智能變電站以太網(wǎng)性能的研究

趙利富,王文琪，喬木

(國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 淄博 255000)

智能變電站以太網(wǎng)性能的研究

趙利富,王文琪，喬木

(國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 淄博 255000)

IEC 61850標準規(guī)定智能變電站的通信功能用以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)，因此其工作性能對智能變電站至關(guān)重要。本文對智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信的性能進行研究，主要內(nèi)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(xiàn)狀和存在的問題，提出了相應(yīng)的改進措施。在實時性方面，提出用無源光纖以太網(wǎng)(EPON)或?qū)崟r以太網(wǎng)技術(shù)改進通信的實時性，指出其應(yīng)用潛在的困難。對于可靠性和同步性，比較了現(xiàn)存的各種技術(shù)，指出各種現(xiàn)存技術(shù)的優(yōu)缺點，作為研究和應(yīng)用的參考。

IEC 61850；以太網(wǎng)；EPON；實時以太網(wǎng)

1 引言

智能變電站是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分。它由數(shù)字化變電站發(fā)展而來，融合了智能電網(wǎng)對變電站的新要求。在通信方面以全站信息數(shù)字化，通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標準化為目的，仍依靠IEC 61850標準建設(shè)變電站通信網(wǎng)絡(luò)。自該標準頒布以來，已對變電站網(wǎng)絡(luò)通信展開了大量的研究[1-5]。這些研究主要圍繞通信網(wǎng)絡(luò)的實時性，可靠性和數(shù)據(jù)采樣同步性展開，如網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)分析，報文優(yōu)先級技術(shù)及交換機技術(shù)，同步采樣技術(shù)等等。本文從網(wǎng)絡(luò)這三方面入手，以智能變電站過程層為背景，總結(jié)這三個方面研究的現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

智能變電站從物理結(jié)構(gòu)上分為變電站層、間隔層、過程層。各層之間采用以太網(wǎng)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(shù)。以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)無法保證實時性的根本原因是其物理層對帶寬的監(jiān)聽采用帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問機制(CSMA/CD)。這種機制導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)具有隨機性，若多個節(jié)點在同一時刻發(fā)送數(shù)據(jù)就會產(chǎn)生沖突進而延時等待再重傳數(shù)據(jù)。目前對報文實時性的研究主要從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和交換機技術(shù)應(yīng)用入手[1]。鑒于影響以太網(wǎng)傳輸時延很大一方面的因素就是網(wǎng)絡(luò)負荷的輕重與否，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)研究的主要作用是對站內(nèi)的數(shù)據(jù)流進行優(yōu)化。從全站的角度圍繞建設(shè)全站統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)或是二級網(wǎng)絡(luò)來討論，即以過程總線和變電站總線是否單獨組網(wǎng)來[2]。全站統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)有利于數(shù)據(jù)的共享，同時減少了交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的使用，節(jié)省了變電站建設(shè)的大量成本。但相對于二級網(wǎng)絡(luò)來說，網(wǎng)絡(luò)負荷更重，網(wǎng)絡(luò)可靠工作的裕度小，一旦電力系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，需要傳輸大量數(shù)據(jù)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能否滿足應(yīng)用要求需要進一步的討論。二級網(wǎng)絡(luò)是將變電站總線和過程總線單獨組網(wǎng)。這種方式降低了各級總線的網(wǎng)絡(luò)負擔(dān)，但不利于數(shù)據(jù)的共享，同時也增加了交換機的使用數(shù)量，不利于節(jié)省成本。當(dāng)前研究表明二級網(wǎng)絡(luò)能夠完全滿足現(xiàn)行的變電站的應(yīng)用，能夠保證可靠的通信，智能變電站現(xiàn)場也是如此實施的。而統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要求較高，安全可靠裕度較低，若將來通信技術(shù)的進一步發(fā)展，全站統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)也可能成為現(xiàn)實[3]。

智能變電站的過程層需要傳輸大量的數(shù)據(jù)，特別是采樣值數(shù)據(jù)。這是判斷系統(tǒng)狀態(tài)最原始的依據(jù)，因此其工作性能至關(guān)重要。根據(jù)IEC 61850標準，過程層組網(wǎng)的方式存在的組網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)，GOOSE網(wǎng)絡(luò)組成，若采用IEEE 1588協(xié)議同步技術(shù)，還有精準對時網(wǎng)絡(luò)。目前為滿足實時性要求，網(wǎng)絡(luò)連接存在點到點直連，組網(wǎng)連接以及這兩種方式混用的幾種網(wǎng)絡(luò)拓撲方式，如圖1所示。

出現(xiàn)這幾種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的根本原因是出于對數(shù)據(jù)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(jié)點共享數(shù)據(jù)，同時還需要連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備大量的光纜，施工和維護都比較繁瑣。這種方式在傳統(tǒng)變電站及傳統(tǒng)變電站向數(shù)字化變電站升級的過程中應(yīng)用較多。圖1(c)所示的是IEC 61850標準推薦采用交換機進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕M網(wǎng)方式。這種方式節(jié)省了大量的電纜，還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的共享。數(shù)據(jù)延時的主要原因是交換機排隊轉(zhuǎn)發(fā)機制的工作耗時。同時，在數(shù)字化變電站應(yīng)用的交換機一般具有支持虛擬局域網(wǎng)VLAN、組播技術(shù)和報文優(yōu)先級的能力[4-5]。VLAN及組播技術(shù)的作用主要是對數(shù)據(jù)進行分流，各節(jié)點接收所需的報文，拒收不必要的數(shù)據(jù)。報文優(yōu)先級用來保證交換機接收的諸多數(shù)據(jù)之中實時性要求高的報文得以快速轉(zhuǎn)發(fā)。目前市面上的工業(yè)以太網(wǎng)交換機多采用FPGA技術(shù)，工作性能十分優(yōu)越，在正常工作時一般能滿足實時性要求，但在系統(tǒng)產(chǎn)生故障時的網(wǎng)絡(luò)行為需要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(fā)生故障停止工作，會導(dǎo)致整個交換機網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，可靠性需要進一步進行研究。

圖1 過程層設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接方式

2.2 EPON技術(shù)

目前，對網(wǎng)絡(luò)實時性的研究還體現(xiàn)在兩個方面，無源光纖以太網(wǎng)和實時以太網(wǎng)技術(shù)。無源光纖以太網(wǎng)EPON[6-7](Ethernet PON)物理層采用PON技術(shù)，采用點到多點結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)以太網(wǎng)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(wǎng)(ODN)和光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)。下行方向，根據(jù)IEEE802.3協(xié)議，OLT將可變長度的數(shù)據(jù)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(shù)，多個ONU的上行信息組成一個TDM信息流傳到OLT。TDMA技術(shù)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(jù)分配給它的指定時隙，避免沖突，簡而言之就是具有動態(tài)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(shù)據(jù)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(fā)送數(shù)據(jù)的起始時間和發(fā)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(shù)據(jù)。(2)響應(yīng)OLT發(fā)出的測距及功率控制命令。(3)在OLT分配好的發(fā)送窗口上傳數(shù)據(jù)。

圖2 EPON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

EPON具有高帶寬，低成本，與以太網(wǎng)兼容，支持VLAN技術(shù)等優(yōu)勢，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前應(yīng)用存在的主要問題就是與IEEE 1588協(xié)議的共存問題。EPON是一種無源網(wǎng)絡(luò)，沒有應(yīng)用到交換機。而交換機是IEEE 1588協(xié)議應(yīng)用的必要條件。所以如何在EPON網(wǎng)絡(luò)中，IEEE 1588的實現(xiàn)是在智能變電站中應(yīng)用EPON技術(shù)的主要內(nèi)容之一。

2.3 實時以太網(wǎng)技術(shù)

在實時以太網(wǎng)技術(shù)方面[8-10]，實時以太網(wǎng)技術(shù)來源于現(xiàn)場總線技術(shù)，目前被IEC收入的實時以太網(wǎng)技術(shù)有6中，其中具有代表性的技術(shù)是POWERLINK和PROFINET技術(shù)。這些實時以太網(wǎng)技術(shù)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(wǎng)絡(luò)中唯一的管理節(jié)點MN以類似于令牌的方式PReq訪問每個節(jié)點CN，被詢問的CN得到相應(yīng)的詢問后以PRes進行響應(yīng)，在該階段，每個時刻都只有一個節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)，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(jié)點又以常見的競爭的方式傳送優(yōu)先級較低的數(shù)據(jù)。具體內(nèi)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(wǎng)PROFINET技術(shù)[10]的工作原理與POWERLINK相似。不同的是這種技術(shù)需要實時內(nèi)核和一個支持報文優(yōu)先級、時間表格和IEEE 1588協(xié)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(shè)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(nèi)傳輸?shù)膱笪闹饕?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(fā)性報文[1]。實際應(yīng)用中這些報文的優(yōu)先級各不相同，如采樣值報文和跳閘GOOSE報文的優(yōu)先級就高于其他報文的優(yōu)先級。在智能變電站過程層應(yīng)用實時以太網(wǎng)技術(shù)的核心思想就是根據(jù)優(yōu)先級的高低對站內(nèi)的報文分類，在實時以太網(wǎng)通信周期的確定性部分傳遞優(yōu)先級較高的數(shù)據(jù)，如圖3中的同步階段和IRT通道，在不確定部分傳輸其他優(yōu)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(shù)據(jù)、一般型GOOSE和高實時性數(shù)據(jù)3類，結(jié)合PROFINET原理，詳細闡述了PROFINET用于過程總線的構(gòu)思。

圖3 實時以太網(wǎng)原理圖

目前實時以太技術(shù)應(yīng)用的主要困難是標準的不統(tǒng)一[11]，具體表現(xiàn)在實時以太協(xié)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(wǎng)標準中，除POWERLINK開源且以純軟件方式實現(xiàn)外，其他協(xié)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(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

3 可靠性

智能變電站的可靠性包括通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和保護系統(tǒng)等各方面的可靠性。此處，本文僅討論變電站通信網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)入手，應(yīng)用于智能的變電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要有總線型，環(huán)型和星型。其中總線型的網(wǎng)絡(luò)成本最低，但是可靠性也較差，網(wǎng)絡(luò)延遲大。環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的可靠性最好，但成本亦是最高的，網(wǎng)絡(luò)延遲較大。星型網(wǎng)絡(luò)可靠性較低，造價適中，網(wǎng)絡(luò)延遲最小，總體性能介于前兩者之間。相關(guān)研究表明星型網(wǎng)絡(luò)在變電站內(nèi)的應(yīng)用具有明顯的優(yōu)點，因此成為智能變電站組網(wǎng)的最佳的選擇。

此外，冗余也是提高網(wǎng)絡(luò)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(jié)點冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余，采用節(jié)點冗余則所有通信設(shè)備必須雙重化，形成兩個完全獨立的網(wǎng)絡(luò)，其成本可想而知。因此，多數(shù)研究推薦網(wǎng)絡(luò)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(xié)議(PRP)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的鏈路出現(xiàn)故障時實現(xiàn)無延時切換，保證可靠通信，原理如圖4所示。

圖4 PRP網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模型

圖4是兩個有雙連接點的IED網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過雙連接端口分別連接到兩個獨立的網(wǎng)絡(luò)上。其中的鏈路冗余體(LRE)發(fā)揮著核心的作用：冗余管理和處理重復(fù)報文。當(dāng)收到高層的一幀數(shù)據(jù)，LRE要在接收到數(shù)據(jù)的相應(yīng)位置添加冗余標識，然后同時向兩個端口發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)上接收到一幀數(shù)據(jù)之后，LRE會從兩個端口提取第一次收到的數(shù)據(jù)，并且丟棄重復(fù)的數(shù)據(jù)幀。具體內(nèi)容可參考文獻[13]。

4 同步性

采樣是否同步對電力系統(tǒng)的保護至關(guān)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(dǎo)致保護誤動或拒動的情況的出現(xiàn)。此外，電力系統(tǒng)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(tǒng)是使用較早的一種方法，但受政治和天氣等因素的影響，穩(wěn)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(shè)備，只需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的MAC層支持IEEE 1588協(xié)議，同時每隔1s(2s)對時一次，占用的網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)發(fā)的延時，不充當(dāng)主從鐘或從時鐘，同步設(shè)備由局域網(wǎng)內(nèi)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(dāng)從時鐘角色與上一級的主時鐘進行校時，下行端口又充當(dāng)一個主時鐘，對下行所連接的節(jié)點進行校時。目前，支持IEEE 1588協(xié)議的交換機種類還并不是很多，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備價格也比較高。因此，雖然這種方法優(yōu)勢明顯但其性能還需在現(xiàn)場實現(xiàn)中進一步檢驗。

5 結(jié)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(wǎng)絡(luò)性能進行分析。在實時性方面提出了EPON和實時以太網(wǎng)兩種改進的技術(shù)。對于網(wǎng)絡(luò)可靠性和采樣同步性兩方面比較各種技術(shù)的優(yōu)缺點，指出各自的優(yōu)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。因此，要使智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信的性能達到一個較好的狀態(tài)，如何協(xié)調(diào)這三方面技術(shù)的應(yīng)用也值得深入研究。

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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(shù)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。