110kV智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性分析

周翔 袁章 朱金龍

摘 要：智能變電站已在我國(guó)全面投入電網(wǎng)建設(shè)多年，目前站內(nèi)過(guò)程層總線采用的以太網(wǎng)絡(luò)普遍采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)硬件接口要求多。本文從協(xié)議報(bào)文的解析角度，分析了過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)一些具體應(yīng)用的典型配置場(chǎng)景，對(duì)星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延、抖動(dòng)進(jìn)行了試算，初步得出以上參數(shù)的性能邊界并分析了對(duì)繼電保護(hù)裝置的影響，具備一定的工程參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智能變電站；過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)；IEC61850；時(shí)延；抖動(dòng)

中圖分類號(hào)：TM762 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）20-0128-04

我國(guó)從2004年開始對(duì)智能變電站的前身數(shù)字變電站開始有了試點(diǎn)和廣泛研究，從2009年起，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的智能化變電站已開始大規(guī)模應(yīng)用于國(guó)內(nèi)變電站中，而IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的傳輸標(biāo)準(zhǔn)則采用以太網(wǎng)協(xié)議，傳統(tǒng)以太網(wǎng)協(xié)議一般指ISO/IEC8802-3（IEEE 802.3）即CSMA/CD（帶沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問）以太網(wǎng)（Ethernet）標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)及其擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)（802.3u、802.3z、802.3ae）涵蓋了10Mbps～10Gbps等各種網(wǎng)絡(luò)速率與介質(zhì)類型。802.3標(biāo)準(zhǔn)主要在以下三個(gè)方面做出了規(guī)定：物理介質(zhì)，介質(zhì)訪問控制規(guī)則和以太網(wǎng)幀格式。802.3標(biāo)準(zhǔn)定義了OSI 7層參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的實(shí)現(xiàn)方式，即媒體介質(zhì)訪問控制子層（MAC）和802.3物理層。MAC子層的作用是規(guī)范數(shù)據(jù)封裝和介質(zhì)訪問控制，如幀封裝、地址標(biāo)示、差錯(cuò)（沖突）檢測(cè)和延時(shí)過(guò)程。物理層的作用是規(guī)范電光信號(hào)，時(shí)鐘基準(zhǔn)，數(shù)據(jù)編碼規(guī)則（Manchester、4B/5B）等。802.3以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)是主要包括同軸電纜、雙絞線電纜以及光纖。

1 映射至IEC8033-2的IEC 61850 SV與GOOSE報(bào)文

1.1 802.3 SCSM映射

從IEC 61850協(xié)議的特點(diǎn)中可以了解，為了實(shí)現(xiàn)硬件無(wú)關(guān)性，IEC61850協(xié)議定義了ACSI抽象通信服務(wù)接口，利用客戶/服務(wù)器（client/server）及發(fā)布/訂閱（publisher/subscribe）模型對(duì)邏輯設(shè)備（節(jié)點(diǎn)）之間的通信進(jìn)行了建模。同時(shí)，為了工程上的實(shí)現(xiàn)，IEC61850-9-2描述了一種映射到IEC8033-2（即以太網(wǎng)）協(xié)議的SCSM（Specific Communication Service Mapping）規(guī)范，對(duì)使用以太網(wǎng)傳輸SV報(bào)文進(jìn)行了說(shuō)明。如圖1所示。

從協(xié)議中可以看出，采樣值SV模型和GOOSE模型的報(bào)文的傳輸映射簡(jiǎn)化了會(huì)話、傳輸和網(wǎng)絡(luò)層，通過(guò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元經(jīng)表示層編碼后，不經(jīng)過(guò)TCP/IP協(xié)議，直接映射到數(shù)據(jù)鏈路和物理層直接映射到MAC層。

1.2 SV采樣值報(bào)文結(jié)構(gòu)

在IEC61850-9-2（LE）協(xié)議中，SV采樣值通過(guò)ASN.1編碼規(guī)則以T-L-V形式被封裝至一個(gè)ASDU中，而若干ASDU連成1個(gè)APDU，封裝至1個(gè)802.3以太網(wǎng)幀中進(jìn)行發(fā)送。根據(jù)協(xié)議分析我們可以確定1個(gè)8路模擬量SV報(bào)文和1個(gè)4路開關(guān)量GOOSE報(bào)文的結(jié)構(gòu)：

圖2：1個(gè)典型IEC61850-9-2（LE）幀結(jié)構(gòu)（8路模擬量采樣值SV報(bào)文）結(jié)構(gòu)。

圖3：1個(gè)典型GOOSE/GSE幀結(jié)構(gòu)（4路DPC開關(guān)量GOOSE報(bào)文）。

需要注意的是，SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文由于包含多個(gè)模擬量和開關(guān)量通道，其具體長(zhǎng)度跟具體工程應(yīng)用的Dataset配置有關(guān)。IEC61850-9-2（LE）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于SV報(bào)文，采樣率80點(diǎn)/周波的保護(hù)用報(bào)文一般配置為1個(gè)ASDU，而采樣率256點(diǎn)/周波的計(jì)量（測(cè)量）用報(bào)文一般位置為8個(gè)ASDU。而GOOSE報(bào)文長(zhǎng)度理論上只受到以太網(wǎng)幀大小的限制。本文的對(duì)SV和GOOSE報(bào)文的時(shí)延分析暫按以上兩種典型報(bào)文長(zhǎng)度進(jìn)行。

2 典型110kV智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與配置

使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)用SV、GOOSE報(bào)文傳輸?shù)闹悄茏冸娬疽呀?jīng)在國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)普遍得到應(yīng)用和實(shí)施。這種結(jié)構(gòu)避免了報(bào)文傳輸時(shí)延的不確定性和抖動(dòng)，可靠性可以得到保證，但工程實(shí)施和調(diào)試較為復(fù)雜。對(duì)于110kV智能變電站，其過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常較為簡(jiǎn)單清晰，元件數(shù)量較少，影響網(wǎng)絡(luò)報(bào)文傳輸時(shí)延的因素較少。本文考慮在110kV變電站過(guò)程層設(shè)備中采用SV和GOOSE組網(wǎng)方式進(jìn)行保護(hù)、計(jì)量（測(cè)量）開關(guān)量報(bào)文傳輸，并針對(duì)這種配置對(duì)SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文傳輸?shù)臅r(shí)延和抖動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)單試算。

2.1 典型110kV智能變電站配置

110kV一次接線形式為單母線分段接線，4個(gè)進(jìn)出線間隔、2個(gè)主變進(jìn)線間隔，1個(gè)分段進(jìn)線間隔，2個(gè)母線設(shè)備間隔。為了考慮最不利情況的時(shí)延，設(shè)備配置上多采用分立設(shè)備以盡量增加交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)量。

2.2 具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨福▓D3）

如圖3。

2.3 SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文傳輸路由如圖4

3 簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)SV報(bào)文與GOOSE報(bào)文傳輸時(shí)延與抖動(dòng)時(shí)間計(jì)算

網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的傳輸過(guò)程時(shí)延主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）設(shè)備的內(nèi)部通信處理時(shí)延，由于這個(gè)時(shí)間非常小且相對(duì)固定，本文計(jì)算中暫不考慮。

（2）介質(zhì)傳輸時(shí)延Tfl，目前用于過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)多為光纜，光信號(hào)在光纜中的傳輸速度為2/3倍的真空光速，Tfl=L/（2/3*C）。對(duì)于200米長(zhǎng)的光纜，這個(gè)時(shí)間約為1us。

（3）存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延Tsf，指交換機(jī)端口從開始接收以太網(wǎng)幀的第一個(gè)字節(jié)到最后一個(gè)字節(jié)接收完畢所需要的時(shí)間，該時(shí)延與以太網(wǎng)的速率有關(guān)，Tsf=FS（幀大?。?br（轉(zhuǎn)發(fā)速率），br=100Mbps。

（4）交換設(shè)備時(shí)延Tsw，現(xiàn)代工業(yè)用以太網(wǎng)交換機(jī)一般采用存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行報(bào)文傳輸，交換設(shè)備時(shí)延即交換機(jī)在收到報(bào)文最后一個(gè)字節(jié)后，進(jìn)行CRC校驗(yàn)、查表、執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)策略后，至目的端口第一個(gè)字節(jié)的時(shí)延，這個(gè)時(shí)延跟具體設(shè)備有關(guān)，本文中以羅杰康（RUGGEDCOM）RSG2100NC交換機(jī)廠家提供的參數(shù)為例，選擇為7us。

（5）幀隊(duì)列時(shí)延Tq，當(dāng)一種最不利情況出現(xiàn)，即交換機(jī)所有N-1個(gè)端口同時(shí)向N個(gè)進(jìn)行報(bào)文傳輸時(shí)，該端口將出現(xiàn)幀排隊(duì)現(xiàn)象，由于交換機(jī)的隊(duì)列調(diào)度方法和策略較為復(fù)雜，延遲時(shí)間很難精確計(jì)算，我們參照前文假設(shè)交換機(jī)采用FQ隊(duì)列調(diào)度方式公平轉(zhuǎn)發(fā)同時(shí)到達(dá)的每個(gè)報(bào)文。依據(jù)以上假設(shè)，可以得出平均隊(duì)列時(shí)延為Tsf*（N-1）/2，最不利的隊(duì)列時(shí)延為Tsf*（N-1）。

綜上，對(duì)于SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文傳輸時(shí)延，可以得出以下結(jié)論：

Ttl（傳輸時(shí)延）=Tfl（線路時(shí)延）+Tsf（存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延）+Tsw（交換延時(shí)）+Tq（幀隊(duì)列時(shí)延）

考慮到交換機(jī)級(jí)聯(lián)則有：

Ttl=Tfl+N*（Tsf+Tsw+Tq）；N為報(bào)文所經(jīng)過(guò)的交換機(jī)數(shù)量。（注：Tq的值應(yīng)視具體情況進(jìn)行取值）

ΔTj（抖動(dòng)時(shí)間）=Ttlworst（最壞情況）-Ttl（最好情況）

以前文典型智能變電站為例，可以計(jì)算出正常運(yùn)行轉(zhuǎn)改下各裝置網(wǎng)絡(luò)端口在最好（不排隊(duì)）和最壞情況下（隊(duì)列末尾）的的典型SV、GOOSE報(bào)文傳輸時(shí)延。

最好情況下：

110kV線路、主變、分段保護(hù)：

SV報(bào)文：Ttl=Tfl+Tsf+Tsw+Tq=1+（100Mbps/173*8）+7+0≈22us

GOOSE報(bào)文：Ttl=Tfl+Tsf+Tsw+Tq=1+（100Mbps/363*8）+7+0≈37us

110kV母線、分段保護(hù)、備自投：

SV報(bào)文：Ttl=Tfl+N*（Tsf+Tsw+Tq）=1+2*（（100Mbps/173*8）+7+0） ≈43us

GOOSE報(bào)文：Ttl=Tfl+N*（Tsf+Tsw+Tq）=1+2*（（100Mbps/363*8）+7+0） ≈73us

110kV線路、主變、分段測(cè)量計(jì)量：

SV報(bào)文：Ttl=Tfl+Tsf+Tsw+Tq=1+（100Mbps/971*8）+7+0≈86us

最壞情況下：

110kV線路、主變、分段保護(hù)：

SV報(bào)文：Ttlworst=Tfl+Tsf+Tsw+Tq=1+（100Mbps/173*8）+7+100Mbps/1542*8≈153us。

（同一個(gè)間隔SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文同時(shí)到達(dá)的情況，GOOSE報(bào)文按理論最大值考慮的情況）

ΔTj= Ttlworst-Ttl=153-22=131us

GOOSE報(bào)文：Ttlworst=Tfl+Tsf+Tsw+Tq=1+（100Mbps/363*8）+7+100Mbps/173*8≈51us

（同一個(gè)間隔SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文同時(shí)到達(dá)的情況，SV報(bào)文典型報(bào)文長(zhǎng)度考慮的情況）

ΔTj= Ttlworst-Ttl=51-37=14us

110kV母線保護(hù)：

SV報(bào)文：Ttlworst=Tfl+N*（Tsf+Tsw+Tq）=1+2*（（100Mbps/173*8）+7）+2*（100Mbps/173*8）+3*（100Mbps/1542*8）+4*（（100Mbps/173*8）+ （100Mbps/1542*8）） ≈967us

（I、II兩端母線所有合并單元智能終端同時(shí)向母線保護(hù)端口發(fā)送典型SV報(bào)文和最大GOOSE報(bào)文，SV報(bào)文在隊(duì)列末尾的情況）

ΔTj= Ttlworst-Ttl=967-43=924us

GOOSE報(bào)文：

Ttlworst=Tfl+N*（Tsf+Tsw+Tq）=1+2*（（100Mbps/363*8）+7）+2*（100Mbps/173*8）+3*（100Mbps/1542*8）+4*（（100Mbps/173*8）+ （100Mbps/1542*8）） ≈981us

（I、II兩端母線所有合并單元智能終端同時(shí)向母線保護(hù)端口發(fā)送典型SV報(bào)文和最大GOOSE報(bào)文，GOOSE報(bào)文在隊(duì)列末尾的情況）

ΔTj= Ttlworst-Ttl=981-73=908us

110kV線路、主變、分段測(cè)量計(jì)量：

SV報(bào)文：Ttlworst=Tfl+Tsf+Tsw+Tq=1+（100Mbps/971*8）+7+100Mbps/1542*8≈209us

ΔTj= Ttlworst-Ttl=209-86=123us

根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，電流電壓采樣、跳閘、狀態(tài)信息變化、解閉鎖等均屬于快速報(bào)文的范疇，其中P1級(jí)對(duì)時(shí)延的要求為10ms，P2/3級(jí)為3ms?？梢钥闯觯瑢?duì)于一般110kV智能變電站采用SV+GOOSE組網(wǎng)方式進(jìn)行保護(hù)、測(cè)量、計(jì)量報(bào)文傳輸，完全可以滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)報(bào)文傳輸時(shí)延的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于SV和GOOSE組網(wǎng)傳輸?shù)淖冸娬荆^(guò)程層網(wǎng)絡(luò)端口流量和時(shí)延最為嚴(yán)苛的是集中式母線保護(hù)裝置。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不同，前后報(bào)文抵達(dá)的時(shí)間可能相差接近1-2ms，按50Hz頻率換算，將有18-36度的電流相角差。在這種組網(wǎng)模式下，繼電保護(hù)、合并單元、智能終端的報(bào)文可考慮采取固定時(shí)延同步，否則可能會(huì)致使差動(dòng)原理的繼電保護(hù)產(chǎn)生一定差流影響。

從以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)可以看出，每經(jīng)過(guò)一臺(tái)交換機(jī)的級(jí)聯(lián)，報(bào)文時(shí)延就要增加一個(gè)固定值，因此，交換機(jī)的級(jí)聯(lián)數(shù)不易過(guò)多，國(guó)網(wǎng)公司要求任意兩個(gè)裝置之間報(bào)文傳輸經(jīng)過(guò)的交換機(jī)數(shù)量不超過(guò)4臺(tái)，是考慮了交換式以太網(wǎng)的這種特點(diǎn)的。同時(shí)，單一交換接入的裝置數(shù)量也不宜過(guò)多，國(guó)網(wǎng)公司要求單一交換機(jī)接入的裝置數(shù)量不超過(guò)16臺(tái)，如果其中15個(gè)端口向第16個(gè)端口同時(shí)進(jìn)行全尺寸以太網(wǎng)幀報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)，最不利的時(shí)延將達(dá)到1.8ms，如果此時(shí)再經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)，將有可能出現(xiàn)超過(guò)IEC61850規(guī)定的P2/3級(jí)報(bào)文時(shí)延要求。

作為一種簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)的分析計(jì)算，本文考慮了很多假設(shè)情況。目前工程應(yīng)用中，以太網(wǎng)交換機(jī)以使用了802.1q VLAN，802.1p CoS服務(wù)質(zhì)量等技術(shù)，可以有效減少實(shí)時(shí)報(bào)文的傳輸時(shí)間和抖動(dòng)，同時(shí)1000Mbps工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)也逐步實(shí)用，是的過(guò)程層組網(wǎng)技術(shù)日趨完善，未來(lái)將得到更加廣泛的應(yīng)用。