智能變電站以太網性能的研究

趙利富,王文琪，喬木

(國網山東省電力公司檢修公司，山東 淄博 255000)

智能變電站以太網性能的研究

趙利富,王文琪，喬木

(國網山東省電力公司檢修公司，山東 淄博 255000)

IEC 61850標準規定智能變電站的通信功能用以太網技術實現，因此其工作性能對智能變電站至關重要。本文對智能變電站網絡通信的性能進行研究，主要內容從實時性、可靠性和同步性展開。詳細分析這三方面的研究現狀和存在的問題，提出了相應的改進措施。在實時性方面，提出用無源光纖以太網(EPON)或實時以太網技術改進通信的實時性，指出其應用潛在的困難。對于可靠性和同步性，比較了現存的各種技術，指出各種現存技術的優缺點，作為研究和應用的參考。

IEC 61850；以太網；EPON；實時以太網

1 引言

智能變電站是智能電網建設的重要組成部分。它由數字化變電站發展而來，融合了智能電網對變電站的新要求。在通信方面以全站信息數字化，通信平臺網絡化、信息共享標準化為目的，仍依靠IEC 61850標準建設變電站通信網絡。自該標準頒布以來，已對變電站網絡通信展開了大量的研究[1-5]。這些研究主要圍繞通信網絡的實時性，可靠性和數據采樣同步性展開，如網絡拓撲結構分析，報文優先級技術及交換機技術，同步采樣技術等等。本文從網絡這三方面入手，以智能變電站過程層為背景，總結這三個方面研究的現狀和存在的問題，提出改進通信性能的新方案。

2 實時性

2.1 網絡結構分析

智能變電站從物理結構上分為變電站層、間隔層、過程層。各層之間采用以太網傳遞報文，從而形成了變電站層總線和過程層總線兩種總線技術。以太網傳輸數據無法保證實時性的根本原因是其物理層對帶寬的監聽采用帶沖突檢測的載波監聽多路訪問機制(CSMA/CD)。這種機制導致網絡中的節點發送數據具有隨機性，若多個節點在同一時刻發送數據就會產生沖突進而延時等待再重傳數據。目前對報文實時性的研究主要從網絡拓撲結構和交換機技術應用入手[1]。鑒于影響以太網傳輸時延很大一方面的因素就是網絡負荷的輕重與否，網絡拓撲結構研究的主要作用是對站內的數據流進行優化。從全站的角度圍繞建設全站統一網絡或是二級網絡來討論，即以過程總線和變電站總線是否單獨組網來[2]。全站統一網絡有利于數據的共享，同時減少了交換機等網絡設備的使用，節省了變電站建設的大量成本。但相對于二級網絡來說，網絡負荷更重，網絡可靠工作的裕度小，一旦電力系統發生故障的情況下，需要傳輸大量數據，這種網絡結構能否滿足應用要求需要進一步的討論。二級網絡是將變電站總線和過程總線單獨組網。這種方式降低了各級總線的網絡負擔，但不利于數據的共享，同時也增加了交換機的使用數量，不利于節省成本。當前研究表明二級網絡能夠完全滿足現行的變電站的應用，能夠保證可靠的通信，智能變電站現場也是如此實施的。而統一網絡的應用對網絡設備要求較高，安全可靠裕度較低，若將來通信技術的進一步發展，全站統一網絡的拓撲結構也可能成為現實[3]。

智能變電站的過程層需要傳輸大量的數據，特別是采樣值數據。這是判斷系統狀態最原始的依據，因此其工作性能至關重要。根據IEC 61850標準，過程層組網的方式存在的組網形式有面向間隔、面向位置、單一總線和面向功能四種方式，主要由采樣值SAV網絡，GOOSE網絡組成，若采用IEEE 1588協議同步技術，還有精準對時網絡。目前為滿足實時性要求，網絡連接存在點到點直連，組網連接以及這兩種方式混用的幾種網絡拓撲方式，如圖1所示。

出現這幾種網絡拓撲結構的根本原因是出于對數據實時性和共享之間的取舍。圖1(a)中采用點到點直連的方式不存在競爭帶寬，具有絕對的實時性，但是它不與其他節點共享數據，同時還需要連接網絡設備大量的光纜，施工和維護都比較繁瑣。這種方式在傳統變電站及傳統變電站向數字化變電站升級的過程中應用較多。圖1(c)所示的是IEC 61850標準推薦采用交換機進行數據傳輸的組網方式。這種方式節省了大量的電纜，還能實現數據之間的共享。數據延時的主要原因是交換機排隊轉發機制的工作耗時。同時，在數字化變電站應用的交換機一般具有支持虛擬局域網VLAN、組播技術和報文優先級的能力[4-5]。VLAN及組播技術的作用主要是對數據進行分流，各節點接收所需的報文，拒收不必要的數據。報文優先級用來保證交換機接收的諸多數據之中實時性要求高的報文得以快速轉發。目前市面上的工業以太網交換機多采用FPGA技術，工作性能十分優越，在正常工作時一般能滿足實時性要求，但在系統產生故障時的網絡行為需要結合網絡結構另行討論。同時，這種通信方式的可靠性過分的依賴于交換機。一旦交換機發生故障停止工作，會導致整個交換機網絡的癱瘓，可靠性需要進一步進行研究。

圖1 過程層設備網絡連接方式

2.2 EPON技術

目前，對網絡實時性的研究還體現在兩個方面，無源光纖以太網和實時以太網技術。無源光纖以太網EPON[6-7](Ethernet PON)物理層采用PON技術，采用點到多點結構，與傳統以太網完全兼容。如圖2所示。

EPON主要分為三部分：光線路終端(OLT)、光分配網(ODN)和光網絡單元(ONU)。下行方向，根據IEEE802.3協議，OLT將可變長度的數據包通過光分路器廣播給PON上的所有的ONU，而ONU選擇性接收；上行方向，利用時分多址(TDMA)技術，多個ONU的上行信息組成一個TDM信息流傳到OLT。TDMA技術將合路時隙分配給每個ONU,每個ONU的信號進入光分路器的公用光纖，正好占據分配給它的指定時隙，避免沖突，簡而言之就是具有動態分配帶寬的能力。再考慮到其高帶寬，因此EPON具有較好的實時性。OLT的主要功能有以下幾點：(1)向ONU廣播數據幀。(2)控制測距過程，記錄測距信息。(3)進行ONU的功率控制。(4)控制ONU發送數據的起始時間和發送窗口大小，即帶寬分配。ONU的主要作用有：(1)選擇性接收OLT的廣播數據。(2)響應OLT發出的測距及功率控制命令。(3)在OLT分配好的發送窗口上傳數據。

圖2 EPON網絡結構示意圖

EPON具有高帶寬，低成本，與以太網兼容，支持VLAN技術等優勢，具有廣泛的應用前景。目前應用存在的主要問題就是與IEEE 1588協議的共存問題。EPON是一種無源網絡，沒有應用到交換機。而交換機是IEEE 1588協議應用的必要條件。所以如何在EPON網絡中，IEEE 1588的實現是在智能變電站中應用EPON技術的主要內容之一。

2.3 實時以太網技術

在實時以太網技術方面[8-10]，實時以太網技術來源于現場總線技術，目前被IEC收入的實時以太網技術有6中，其中具有代表性的技術是POWERLINK和PROFINET技術。這些實時以太網技術大多采用主從管理，周期方式通信。以POWERLINK為例[8-9]，這是一種典型的主從通信形式，其工作方式主要有三個特點：周期通信，主從管理，輪詢訪問。每個周期分為開始，同步，異步，空閑四個階段，如圖3(a)所示。在同步階段，由網絡中唯一的管理節點MN以類似于令牌的方式PReq訪問每個節點CN，被詢問的CN得到相應的詢問后以PRes進行響應，在該階段，每個時刻都只有一個節點在傳輸數據，不存在帶寬的競爭，因此具有很高的實時性；在異步階段，各節點又以常見的競爭的方式傳送優先級較低的數據。具體內容可參考文獻[8-9]。這種將帶寬劃分，用輪詢的方式保證實時性的能力很強，但是從這種輪詢的方式類似于令牌機制必然存在效率的問題，這一點需要進一步探討。

另一種實時以太機網PROFINET技術[10]的工作原理與POWERLINK相似。不同的是這種技術需要實時內核和一個支持報文優先級、時間表格和IEEE 1588協議的交換機，具有一定的硬件依賴性。它有3種工作方式：TCP/IP通信、實時(RT)通信以及等時同步實時(IRT)通信。其中，IRT通信方式是實時性要求最高的。PROFINET引用時分多址設計理念，將每個通信周期分為確定性部分和開放部分兩個通道，分別稱為IRT通道和開放通道，IRT通道的實時性高于開放通道，如圖3(b)所示。智能變電站各層之間或同層內傳輸的報文主要有7種：快速報文、中速報文、低速報文、采樣值報文、文件傳輸、時間同步和訪問控制命令報文，這7種報文又可以歸納為三類：周期性報文、隨機性報文、突發性報文[1]。實際應用中這些報文的優先級各不相同，如采樣值報文和跳閘GOOSE報文的優先級就高于其他報文的優先級。在智能變電站過程層應用實時以太網技術的核心思想就是根據優先級的高低對站內的報文分類，在實時以太網通信周期的確定性部分傳遞優先級較高的數據，如圖3中的同步階段和IRT通道，在不確定部分傳輸其他優先級較低的報文，如圖3中的異步階段和開放通道，以此來保證通信的實時性。文獻[10]將過程總線上的報文分為配置診斷數據、一般型GOOSE和高實時性數據3類，結合PROFINET原理，詳細闡述了PROFINET用于過程總線的構思。

圖3 實時以太網原理圖

目前實時以太技術應用的主要困難是標準的不統一[11]，具體表現在實時以太協議與IEC 61850標準的配合使用。另一方面，IEC接收的6個實時以太網標準中，除POWERLINK開源且以純軟件方式實現外，其他協議均不開源且一定程度上依賴于硬件，這一點也阻礙了實時以太網技術在電力系統中的應用。

3 可靠性

智能變電站的可靠性包括通信系統、控制系統和保護系統等各方面的可靠性。此處，本文僅討論變電站通信網絡的可靠性。目前針對智能變電站通信可靠性的問題并沒有過多的方法。早期也同樣從網絡結構入手，應用于智能的變電站的網絡結構主要有總線型，環型和星型。其中總線型的網絡成本最低，但是可靠性也較差，網絡延遲大。環型網絡的可靠性最好，但成本亦是最高的，網絡延遲較大。星型網絡可靠性較低，造價適中，網絡延遲最小，總體性能介于前兩者之間。相關研究表明星型網絡在變電站內的應用具有明顯的優點，因此成為智能變電站組網的最佳的選擇。

此外，冗余也是提高網絡通信的方法之一，也是目前提高可靠性的主流方式。冗余又分節點冗余和網絡冗余，采用節點冗余則所有通信設備必須雙重化，形成兩個完全獨立的網絡，其成本可想而知。因此，多數研究推薦網絡冗余的方式。提及冗余，不得不提IEC 62439這個名詞[12-13]。這是一種并行冗余通信協議(PRP)，當網絡中的鏈路出現故障時實現無延時切換，保證可靠通信，原理如圖4所示。

圖4 PRP網絡節點模型

圖4是兩個有雙連接點的IED網絡設備，通過雙連接端口分別連接到兩個獨立的網絡上。其中的鏈路冗余體(LRE)發揮著核心的作用：冗余管理和處理重復報文。當收到高層的一幀數據，LRE要在接收到數據的相應位置添加冗余標識，然后同時向兩個端口發送數據。當網絡設備從網絡上接收到一幀數據之后，LRE會從兩個端口提取第一次收到的數據，并且丟棄重復的數據幀。具體內容可參考文獻[13]。

4 同步性

采樣是否同步對電力系統的保護至關重要。比如差動保護，兩端的電氣量信息必須保持在同一時刻采樣，否則可能導致保護誤動或拒動的情況的出現。此外，電力系統采樣同步的要求也比較高，IEC 61850要求智能變電站的采樣同步誤差達到1μs以下。針對這種要求，目前的方法主要有GPS同步，IRIG-B編碼同步，IEEE 1588等方式。

圖5 IEEE 1588原理圖

GPS全球定位系統是使用較早的一種方法，但受政治和天氣等因素的影響，穩定性不夠，很難時刻保持很高的精度，另使用這種同步方式需要裝配GPS模塊，因此成本也比較高。IRIG-B編碼方式，精度也可以達到微秒級，但需要占用專門的傳輸通道，且性能受鏈路距離的影響，傳輸距離越長精度越差。IEEE 1588是IEC 61850標準推薦的同步對時方式[14-15]，這種方法采用硬件打上時間戳標準和報文交換時間信息的方式計算主從時鐘之間的時間偏移toffset進行校時，原理如圖5所示。這種方式不需要增加特別的硬件設備，只需要網絡設備的MAC層支持IEEE 1588協議，同時每隔1s(2s)對時一次，占用的網絡資源極少，是IEC 61850標準推薦的未來智能變電站采樣同步采用的主要方法。

另一方面，采用IEEE1588同步對時依賴于交換機的支持。交換機主要有兩種工作方式：透明時鐘和邊界時鐘。第一種方式交換機沒有校時作用，只起修正作用，修正在交換機中報文轉發的延時，不充當主從鐘或從時鐘，同步設備由局域網內唯一的主時鐘提供對時。第二種方式交換機具有兩面性，上行端口充當從時鐘角色與上一級的主時鐘進行校時，下行端口又充當一個主時鐘，對下行所連接的節點進行校時。目前，支持IEEE 1588協議的交換機種類還并不是很多，相應的網絡設備價格也比較高。因此，雖然這種方法優勢明顯但其性能還需在現場實現中進一步檢驗。

5 結語

本文從實時性，可靠性和同步性三方面對智能變電站的網絡性能進行分析。在實時性方面提出了EPON和實時以太網兩種改進的技術。對于網絡可靠性和采樣同步性兩方面比較各種技術的優缺點，指出各自的優缺點。需要指出的是這三方面的性能并非完全獨立沒有交集。比如網絡結構的不但可以影響通信的實時性，還包括其可靠性。又如EPON可以改進通信的實時性，但也給IEEE 1588的應用提出了挑戰。因此，要使智能變電站網絡通信的性能達到一個較好的狀態，如何協調這三方面技術的應用也值得深入研究。

[1] 李強,竇曉波,吳在軍,等.數字化變電站通信網絡規劃與實時特性改進[J].電力自動化設備,2007,27(5):73-76.

[2] 徐科,張會建,宋國旺,等.現階段的數字化變電站網絡架構設計[J].電力系統及其自動化學報,2009,21(2):61-66.

[3] 樊陳,倪益民,竇仁輝,等.智能變電站過程層組網方案分析[J].電力系統自動化,2011,35(18):67-70.

[4] 辛建波，段獻忠.基于優先標簽的變電站過程層交換式以太網的信息傳輸方案[J].電網技術，2004，28(22)：26-30.

[5] 易永輝,王雷濤,陶永健.智能變電站過程層應用技術研究[J].電力系統保護與控制,2010,38(21):1-5.

[6] 張繼東，陶智勇.EPON的發展現狀與關鍵技術[J].光通信研究，2002,1:26-30.

[7] 孫中偉,馬亞寧,王一蓉,等.基于EPON的配電網自動化通信系統及其安全機制[J].電力系統自動化,2010,34(8):72-75.

[8] 杜品圣.工業以太網技術的介紹和比較[J].儀器儀表標準化與計量,2005,8(5):16-19.

[9] 伍一帆,石旭剛,黃秀珍,等.解決以太網協議實時性的幾種方案[J].單片機與嵌入式系統應用,2008,3(10):8-11.

[10] 殷志良,李順昕,余鐘明,等.PROFINET在數字化變電站過程總線通信的應用[J].中國電力,2010,43(4):24-27.

[11] 竇曉波.基于IEC61850的新型數字化變電站通信網絡的研究與實踐[D].南京:東南大學,2006.

[12] 竇曉波,胡敏強,吳在軍,等.數字化變電站通信網絡的組建與冗余方案[J].電力自動化設備,2008,28(1):38-42.

[13] 李俊剛,宋小會,狄軍峰,等.基于IEC 62439-3的智能變電站通信網絡冗余設計[J].電力系統自動化,2011,35(10):70-73.

[14] 于鵬飛,喻強,鄧輝,等.IEEE 1588精確時間同步協議的應用方案[J].電力系統自動化,2011,35(10):99-103.

[15] 汪祺航,吳在軍,趙上林,等.IEEE1588 時鐘同步技術在數字化變電站中的應用[J].電力系統保護與控制,2010,38(19):137-141.

Performance Analysis of Communication in Smart Substations

ZHAOLi-fu,WANGWen-qi，QIAOMu

(State Grid Shandong Electric Power Corporation Maintenance Company，Zibo 255000,China)

Ethernet is specified as the communication tool of smart subsation in IEC 61850 standard.Its performance is very vital to smart substation.This paper study the timeliness,reliability and synchronism of communication network in smart substation.The situation of the filed and existing problems are analysed,and some improvement measures is proposed.In consideration of timeliness,EPON and real-time Ethernet are introduced as well as its potential factors in application.As to reliability and synchronism,a variety of exiting technologies are compared,and some related merits and weakness are pointed out.It can be viewed as the reference of future application.

IEC 61850;Ethernet;EPON;real-time Ethernet

1004-289X(2016)03-0041-05

TM63

B

2015-09-05

趙利富(1988-)，男，工程師，主要從事變電站綜合技術研究； 王文琪(1986-)，男，助理工程師，從事智能變電站方面的研究； 喬木(1990-)，男，助理工程師，從事智能變電站方面的研究。