主要考慮到強電磁干擾對光纖網絡穩定性基本沒有影響，可以實現網絡的零報文丟失。但是，由于百兆端口本身的傳輸速率限制，不可避免的為網絡中的報文帶來了很大的網絡延時，由于傳輸帶寬原因限制了接入裝置的數量，為智能變電站的建設帶來了瓶頸。千兆交換機很好的解決了這兩個問題，本身的千兆速率使得交換機的傳輸延時遠遠小于百兆交換機，使得整個網絡可以打破3級級聯的限制。千兆的傳輸帶寬允許網絡接入足夠的合并單元后不需要進行任何流量限制處理既能正常工作。

雖然千兆交換機有諸多的優點，但是不可避免的存在一定的缺點：

（1）配套的光纖模塊、sw itch芯片級PHY芯片相對百兆交換機較貴

（2）目前智能變電站裝置均為百兆端口[5]，不便于千兆交換機的推廣應用

（3）目前針對智能變電站過程層的千兆交換機品種較少，各個廠家均以百兆交換機為主推產品。

6 結論

本文從智能電網的網絡結構及自身特點出發，通過分析智能電網中的網絡流量、計算千兆交換機與百兆交換機的傳輸速率及網絡延時，逐步顯示出千兆交換機的優勢。在未來的應用中，千兆交換機將有逐步取代智能電網中百兆交換機的發展趨勢。目前百兆交換機在應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的實際應用需求，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用中采用千兆交換機對過程層組網。

[1] 譚文恕.變電站通信網絡和系統協議IEC61850介紹[J].電網技術,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.數字化變電站中MMS網和GOOSE網共網方案探討[J].電網技術,2009,33(2):22-25.

[5] 孫一民,李延新,黎強.分階段實現數字化變電站系統的工程方案[J]. 電力系統自動化,2007,31(5):90-93.

[6] 林明宇.數字化變電站自動化系統中以太網交換機的選擇[J].電力系統保護與控制,2009,37(1):93-95.

[7] 王松,黃曉明.GOOSE報文過濾方法研究[J].電力系統自動化,2008,32(19):54-57.