1、胡 俊 & 周佳華 加拿大羅杰康公司 2011-12,智能變電站交換機及組網方案,智能變電站與以太網交換機 智能變電站自動化系統(tǒng)網絡設計 工程實例 Q & A,主題,智能變電站與數(shù)字化變電站,智能化變電站與數(shù)字化變電站是智能電網的關鍵節(jié)點； 數(shù)字化變電站的特征是一次設備數(shù)字化、二次設備網絡化、通信規(guī)約標準化； 智能變電站是采用先進、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網實時自動控制、智能調節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能的變電站。 基于IEC61850標準的

2、變電站網絡通信是最大的共同點。,智能化變電站二次系統(tǒng),站控層網絡 IEC 61850-8-1,過程層網絡 IEC 61850-9-2,智能化變電站交換機的作用,交換CT 和VT 的采樣測量值； 保護和控制 I/O 數(shù)據(jù)的快速交換； 控制和跳閘信號； 工程和配置； 監(jiān)控和管理； 控制中心之間通信； 時間同步，依同步精度要求不同分別采用NTP和PTP時鐘同步協(xié)議； 計量； 故障記錄和網絡分析； 其他功能，如資產管理等。 以太網交換機所帶來的高速的數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)交換使得IEC61850變電站中的智能電子設備 (IED) 可以集成更多更高級的功能，從而使得變電站的二次系統(tǒng)成為一個智能化分布式控制系統(tǒng)。

3、,智能變電站對以太網交換機的要求,高可靠性 （MTBF 106 hours） 高可用性 99.999% 快速網絡自愈（eRSTP、MSTP、HSR） GOOSE報文要求小于3ms的網絡延時（包括IED的處理時間） 精確時鐘同步PTP（ 1us） 電力加強型的電磁兼容性：IEEE 1613，IEC 61850-3 強電磁干擾下實現(xiàn)零丟包Zero-packet-loss 符合IEEE 1613 Class 2標準（通過KEMA 測試） 強大的功能支持保護、測控、 IEC 61850應用和其他各種高級應用 適應惡劣環(huán)境，寬工作溫度范圍（無風扇散熱）：-40 to +85C，濕度達95% 網絡安全,更

4、高 更快 更強 更安全,設備工作溫度： -5+45（戶內）/ -25+55（戶外）（所有羅杰康產品的工作溫度均為-40 to +85 ，無風扇冷卻） 額定電壓：DC 220/110V。為調試方便，交換機也應支持220VAC供電羅杰康產品支持88-300VDC/85-264VAC，也支持24VDC、48VDC 雙冗余電源選項，且支持負載均衡 冗余電源可以是不同的電壓輸入 防護等級：防護等級IP40以上 出線方式：可采用前出線或后出線方式，現(xiàn)場安裝的交換機宜采用后出線方式,基本技術要求,DL/T860標準對以太網交換機的要求,以太網交換機實質上也是一個智能裝置 (IED) 在變電站EMI環(huán)境中必須

5、能正常工作. DL/T860規(guī)定了智能裝置必須進行的型式試驗, 以模擬各種EMI現(xiàn)象: 開關感性負載 閃電 靜電釋放 便攜式無線通信設備產生的干擾 地電勢升高(變電站內大電流故障引起的) ,IEC 61850-3 (2002) “Communications networks and systems in substations” 變電站中的通信網絡和系統(tǒng),DL/T860標準對以太網交換機的要求,工業(yè)以太網交換機不可以未經測試和認證直接用于變電站 DL/T860標準強調“一般工業(yè)環(huán)境的抗干擾要求對于變電站來說是不足的”,IEEE 1613標準對以太網交換機的要求,IEEE 1613,電站中通信

6、網絡設備的標準環(huán)境和測試要求，進一步定義了“Class 2”工作要求，即在進行型式試驗過程中，交換機必須符合: 無通信故障 無通信延遲 無通信中斷,IEEE 1613 (2003) “Standard Environmental and Testing Requirements for Communications Networking Devices in Electric Power Substations”,國網交換機技術規(guī)范,智能變電站中的以太網交換機不僅被用于后臺數(shù)據(jù)的采集，也是控制和保護動作的信息通道，因此必須對以太網交換機的可靠性、電磁兼容性能、實時性、通信功能、安全性等方面提出

7、更高的要求。 國網公司2010年3月發(fā)布了智能變電站網絡交換機技術規(guī)范（Q/GDW4292010），使得公司系統(tǒng)內智能變電站網絡交換機選型、設備采購等工作有了遵循的依據(jù)。,DL/T860 標準: 抗電磁干擾,變電站環(huán)境抗電磁干擾的要求 比工業(yè)環(huán)境抗電磁干擾的水平更高 按照繼電保護裝置的要求進行測試,基于繼電保護設備的IEEE C37.90.x 標準 設備運行性能分為兩類 CLASS 1 在型式試驗時允許通信故障 CLASS 2 - 在型式試驗時要求“無故障” 操作 不允許用風扇冷卻!,IEEE 1613: 抗電磁干擾,光纖 vs. 銅纜,EPRI 對 UCA(用戶通訊結構)采用的銅纜的研究(1

8、997) 變電站中常見的EMI現(xiàn)象產生的瞬態(tài)過程對屏蔽和非屏蔽五類線的影響 結果表明，出現(xiàn)很大的數(shù)據(jù)幀丟包率: 32% 1kV 66% 2kV 75% -2kV,Rockwell Automation - 銅纜的共模抑制 (2002) Induced RFI (IEC 61000-4-6) Applied to CAT5 cable to test CMR (Common Mode Rejection) 在相鄰銅纜中發(fā)生共模噪聲耦合 結果誤碼率: 22% 10Vrms (噪聲耦合)!,結論：在不允許發(fā)生通信故障的實時控制應用中需要采用光纖,當交換機用于傳輸SMV或GOOSE等可靠性要求較高的信

9、息時應采用光接口；當交換機用于傳輸MMS等信息時宜采用電接口 交換機MAC地址緩存能力 4096個 交換機學習新的MAC地址速率 1000幀/s 傳輸各種幀長數(shù)據(jù)時交換機固有時延應 10s 交換機在全線速轉發(fā)條件下丟包（幀）率為零 支持虛擬局域網VLAN，IEEE 802.1p 流量優(yōu)先級控制標準，快速生成樹協(xié)議RSTP或多生成樹協(xié)議MSTP， 網絡風暴抑制，GMRP組播協(xié)議，簡單網絡管理協(xié)議SNMP，通信安全等,交換機主要網絡性能要求,過程層網絡：GOOSE與SMV,IEC61850建議的MAC地址取值范圍,IEC61850標準中各種服務類型的報文均使用組播MAC地址。 交換機在缺省情況下會

10、將組播報文全網廣播，這雖然能保證報文傳輸?shù)膶崟r性，但是這也造成裝置收到大量與自身無關的報文，特別是網絡中有SMV報文時，往往會造成裝置過載。,以每周波80點采樣為例，按照IEC61850-9-1傳輸方式，將采樣值（SV）信號和開入開出信號并為一幀發(fā)送，其占用的網絡帶寬為： SR TL nMU 其中SR為采樣速率（Hz） TL為最大報文長度，即26個字節(jié)以太網報頭 +4個字節(jié)優(yōu)先級標簽 +8個字節(jié)以太網型PDU +2個字節(jié)ASN.1標記/長度+2個字節(jié)塊的數(shù)目+46個字節(jié)通用數(shù)據(jù)集+23個字節(jié)狀態(tài)量=111個字節(jié)，111字節(jié)8位=888位，888位+96位幀間隔=984位 nMU為所連接的合并單

11、元（MU）的數(shù)目 所以SRTLnMU=(8050Hz)984BitnMU = 3.936 nMU Mbps 對于一個100M的以太網絡，一臺MU做占用網帶寬以達到4左右，而通常母差和變壓器等保護裝置需要多個MU，所占用的帶寬往往需要會成倍增加。,過程層網絡負荷,組播與MAC地址,報文的目的地址分為： 單播：一對一 廣播：一對全部 組播：一對多,MAC地址第一個字節(jié)的最后一位如果是“1”，即表示組播 交換機缺省情況下會將組播報文廣播到同一局域網的所有端口,VLAN 1,VLAN 2,T,T,R,R,什么可以限制組播?,VLAN可以限制組播，但裝置可能還會收到無用的組播 靜態(tài)組播過濾 GMRP 或

12、 IGMP 組播過濾,IED,IED,IED,IED,IED,MU,GOOSE,SMV,VLAN標簽,Data Variable Length 46-1500 Bytes,Type 2 Bytes,Source MAC 6 Bytes,Dest. MAC 6 Bytes,Preamble 8 Byes,FCS 4 Bytes,Type 4 Bytes,TPID,TCI,User Priority 3bit,Tag Protocol ID 0 x8100 16bit,CFI 1bit,VLAN ID 12bit,TPID = Tag Protocol Identifier TCI = Tag C

13、ontrol Information CFI = Canonical Format Indicator,帶優(yōu)先級的以太網幀 最大幀長度 - 1522 字節(jié)（增加了4 個字節(jié)）,為報文指定VLAN ID的方式有兩種： 設置交換機端口的PVID，使裝置發(fā)出的VLAN ID=0的報文關聯(lián)上PVID 在裝置中設置報文的VLAN ID，即裝置發(fā)出的報文中已經包含了一個非零的VLAN ID，而交換機所有端口的PVID一般保留缺省值1； 隨后通過在交換機中設置靜態(tài)VLAN的FORBIDDEN規(guī)則，實現(xiàn)組播報文的隔離。 以上兩種方法通常可以達到相同的組播報文隔離效果。第一種方法實施簡單，因為無需對裝置做VLA

14、N配置。但在實際應用中，第二種方法是適應性更好。因為智能變電站中越來越多地使用IEC61588對時技術，而根據(jù)標準，要求對時裝置間發(fā)出的PTP報文應在一個同一個VLAN中。如果采用上述方案二，即端口的PVID不同，會使PTP報文不能正常交互。另外在實際應用中也發(fā)現(xiàn)，方法一會增加交換機的CPU負載，對PTP對時精度稍有影響。,VLAN ID,什么是VLAN？ Virtual LAN: 一個獨立的以太網，它與其它網絡共用相同的硬件 允許不同位置的多個設備同時工作，就象在不同的局域網上一樣 每個VLAN作為一個獨立的廣播域 IEEE 802.1Q 標準定義了 tagged 幀格式，允許多個VLAN在

15、一個主干上傳輸 VLAN之間的數(shù)據(jù)通信需要采用路由器,為什么需要VLAN？ 大量的廣播數(shù)據(jù)浪費了大量帶寬 VLAN減少了廣播流量 隔離帶有關鍵實時數(shù)據(jù)的IEDs 這些設備不需要處理無關的數(shù)據(jù)包 隔離產生大量數(shù)據(jù)輸出的設備 61850-9-2過程總線和視頻監(jiān)控設備可能產生大量的數(shù)據(jù)流 VLAN將他們隔離 安全 VLANs將數(shù)據(jù)流限制在需要它的工作站上 不能被監(jiān)聽 一般來講，每個VLAN有自己的IP子網,VLAN (802.1Q),VLAN 舉例,1,2,3,4,5,13,14,15,16,1,2,3,4,5,13,14,15,16,VLAN 1,VLAN 2,VLAN 3,VLAN 2,VLAN

16、 3,VLAN 1,VLAN TRUNK,VLAN TRUNK,靜態(tài)組播過濾,靜態(tài)地址表是通用性最好的隔離組播的方法，但填寫MAC地址是很繁瑣事情，一般只在智能裝置不支持VLAN時使用。,動態(tài)組播過濾GMRP,GMRP是GARP Multicast Registration Protocol（GARP組播注冊協(xié)議）的縮寫，是一種數(shù)據(jù)鏈路層的組播過濾協(xié)議，非常適合變電站過程層GOOSE和SV等組播報文的過濾 在支持GMRP的交換機和裝置間傳輸組播注冊信息，動態(tài)維護組播地址表 GMRP可以大大簡化智能變電站內交換機配置,動態(tài)組播過濾GMRP,為了適應智能變電站故障錄波、報文記錄儀等設備，需要對GM

17、RP協(xié)議做以下的優(yōu)化： 交換機的全局GMRP = off - 組播被廣播到交換機的所有端口 交換機的全局GMRP = on，且端口的GMRP = on - 組播只發(fā)送到“member”端口 交換機的全局GMRP = on，且端口的GMRP = off - 組播也會被廣播到該端口,MC,A,B,C,GMRP=off,GMRP=on,GMRP=on,Port GMRP=onregistered,IED,MU,IED,IED,IED,Port GMRP=offregistered,DL / T 860.5一2006 13.4 傳輸時間定義：時間計時從發(fā)送方把數(shù)據(jù)內容置于其傳輸棧頂時刻開始，直到接受方

18、從其傳輸棧中取走數(shù)據(jù)時結束。 13.7 報文類型和性能類：跳閘是變電站中最重要的快速報文?？倐鬏敃r間應小于1/4周期，規(guī)定3ms。,網絡延時傳輸時間定義,網絡延時交換機的延時計算,交換機以太網的延時由以下4部分組成 幀收發(fā)延時（LSF） 交換延時（LSW） 線路傳輸延時（LWL） 幀隊列延時（LQ） 總的網絡延時 = LSF + LSW + LWL + LQ 通常，提高幀收發(fā)速度和降低網絡負載（幀排隊時間），是減小網絡延時的主要手段,網絡延時幀收發(fā)延時 LSF,10 Mbit/s以太網幀收發(fā)延時: 64 字節(jié)數(shù)據(jù)包 = 51.2 s 1522字節(jié)數(shù)據(jù)包 = 1217.6 s 100 Mbit/

19、s以太網幀收發(fā)延時: 64字節(jié)數(shù)據(jù)包 = 5.12 s 1522字節(jié)數(shù)據(jù)包 = 121.76 s 1000 Mbit/s以太網幀收發(fā)延時: 64字節(jié)數(shù)據(jù)包 = 0.512 s 1522字節(jié)數(shù)據(jù)包 = 12.176 s,網絡延時交換延時 LSW,RuggedCom交換機的交換延時小于 7s,網絡延時線路傳輸延時LWL,數(shù)據(jù)在線路上的傳輸?shù)乃俣劝?/3的光速計算,如果傳輸距離較長，比如說100KM，延時LWL計算如下 LWL = 1x105 m / (0.66 3108 m/s) 500 s,平均幀隊列延時可以按以下公式估算：LQ = (網絡負載) LSF(max) 網絡負載是當前網絡負載占網絡帶

20、寬的百分比 LSF(max) 存儲轉發(fā)最大數(shù)據(jù)幀 (1500 byte)的收發(fā)時間 網絡負載在25% 的情況下平均幀排隊延時為：LQ = 0.25 12000 bits / 100Mbps = 30s,網絡延時幀隊列延時LQ,網絡延時實際案例,對于采樣值網絡，線路上的時延可以忽略不計，排隊時延按上述平均排隊時延考慮。則總時延等于報文通過每臺交換機的時延的總和。 總時延（L_Total）(us)=LSF1+LSW1+LQ1+LSF2+LSW2+LQ2+LSF3+LSW3+LQ3+LSF4 對于大侶110KV變電站的網絡延時，網絡負載分別為38%和45%，即38M和45M。 對132個字節(jié)的采樣值

21、數(shù)據(jù)，經過3臺交換機的總延時，理論分析57.82us，實驗測得58us。,IEC61588時鐘同步,PTP的基本構思是通過硬件和軟件將網絡設備（客戶機）的內部時鐘與主控機的主時鐘實現(xiàn)同步，提供同步建立時間小于10s的運用，與未執(zhí)行IEEC61588協(xié)議的以太網延遲時間1ms相比，整個網絡的定時同步指標有顯著的改善 PTP對時三個主要環(huán)節(jié)： 最佳主時鐘算法BMC 主從時鐘偏差計算 主從時鐘傳輸延時計算,兩步法PTP對時原理,主時鐘和從時鐘的時間偏差,主時鐘和從時鐘的傳輸延時,透明時鐘（TC）工作原理,透明時鐘（TC）工作原理,P2P延時計算,TC的傳輸延時計算,P2P延時計算,TC的傳輸延時計算

22、,P2P中TC依次累計前端的傳輸延時，作為其下一個節(jié)點的修正時間（correction),T1(t4-t1)-(t3-t2)/2,IEEE1588時鐘同步,IEEE 1588v2 測試,經過三臺RSG2288交換機測得主鐘與從鐘之間的偏差 100ns,智能變電站與以太網交換機 智能變電站自動化系統(tǒng)網絡設計 工程實例 Q & A,總線分布式拓撲結構,多臺交換機的簡單串接 易于布線 就象RS485一樣 沒有冗余 任一電纜/交換機的故障可能導致多個IED與站控級斷開,星形分布式拓撲結構,最小延遲 從IED到IED之間只有三跳 全部連接到中心交換機通常成本高且不易實現(xiàn) 冗余能力與總線形一樣,環(huán)形分布式

23、拓撲結構,N+1 網絡冗余容錯能力 采用RSTP自動重新組態(tài) 多環(huán)連接可以組成網格形拓撲結構,需要采用RSTP 實現(xiàn)備用連接,IED冗余接線增強網絡彈性,雙星形集中式拓撲結構,雙星形分布式拓撲結構,雙倍的設備和線路,雙環(huán)形分布式拓撲結構,案例：青島午山220KV變電站,相切環(huán)形分布式拓撲結構,案例：浙江外陳220KV變電站,網狀分布式拓撲結構,SV,GOOSE,案例：唐山郭家屯220KV變電站,智能變電站自動化系統(tǒng)網絡,直采直跳的組網方式,網絡設計原則,站控層/間隔層網絡 可傳輸MMS報文和GOOSE 報文； 220kV及以上變電站站控層/間隔層網絡宜采用雙重化星形以太網絡，110kV（66k

24、V）變電站站控層/間隔層網絡宜采用單星形以太網絡。 過程層網絡 可傳輸GOOSE 報文和SV報文； 雙重化配置的保護裝置應分別接入各自GOOSE 和SV 網絡，單套配置的測控裝置；等宜通過獨立的數(shù)據(jù)接口控制器接入雙重化網絡，對于相量測量裝置、電度表等僅需接入SV采樣值單網。 介質與傳輸距離限制 過程層交換機與交換機之間，交換機與裝置之間采用多模光纖（MMF）； 如果1000M傳輸距離超過275米時，應采用50/125um多模光纖或者單模光纖； 站控層交換機與交換機之間采用光纖級聯(lián)，交換機與裝置之間（如果無GOOSE等關鍵任務）可采用雙絞線，注意雙絞線的傳輸距離一般不宜超過1020米。,站控層及

25、間隔層網絡配置示意,過程層網絡配置示意圖,網絡設計建議,220kV變電站 當保護、測控裝置下放布置時，SV報文宜統(tǒng)一采用點對點方式，除保護跳閘外GOOSE 報文宜采用網絡方式，220kV、110kV應按電壓等級配置過程層網絡。220kV 過程層網絡宜采用星形雙網結構。110kV過程層網絡宜采用星形雙網結構，也可采用星型單網結構。當間隔數(shù)量較多時，經技術經濟比較后110kV可不設置間隔內過程層交換機，間隔內同一智能控制柜中的過程層、間隔層設備間SV、GOOSE 報文采用點對點方式連接，跨間隔間GOOSE通信通過過程層中心交換機完成。,網絡設計建議,220kV變電站 當間隔層保護、測控裝置集中布置

26、時，除保護裝置外SV 報文、除保護跳閘外GOOSE 報文宜統(tǒng)一采用網絡方式、共網傳輸（SV 報文也可統(tǒng)一采用點對點方式），220kV、110kV應按電壓等級配置過程層網絡。220kV 過程層網絡宜采用星形雙網結構，110kV過程層網絡宜采用星形雙網結構，也可采用星型單網結構。,網絡設計建議,220kV變電站 220kV、110kV宜按照電壓等級配置過程層中心交換機，用于同一電壓等級過程層跨間隔數(shù)據(jù)的匯總與通信。母線保護、故障錄波及網絡記錄分析一體化裝置等裝置宜通過中心交換機收發(fā)過程層數(shù)據(jù)。當220kV采用線變組或擴大內橋接線時，可不配置過程層中心交換機。中心交換機端口總數(shù)量應與之相級聯(lián)的間隔過

27、程層交換機端口數(shù)量相匹配，并保留一定備用端口。當過程層采用雙網時，中心交換機也應按雙網配置。,網絡設計建議,220kV變電站 35kV及以下電壓等級不配置獨立過程層網絡，SV報文可采用點對點方式傳輸，GOOSE 報文可利用站控層網絡傳輸。 主變不配置獨立過程層網絡，主變保護、測控等裝置宜接入高、中壓側過程層網絡，主變低壓側過程層SV報文、GOOSE 報文可接入中壓側過程層網絡。變壓保護、測控等裝置接入不同電壓等級的過程層網絡時，應采用相互獨立的數(shù)據(jù)接口控制器。,網絡設計建議,110kV變電站 對于單母線或雙母線接線，當間隔層保護、測控裝置集中布置時，110kV 過程層宜設置單星形以太網絡，GO

28、OSE 及SV 報文宜采用網絡方式傳輸，GOOSE 網與SV 網共網設置；當保護、測控裝置下放布置時，GOOSE 及SV均不組網，采用點對點方式傳輸。 對于橋式接線、線變組接線，110kV GOOSE 報文及SV報文宜采用點對點方式傳輸，不宜組建過程層網絡。 35kV、10kV不宜設置過程層網絡，GOOSE 報文通過站控層傳輸。,智能變電站與以太網交換機 智能變電站自動化系統(tǒng)網絡設計 工程實例 Q & A,上海南橋變電站,Source: Siemens Presentation,浙江外陳220KV數(shù)字化變電站,浙江蘭溪500KV變電站,大侶110KV智能化變電站,220kV紀南變電站-220kV SV網,A網3臺RSG2100全光口交換機，并留有相應的冗余端口，B網結構與上圖類似； RSG2100交換機之間通過1