過程總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及交換機的配置與管理

石文江，宋明剛，劉曉陽

(大連供電公司電網(wǎng)調(diào)度中心，遼寧 大連 116021)

對于滿足IEC61850－9－2標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站［1］，其過程總線 (過程層通信)主要由光纖以太網(wǎng)交換機組成，過程總線的合理設(shè)計及交換機的可靠配置與管理將直接影響變電站的安全運行，過程總線必須滿足穩(wěn)定的實時性和安全性，并能適應(yīng)各種應(yīng)用要求，同時過程總線的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計也有利于智能變電站的推廣應(yīng)用。

1 智能變電站典型配置及信息流

1.1 電子式互感器及以太網(wǎng)設(shè)備的選擇

智能變電站所采用的電子互感器［2］(EVT、ECT、EVCT)一般為雙配置，4路光纖輸出，其中保護2路、測量2路以提高可靠性。光學(xué)ECT的外觀如圖1。電磁式EVCT的結(jié)構(gòu)如圖2，采用低功率線圈LPCT輸出測量 (計量)用電流采樣值、空心線圈輸出保護用電流采樣值、電容分壓器輸出電壓采樣值，為保護、測量、計量所共用。

為滿足保護的實時性和測量精度，一般EVCT的采樣速率很高，常見的是每周波 (20 ms)80個采樣值，最高可達(dá)每周波480個采樣值，因此采樣值報文的數(shù)據(jù)流量很大。另一方面，由于采樣值的數(shù)據(jù)采集和傳輸需要高度同步，過程總線必然要面對高密度同時突發(fā)的數(shù)據(jù)流。在特殊情況下，IED設(shè)備會大量、高密度地重傳GOOSE命令和GSSE信息，也會對過程總線造成很大壓力。這些因素都會給保護的實時性帶來巨大挑戰(zhàn)。由于過程總線采用CSMA/CD以太網(wǎng)，作為一個沖突域的集線器(Hub)不能在此應(yīng)用，必須選用支持802.1p(優(yōu)先級)和802.3q(VLAN)的百兆二層以太網(wǎng)交換機。

圖3 智能變電站的典型配置圖

1.2 過程總線信息流描述

目前，國內(nèi)滿足IEC61850－9－2的智能變電站的典型配置見圖3。

圖3中的EVCT通常采用IEC60044－8(電流)、IEC60044－7(電壓)串口固定格式信號與合并單元 (MU)通信，EVCT和MU均采用PPS光脈沖對時和IEEE1588高精度網(wǎng)絡(luò)對時［3］，以實現(xiàn)采樣值的高精度同步采樣和傳輸功能。合并單元通過過程總線向保護、測控、計量表計等裝置發(fā)送采樣值報文 (電壓、電流等，以太網(wǎng)幀類型0x88BA和SAV和SMV報文)，同時它接收來自智能開關(guān) (智能操作箱)或保護裝置等發(fā)來的位置信息，以實現(xiàn)電壓自動切換、電壓并列等功能，并確保間隔數(shù)據(jù)的完整性和一致性。保護和測控發(fā)出的跳合閘或電壓并列等操作命令 (以太網(wǎng)幀類型0x88B8的GOOSE報文)、智能一次設(shè)備發(fā)出的狀態(tài)信息 (裝置異常、閉鎖、告警等)及部分聯(lián)閉鎖信息等GSSE報文形式均需在過程總線上進(jìn)行收發(fā)。還有部分IED設(shè)備的自描述文件、物理設(shè)備的自檢信息、網(wǎng)卡“宣告”數(shù)據(jù)等也要占用過程總線的帶寬。

在一次設(shè)備與二次設(shè)備之間采用的物理通信鏈路為62.5/125 μm的多模光纖 (ST接口)。由于光纖接口多次插拔會嚴(yán)重影響接頭的質(zhì)量，因此保護室等電磁屏蔽較好的環(huán)境宜采用交換機的電口進(jìn)行通信，同時也省去了大量的短距離光纜、融纖盒和尾纖跳線等，通信可靠性大大提高。當(dāng)然至現(xiàn)場的通信應(yīng)該全部采用光纖，以充分利用光纜優(yōu)良的抗電磁干擾和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Α?/p>

1.3 過程總線信息流分類

智能變電站的總體結(jié)構(gòu)可概括為“三層”——站控層、間隔層、過程層，“兩網(wǎng)”——站控層網(wǎng)絡(luò) (站總線)、過程層網(wǎng)絡(luò) (過程總線)。為了便于信息的分流和安全管理，“兩網(wǎng)”應(yīng)可靠隔離，站控層對外應(yīng)通過1個共同的安全網(wǎng)關(guān)［4］。過程總線采用“發(fā)布/訂閱”的方式進(jìn)行信息傳遞，可分為只發(fā)不收 (僅發(fā)布)、收發(fā)雙向 (發(fā)布/訂閱)2種方式。在具體實現(xiàn)形式上，主要采取單播和多播的以太網(wǎng)報文，單播主要對應(yīng)“收發(fā)雙向”的信息傳輸方式，多播主要應(yīng)用于“只發(fā)不收”的信息傳輸方式。根據(jù)IEC61850－9－2標(biāo)準(zhǔn)，SAV/SMV的多播地址范圍為:01－0c－cd－04－00－00到01－0c－cd－04－01－ff;GSSE的多播地址范圍為:01－0c－cd－02－00－00到01－0c－cd－02－01－ff;GOOSE的多播地址范圍為:01－0c－cd－01－00－00到01－0c－cd－01－01－ff。單播和多播在MMS(制造報文規(guī)范)中通過數(shù)據(jù)控制塊進(jìn)行區(qū)分，如單播USVCB、多播MSVCB。

表1 以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

2 過程總線網(wǎng)絡(luò)流量計算及組網(wǎng)原則

2.1 以太網(wǎng)報文結(jié)構(gòu)及傳輸時延計算公式

以太網(wǎng)報文結(jié)構(gòu)如表1所示:

表中:Length=m+8，其中m為APDU的長度。PAD為報文不夠最小長度 (1 521)時的填充字節(jié)，LPAD=1 521－38－m，一般 m＜1 480，即LPAD＞3。根據(jù)IEC61850－9－2標(biāo)準(zhǔn)，TPID固定為0x8100。TCI的第1個字節(jié)的前4位為優(yōu)先級，4～7為高優(yōu)先級，1～3為低優(yōu)先級，優(yōu)先級1為未標(biāo)記的幀;第5位為CFI，由于過程總線無路由，故CFI=0;TCI的第1個字節(jié)的后3位及第2個字節(jié)為VID，用于標(biāo)識VLAN，缺省值為1，取值范圍為1～4 094。

由于過程總線的核心設(shè)備是二層以太網(wǎng)交換機，沖突域在交換機端口和IED設(shè)備之間，存在不確定時延問題和報文丟失的可能性，其關(guān)鍵影響因素是突發(fā)的報文流量。為了將時延降低到可忽略的程度，需要保證 SAV采樣值的時延 ＜4 ms，GOOSE報文的時延＜2 ms。

交換機傳輸時延計算公式如下:

式中:Dq為等待時延;Nq為交換機緩沖區(qū)幀個數(shù);96為最小間隙比特數(shù);Lk為第k幀報文的長度;t為交換機時延。

2.2 采樣值報文流量計算

對于百兆交換機，t=0.01 μs，由于1個SAV采樣值A(chǔ)PDU字節(jié)數(shù)＜64(通常為3相+中性點的電壓、電流，即8種信號及7字節(jié)時標(biāo)、采樣頻率、采樣計數(shù)等數(shù)據(jù))，1 521字節(jié)的以太網(wǎng)幀可打包每周波480采樣點中的23組數(shù)據(jù) (1 521/64，時間長度為23×20/480=0.96 ms)，因此Lk幀報文長度可取為1 521字節(jié)，由此得出1個合并單元的網(wǎng)絡(luò)傳輸時延為Dq=16.17 μs，考慮SAV采樣值時延 (＜4 ms)中還必須包含“合并單元的采樣、濾波、組織報文、發(fā)送報文的時延 (約960 μs)”+網(wǎng)絡(luò)傳輸時延 +“IED接收設(shè)備的解碼、MAC過濾、二次采樣、生數(shù)據(jù)處理 (計算)的時延 (約2 000 μs)”，在剩余的1 ms時間內(nèi)，百兆交換機可傳輸60臺 (1 000/16.17)合并單元的SAV數(shù)據(jù)。同樣的分析也適用于SMV采樣值傳輸，但SMV的時延要求＜100 ms，凍結(jié)和釋放響應(yīng)時延＜10 ms，因此對于百兆交換機完全可以滿足要求。由于對時報文需要在ms級整點上出現(xiàn)，如果在SAV所在VLAN中傳輸對時報文，會不可避免地產(chǎn)生強沖突，且需要合并單元負(fù)責(zé)采樣值傳送任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)適配器同時還要負(fù)責(zé)對時報文的處理，這樣會對實時性造成很大的不確定性，所以網(wǎng)絡(luò)對時和SAV報文應(yīng)分網(wǎng)傳輸。

2.3 GOOSE命令及GSSE狀態(tài)信息流量計算

根據(jù) IEC61850－5 附錄 I［5］中的網(wǎng)絡(luò)性能測算，對于T2－2大型變電站 (18個間隔、5條母線、2臺變壓器)發(fā)生嚴(yán)重故障的情況下，單網(wǎng)最大流量為1 748 kB/s，10/100M交換機4 ms內(nèi)可傳送100個報文。對于GOOSE的時延＜2 ms的要求，百兆交換機是完全勝任的，因此 GOOSE、GSSE(GSE)、聯(lián)閉鎖、裝置自檢及自描述配置文件等過程總線信息的傳輸可以在同1個VLAN中進(jìn)行，但需要對不同類型的信息進(jìn)行嚴(yán)格的優(yōu)先級劃分?？紤]到幾乎所有的過程層和間隔層IED設(shè)備均需接入GOOSE VLAN中，因此IEEE1588網(wǎng)絡(luò)對時報文最適宜在這里傳輸。

2.4 過程總線VLAN劃分

對于重要的或超過30個間隔的大型變電站，SAV和SMV采樣值可分別劃分獨立的VLAN，以便母差等功能靈活實現(xiàn);對于10～30個間隔的中型變電站，SAV和SMV采樣值可合到1個VLAN中進(jìn)行傳輸;對于小于10個間隔的小型變電站，所有信息按優(yōu)先級和多播地址在1個VLAN中傳輸。

在1個VLAN中，需要對不同數(shù)據(jù)源進(jìn)行單播或多播的配置。多播功能的實現(xiàn)靠IED的配置(多播MAC地址的綁定)，VLAN功能的實現(xiàn)靠交換機的配置 (VLAN的劃分)，但它們的基本功能相同，均用于提高數(shù)據(jù)的傳輸效率和進(jìn)行信息的有效隔離。根據(jù)IEC61850－9－2標(biāo)準(zhǔn)，過程總線主要采用單播、多播、優(yōu)先級等設(shè)置進(jìn)行信息的優(yōu)化傳輸，VLAN的劃分作為輔助手段。

3 過程總線的組網(wǎng)方案

3.1 集中組屏方案

過程總線按間隔分散組屏是目前智能變電站所采用的常見方式，其優(yōu)點是實物層面上的間隔界線清晰，缺點是過程總線交換機之間需要通過光纜、隔纖盒、尾纖進(jìn)行連接，施工量大且通信可靠性不如尾纖直接連接和采用屏蔽雙絞線的連接。每臺交換機需要對不同組端口進(jìn)行VLAN劃分，交換機配置工作復(fù)雜，如果出錯還將對變電站的安全運行造成很大的影響，且在交換機更換、維修、擴容時需要作嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)測試才能將新交換機投入運行，即間隔交換機的維護技術(shù)復(fù)雜且危險因素多，因此供電公司的運行維護人員很難承擔(dān)，勢必造成依賴廠家的情況發(fā)生。為此過程總線應(yīng)采用集中組屏，以簡化交換機的配置，如每臺光纖交換機設(shè)置為1種類型的VLAN，少數(shù)需要多VLAN劃分的交換機宜在高性能的電口交換機上實現(xiàn)。考慮未來應(yīng)用功能的擴展，按間隔組屏?xí)r每個間隔的交換機均需要預(yù)留一些光口，因此按集中組屏方式比間隔組屏的交換機需求數(shù)量相對要少。

集中組屏還能簡化綜合布線和靈活實現(xiàn)各種應(yīng)用，在具體布置上可采取屏的下方為光纖終端盒，上方為光纖交換機，中間為電口交換機。將電口交換機用于保護室內(nèi)IED設(shè)備的連接，可使網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測功能、IED設(shè)備更換或檢修時的試驗工作容易進(jìn)行。

3.1.1 重要或大型變電站的過程總線設(shè)計方案

根據(jù)上述分析及變電站的可靠性要求，對重要或大型變電站過程總線采用“雙網(wǎng)雙配”，中小型變電站采用“單網(wǎng)單配”。為了便于維護和使用，交換機按端口劃分為3個VLAN:SAV(保護、自動裝置等，VID設(shè)為1001)、SMV(測量、計量等，VID設(shè)為1002)和GOOSE(命令、狀態(tài)、閉鎖、文件傳輸?shù)?，VID 設(shè)為1 003)［6－7］，在每個VLAN中按電壓等級和數(shù)據(jù)類型進(jìn)行多播規(guī)劃，通過VLAN和多播、單播相結(jié)合來保證雙重的網(wǎng)絡(luò)安全及信息的有效隔離，采用不同類型數(shù)據(jù)的優(yōu)先級劃分來保證重要數(shù)據(jù)的實時性。具體的設(shè)計方案如圖4。

圖4中虛線在沒有SAV、SMV、GOOSE數(shù)據(jù)混合應(yīng)用需求的情況下是可以斷開的，這時過程總線變成分網(wǎng)并列運行的3條總線。如果保護和測量共用ECT、EVT的數(shù)據(jù)，如采用Pockels光學(xué)ECT，SAV VLAN和SMV VLAN的合并應(yīng)用是可行且必要的，這樣VLAN的劃分就變成了2個，即SV VLAN和GOOSE VLAN，總線結(jié)構(gòu)將大大簡化。

3.1.2 小型變電站過程總線設(shè)計方案

對于小型變電站，所有信息均在同1個VLAN中傳輸，SAV/SMV采樣值及裝置自檢等GSSE信息應(yīng)合并在同1個合并單元中，由1個網(wǎng)絡(luò)適配器按優(yōu)先級6(SAV)/4(SMV)/3(GSSE)發(fā)送，SAV傳送周期短、優(yōu)先級高，傳送時將被排在最前面，以保證其實時性和可靠性。具體的設(shè)計方案如圖5。

3.2 按間隔分散組屏方案

對于按間隔組網(wǎng)的過程總線，端口的VLAN劃分需要在1臺交換機上進(jìn)行。為了組網(wǎng)的方便，間隔內(nèi)宜采用光纖交換機在公共信息網(wǎng)絡(luò)中擴展電口交換機。但由于需要生成1個能夠訪問所有間隔數(shù)據(jù)的VLAN，以減少母差、故障錄播等裝置的網(wǎng)絡(luò)適配器的數(shù)量，單純依靠Trunk、Access 2種接口無法滿足要求，而華為公司的Hybrid技術(shù)可以妥善解決這一問題，利用H3C 3610交換機進(jìn)行實測，性能安全滿足智能變電站過程總線的應(yīng)用要求，且信息隔離效果很好，除了母差等IED設(shè)備需要硬件MAC地址自動過濾器外，在間隔交換機上直接連接的IED設(shè)備只需采用常規(guī)網(wǎng)絡(luò)適配器。其缺點是交換機的配置較為復(fù)雜，光纜需要量大。

圖4 重要或大型變電站的集中組屏網(wǎng)絡(luò)方案

圖5 小型變電站的過程總線設(shè)計方案

支持802.3q交換機的Trunk口能夠根據(jù)配置要求將多個VLAN ID的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至另1臺交換機，但由于以太網(wǎng)幀帶有VLAN tag標(biāo)簽，因此無法為IED設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)適配器所識別。交換機Access端口為終端接口，出口數(shù)據(jù)將自動被去除VLAN tag標(biāo)記，入口數(shù)據(jù)將被自動打上該端口所屬VLAN的tag標(biāo)簽，因此它通常用于連接IED設(shè)備，當(dāng)然也可以接交換機 (相當(dāng)于擴展端口)，但1個Access端口僅能屬于1個VLAN。而Hybrid端口可實現(xiàn)1個VLAN和多個VLAN的互訪或單向傳輸功能，即該端口可以根據(jù)配置將屬于多個的VLAN出口數(shù)據(jù)去除tag標(biāo)簽，將入口數(shù)據(jù)打上Hybrid端口所在VLAN的tag標(biāo)簽，這樣既能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的隔離，又能滿足信息共享的要求。具體的設(shè)計方案如圖6。

圖6 按間隔分散組屏的過程總線設(shè)計方案

圖6中的間隔交換機采用16口光纖交換機，S－SW及G－SW等公共交換機可采用帶有擴展千兆光口的24電口交換機，以節(jié)省成本及方便檢修、調(diào)試與管理。其中合并單元SAV與SMV采樣值信號通過合并單元的1個網(wǎng)絡(luò)適配器進(jìn)行傳輸，采樣值由間隔至SV VLAN單向傳輸;合并單元的網(wǎng)絡(luò)對時、狀態(tài)信息及自描述文件的傳輸任務(wù)由合并單元的1個獨立的網(wǎng)絡(luò)適配器完成，對應(yīng)于GOOSE VLAN，配置為雙向傳輸。

4 交換機的管理

過程總線交換機的配置文件應(yīng)妥善備份，紙質(zhì)說明材料應(yīng)在變電站留有1份。更換交換機時，首先應(yīng)核對新老軟件版本是否配套，如是否支持802.1p、802.3q、STP協(xié)議等;其次對新交換機按舊交換機的配置文件進(jìn)行恢復(fù);再次新交換機在接入IED設(shè)備前，應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測試，如VLAN的隔離效果、聚合Trunk口的連通性、與在運交換機的通信速率和協(xié)商配合等。

交換機管理的1個最重要的任務(wù)是防止在日常運行維護中破壞過程總線數(shù)據(jù)的有序傳輸，如在采樣值網(wǎng)絡(luò) (SAV/SMV)中采用高優(yōu)先級裝置進(jìn)行配置文件的上傳或下載，打亂了需精確同步傳輸?shù)牟蓸又档膶崟r性和順序性，甚至導(dǎo)致采樣值的丟失;再如在GOOSE網(wǎng)絡(luò)中接入未經(jīng)嚴(yán)格測試的保護設(shè)備 (IED)，由于多播地址等配置錯誤而發(fā)生誤跳閘事件，又如站總線和過程總線未經(jīng)嚴(yán)格隔離，導(dǎo)致上層大量以太網(wǎng)報文涌入過程總線，而可能發(fā)生各種異?，F(xiàn)象等。

過程總線二層網(wǎng)絡(luò)交換機還要防范MAC泛洪和環(huán)網(wǎng)風(fēng)暴的發(fā)生。MAC泛洪主要是指交換機的內(nèi)容可尋址存儲器 (CAM)被占滿，導(dǎo)致多播失去選擇性，交換機退化為集線器，交換性能急劇下降，這時信息傳輸將沒有實時性。產(chǎn)生MAC泛洪的主要原因是過程總線遭受網(wǎng)絡(luò)病毒和網(wǎng)絡(luò)攻擊;其次是使用不當(dāng)或應(yīng)用程序設(shè)計問題，如頻繁改變網(wǎng)絡(luò)接線，應(yīng)用程序不斷改變其通信程序的源MAC地址或目的MAC地址。環(huán)網(wǎng)風(fēng)暴是指交換機之間存在環(huán)網(wǎng)連接，在沒有啟用快速生成樹(STP)協(xié)議時，多播數(shù)據(jù)被大量重復(fù)傳遞，從而耗用大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬，導(dǎo)致有效數(shù)據(jù)難以實時傳送。產(chǎn)生環(huán)網(wǎng)風(fēng)暴的主要原因是日常使用維護不當(dāng)，如聚合口Trunk被錯誤地配置為2條獨立的Trunk，交換機之間被錯誤級聯(lián)而形成環(huán)網(wǎng)，需要環(huán)網(wǎng)運行時沒有先啟用快速生成樹 (STP)協(xié)議等。

過程總線的網(wǎng)絡(luò)安全是十分重要的，必須進(jìn)行嚴(yán)格的身份認(rèn)證、授權(quán)訪問控制和有效的入侵檢測，同時還要防范網(wǎng)絡(luò)病毒和黑客的侵犯。通常不宜在過程總線上使用 Windows操作系統(tǒng)的 IED設(shè)備。

5 展望

智能變電站IED設(shè)備的MAC地址 (單播、多播)的統(tǒng)一規(guī)劃是十分重要的［8］。由于過程總線除了要滿足PDIS距離保護、PBDF母差等變電站內(nèi)部通信要求，還要滿足RCPW縱聯(lián)保護、CPOW檢零開關(guān)控制器等邏輯節(jié)點與對端變電站交換電流、電壓信息等的需要，因此過程總線還需要考慮遠(yuǎn)程變電站過程總線的接口 (IF2)，所以至少應(yīng)在1個省級電網(wǎng)范圍內(nèi)實現(xiàn)多播地址的規(guī)劃，并嚴(yán)格體現(xiàn)在各變電站SCL配置文件和各IED設(shè)備的自描述文件中。

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