一種智能變電站專用交換機(jī)的測(cè)試及應(yīng)用研究

張保善，王龍飛，黃震，張育銘，張群玲，程克杰

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

0 引 言

已建設(shè)的智能變電站過程層SV傳輸主要采用組網(wǎng)傳輸和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸兩種方式。過程層采用交換機(jī)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)性能滿足電力系統(tǒng)的要求[1-4], 接線清晰，通信可靠性高。但差動(dòng)保護(hù)接收的SV報(bào)文經(jīng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延未知[5]，同步須在SV報(bào)文進(jìn)入交換網(wǎng)絡(luò)之前完成，全站MU接收外部同步時(shí)鐘，任一MU外部時(shí)鐘中斷，基于該組SV判據(jù)的差動(dòng)保護(hù)就會(huì)退出。

差動(dòng)保護(hù)SV接收采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接線方式時(shí)[6-7]，解決了MU外部同步時(shí)鐘中斷差動(dòng)保護(hù)退出的問題，但裝置CPU需擴(kuò)展更多的以太網(wǎng)接口，通信節(jié)點(diǎn)的增加不利于系統(tǒng)工作的可靠性，同時(shí)增加了保護(hù)裝置及過程層裝置的功耗，不利于裝置的就地化安裝。

目前智能變電站過程層交換機(jī)工作于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式，擁塞排隊(duì)導(dǎo)致時(shí)延抖動(dòng)較大，為滿足電力系統(tǒng)同步采樣精度要求，全站采樣同步須依賴外部對(duì)時(shí)，不利于二次繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

一種智能變電站專用交換機(jī)，采用SV轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)逐級(jí)標(biāo)注的方法，同時(shí)具有SV組網(wǎng)傳輸和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)。接收多組SV的差動(dòng)保護(hù)不依賴外部對(duì)時(shí)，保護(hù)裝置依據(jù)報(bào)文中的延時(shí)字段后端插值實(shí)現(xiàn)同步，同時(shí)減少通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量，簡(jiǎn)化智能變電站二次接線，提高智能變電站保護(hù)可靠性。

1 SV報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)計(jì)算原理

本節(jié)介紹交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)SV報(bào)文時(shí)延時(shí)計(jì)算原理，交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文延時(shí)計(jì)算，光纖鏈路傳輸延時(shí)計(jì)算。

1.1 交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)SV報(bào)文延時(shí)計(jì)算

智能變電站專用交換機(jī)在現(xiàn)有交換機(jī)基礎(chǔ)上采用FPGA生成高精度時(shí)間戳：接收時(shí)，交換機(jī)的以太網(wǎng)PHY芯片直接將報(bào)文發(fā)送給FPGA芯片，F(xiàn)PGA打上高精度入口時(shí)戳；FPGA將報(bào)文發(fā)送給交換芯片，與傳統(tǒng)交換機(jī)一樣，交換芯片依據(jù)MAC地址表完成報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)；發(fā)送時(shí)，F(xiàn)PGA接收到交換芯片轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文并打上高精度的發(fā)送時(shí)戳。

交換機(jī)對(duì)智能變電站過程層報(bào)文進(jìn)行解碼，根據(jù)以太網(wǎng)類型碼0x88BA找出SV報(bào)文，將SV穿越交換機(jī)的延時(shí)寫入SV報(bào)文的延時(shí)字段中，交換機(jī)級(jí)聯(lián)時(shí)該延時(shí)字段逐級(jí)累加。報(bào)文發(fā)送到交換機(jī)端口后，首先被FPGA捕獲，F(xiàn)PGA打上入口時(shí)戳T1，然后轉(zhuǎn)發(fā)給交換芯片，該幀SV在FPGA發(fā)送時(shí)打上時(shí)間戳T2, ΔT=T2-T1填在SV報(bào)文的保留字段中，ΔT包含SV報(bào)文串行接收時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延(見圖1)。

圖1 交換機(jī)對(duì)SV報(bào)文打時(shí)間戳的原理

1.2 光纖鏈路傳輸延時(shí)計(jì)算

上節(jié)中中標(biāo)注的延時(shí)不含光纖鏈路傳輸延時(shí)，智能變電站專用交換機(jī)采用1588對(duì)時(shí)方案計(jì)算光纖鏈路傳輸延時(shí)[8]。交換機(jī)FPGA捕捉Pdelay_Req與Pdelay_Resq事件報(bào)文，分別生成t1～t4高精度時(shí)間戳(見圖2)，并將計(jì)算的鏈路延時(shí)累加到SV報(bào)文的保留字段中。鏈路延時(shí)計(jì)算不依賴于外部對(duì)時(shí)，在原理上保證了電力二次保護(hù)控制系統(tǒng)的可靠性。

圖2 光纖鏈路傳輸延時(shí)計(jì)算

2 交換機(jī)延時(shí)標(biāo)注位置及時(shí)標(biāo)單位

交換機(jī)延時(shí)標(biāo)注在保留字段中的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，時(shí)標(biāo)采用納秒的必要性。

2.1 標(biāo)注延時(shí)寫入SV報(bào)文保留字段

有以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

(1)SV報(bào)文保留字段[9]固定為第23～27字節(jié)，交換機(jī)不需要解析SCD文件，F(xiàn)PGA程序處理流程簡(jiǎn)單，可靠性高(見表1)；

(2)除保留字段外，交換機(jī)不修改SV報(bào)文的其他內(nèi)容，便于問題分析。

表1 SV報(bào)文格式

2.2 標(biāo)注延時(shí)采用納秒為單位

合并單元檢測(cè)規(guī)范要求同步精度小于1 μs[10]，延時(shí)字段若選μs為單位，交換機(jī)為保證精度在轉(zhuǎn)發(fā)SV報(bào)文時(shí)會(huì)等待，轉(zhuǎn)發(fā)SV報(bào)文時(shí)速率達(dá)不到端口速率。選ns為單位，交換機(jī)FPGA芯片的最小時(shí)鐘粒度一般小于20 ns，交換機(jī)以端口速率轉(zhuǎn)發(fā)SV報(bào)文時(shí)，經(jīng)1級(jí)交換機(jī)延時(shí)字段的理論誤差小于20 ns。

使用24位無符號(hào)數(shù)表示延時(shí)大小，最大能表示16 777 215 ns，網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)及線路光纖通道傳輸延時(shí)均小于該值,不僅滿足智能變電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也能滿足未來廣域網(wǎng)保護(hù)發(fā)展的需求。其余8位可用來傳輸交換機(jī)狀態(tài)：如延時(shí)溢出、閉鎖標(biāo)志、網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)等信息。

3 交換機(jī)延時(shí)精度測(cè)試及誤差分析

通過智能變電站專用交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀閉環(huán)測(cè)試法，保護(hù)裝置重采樣相位差計(jì)算法分別測(cè)試標(biāo)注延時(shí)精度。測(cè)試使用的專用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀及保護(hù)裝置均支持1.2中描述鏈路延時(shí)計(jì)算功能。

本次測(cè)試交換機(jī)24個(gè)百兆光口，4個(gè)千兆光口，在智能變電站工程應(yīng)用中一般選型為主干交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載最大。

3.1 交換機(jī)基本性能測(cè)試

測(cè)試智能變電站專用交換機(jī)的基本性能，主要考核關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)能否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[11]。

(1)依據(jù)RFC2544，整機(jī)吞吐量、端口轉(zhuǎn)發(fā)速率、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)、延時(shí)抖動(dòng)、幀丟失率均滿足《智能變電站交換機(jī)技術(shù)規(guī)范》的要求(見圖3)；

(2)依據(jù)RFC2889，MAC緩存能力、MAC地址學(xué)習(xí)速率均滿足《智能變電站交換機(jī)技術(shù)規(guī)范》的要求(見圖3)。

圖3 交換機(jī)基本性能測(cè)試

3.2 基于專用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀閉環(huán)測(cè)試標(biāo)注延時(shí)精度

使用智能變電站交換機(jī)專用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀，模擬過程層網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵業(yè)務(wù) -SV報(bào)文，專用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀支持鏈路延時(shí)計(jì)算，同時(shí)從SV報(bào)文的保留字段中提取標(biāo)注延時(shí)，形成閉環(huán)測(cè)試，測(cè)試誤差小。

交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)100M 64/136/220/320/576字節(jié)的SV，轉(zhuǎn)發(fā)絕對(duì)時(shí)延與SV報(bào)文中標(biāo)注的時(shí)延誤差小于100 ns。無丟幀，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延小于7 μs，延時(shí)抖動(dòng)小于1 μs(見圖4)，滿足《智能變電站交換機(jī)技術(shù)規(guī)范》中的要求，滿足智能變電站同步精度要求。

圖4 不同長(zhǎng)度SV穿越交換機(jī)延時(shí)精度

交換機(jī)級(jí)通過千兆級(jí)聯(lián)，交換機(jī)百兆口、千兆口轉(zhuǎn)發(fā)無丟幀，轉(zhuǎn)發(fā)絕對(duì)時(shí)延與SV報(bào)文中標(biāo)注的時(shí)延誤差小于100 ns(見圖5)，滿足《智能變電站交換機(jī)技術(shù)規(guī)范》中的要求，滿足智能變電站同步精度要求。

圖5 交換機(jī)千兆級(jí)聯(lián)延時(shí)精度

3.3 基于保護(hù)裝置相位差計(jì)算法測(cè)試標(biāo)注延時(shí)精度

采用兩組同源SV，一組通過光纖直連接入保護(hù)裝置，一組SV經(jīng)過智能變電站專用交換機(jī)后接入保護(hù)裝置(見圖6)。

圖6 不同長(zhǎng)度SV穿越交換機(jī)延時(shí)精度

圖6基于保護(hù)裝置相位差計(jì)算法測(cè)試SV延時(shí)精度，能實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。

(1)數(shù)字繼保測(cè)試儀輸出的是數(shù)字量，不引入模擬量放大、濾波、采樣誤差;

(2)使用高精度網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試光口1、光口2發(fā)送相同采樣報(bào)文的時(shí)間差小于20 ns；

(3)保護(hù)裝置支持鏈路延時(shí)計(jì)算，同時(shí)從SV報(bào)文的保留字段中提取標(biāo)注延時(shí)，然后將兩組SV依據(jù)保護(hù)裝置FPGA的時(shí)間戳進(jìn)行重采樣；

(4)光口1到保護(hù)，光口2到交換機(jī)采用等長(zhǎng)光纖。

兩組SV的IA1均映射到測(cè)試儀的同一個(gè)數(shù)字量通道。保護(hù)裝置計(jì)算SV_4001_IA1與SV_4002_IA1的相位差小于0.003 1°，折算后標(biāo)注延時(shí)誤差小于173 ns。該延時(shí)誤差滿足智能變電站系統(tǒng)要求。

在圖6中分別測(cè)試了交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)不同長(zhǎng)度的SV報(bào)文，每種長(zhǎng)度的報(bào)文拷機(jī)2小時(shí)，表2為不同長(zhǎng)度的SV穿越交換機(jī)后的標(biāo)注延時(shí)精度。

表2 不同長(zhǎng)度的SV穿越交換機(jī)后的標(biāo)注延時(shí)精度

模擬主變間隔交換機(jī)接收7組直采SV，在交換機(jī)的百兆口匯聚，SV報(bào)文在發(fā)送端口排隊(duì)，單組26通道SV流量為8.96 Mbit/s，8組SV的IA1均映射在數(shù)字繼保測(cè)試儀的同一個(gè)通道(見圖7)。拷機(jī)24小時(shí)4001_IA1與其余7組SV的IA1的相位差小于0.003 5°，折算后7組SV匯集穿越交換機(jī)標(biāo)注延時(shí)誤差小于195 ns。該延時(shí)誤差滿足智能變電站系統(tǒng)要求。

3.4 電力系統(tǒng)突發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)注延時(shí)精度的影響

模擬變電站發(fā)生雪崩，智能變電站網(wǎng)絡(luò)中存在大量短時(shí)突發(fā)數(shù)據(jù)，測(cè)試交換機(jī)所填延時(shí)精度，母差保護(hù)按24個(gè)元件接線，總數(shù)據(jù)流量近210 Mbit/s，母差保護(hù)過程層網(wǎng)絡(luò)接口速率為1 Gbps(見圖8)。

在圖8的接線方式下，24個(gè)合智一體裝置均接同步信號(hào)，SV報(bào)文發(fā)送時(shí)刻的同步精度在200 ns以內(nèi)，SV在交換機(jī)的千兆端口存在大量隨機(jī)排隊(duì)，模擬智能變電站雪崩，母差保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)跳開24個(gè)元件。使用基于FPGA打時(shí)標(biāo)的高精度網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析儀，配合無源光分路器，分析各通信節(jié)點(diǎn)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延及流量突發(fā)。

圖7 7組SV匯集穿越交換機(jī)延時(shí)精度

圖8 24個(gè)元件母線保護(hù)動(dòng)作時(shí)延精度測(cè)試

所有開關(guān)變位GOOSE報(bào)文上送離散度小于1 ms，SV轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)抖動(dòng)最大達(dá)380 μs，交換機(jī)標(biāo)注時(shí)延誤差小于150 ns，極端模式下該交換機(jī)滿足電力系統(tǒng)的要求[12-13]。

4 結(jié)束語

(1)智能變電站交換機(jī)SV標(biāo)注延時(shí)字段完整覆蓋智能變電站網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的4個(gè)部分：存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)、排隊(duì)延時(shí)、報(bào)文串行接收/發(fā)送延時(shí)、光纖鏈路傳輸延時(shí)。每段時(shí)延均是相對(duì)時(shí)間差的計(jì)算，軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜度小，方案有利于保證電力系統(tǒng)的可靠性；

(2)交換機(jī)整機(jī)吞吐量、端口轉(zhuǎn)發(fā)速率、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)、延時(shí)抖動(dòng)、幀丟失率、MAC緩存能力、MAC地址學(xué)習(xí)速率等關(guān)鍵性能指標(biāo)滿足《智能變電站交換機(jī)技術(shù)規(guī)范》的要求；

(3)通過對(duì)智能變電站電力專用交換機(jī)進(jìn)行測(cè)試研究，使用該交換機(jī)進(jìn)行過程層組網(wǎng)，同時(shí)具備網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享及SV報(bào)文點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)；

(4)在交換機(jī)滿負(fù)荷下及智能變電站雪崩極端情況下,SV標(biāo)注最大延時(shí)誤差小于170 ns，滿足電力系統(tǒng)應(yīng)用的要求；

(5)交換機(jī)參與采樣延時(shí)補(bǔ)償這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，存在電力系統(tǒng)對(duì)通信設(shè)備依賴性更高的問題，如何提高交換機(jī)廠家產(chǎn)品質(zhì)量，二次廠家如何進(jìn)行異常數(shù)據(jù)識(shí)別需要做進(jìn)一步研究。