电力专用交换机应用于智能变电站的分析和验证

张文，韩悦，卢军志，刘天祥，王龙飞，程克杰

（许继电气股份有限公司，河南许昌 461000）

电力专用交换机应用于智能变电站的分析和验证

张文，韩悦，卢军志，刘天祥，王龙飞，程克杰

（许继电气股份有限公司，河南许昌 461000）

继电保护装置应不依赖对时系统进行数据同步采样和跳闸，网络采样和跳闸因为网络延时不确定而不能应用于智能变电站工程，鉴于电力专用交换机能精确控制和计算驻留延时，故其可作为解决此难题的技术方向。在电力专用交换机应用中，通过智能变电站合并单元（MU）固有延时和链路驻留总延时还原间隔采样数据的发生时刻，实现多间隔采样同步，当驻留延时超过5ms时，继电保护装置会进行相关的闭锁和报警。基于组网测试系统，对延时补偿、数据流量精确控制、保护装置采样同步处理等功能、性能和可靠性进行了分析，提出了组网方案和关键技术要求。

智能变电站；网络延时；延时补偿；交换机

0 引言

智能变电站的发展已经历了数字化变电站、智能变电站和新一代智能变电站3个阶段。智能变电站常用组网方案参见文献［1-4］，新一代智能变电站相关规范和技术要求中，均要求“保护装置应满足采样值（SV）和面向通用对象的变电站事件（GOOSE）共口的应用场合，采用直采直跳”，该种方式可以不依赖对时保证数据传输的可靠性，但是所有变电站数据无法实现信息共享。当过程层网络中应用电力专用交换机进行SV和GOOSE的传输时，既能不依赖对时保证数据传输的可靠性，又能简化网络结构，实现所有变电站过程层数据的信息共享。

目前，智能变电站遵循IEC61850标准的“三层两网”通信体系［5］，其中由过程层网络负责传输智能开关相关的状态量、控制量以及电子式互感器采集的模拟量。站控层网络主要传输IEC 61850服务映射的制造报文规范（MMS）报文、网络对时报文。“三层两网”已经在实际工程中普遍应用，本文重点对“三层两网”模式下，过程层网络使用电力专用交换机进行SV和GOOSE共网传输的可靠性、主要性能指标和各种异常进行了应用和测试分析。新一代智能变电站的标准和规范不支持组网模式，该技术的推广应用需要相关标准和规范的支持，并对主要技术指标进行明确说明。

1 采样数据同步分析

1.1 数据隔离分析

智能变电站网络报文大体可以分为单播、多播和广播，单播报文包含有MMS，简单网络时间协议（SNTP）等，多播报文包含有SV，GOOSE，1588等，广播报文主要是地址解析协议（ARP）。“三层两网”结构中，过程层网络中主要含有SV，GOOSE和1588等报文，工程应用中，过程层网络经常采用虚拟局域网（VLAN）、静态组播和组播注册协议（GMRP）进行不同数据的分组和过滤［6］。进行分组过滤后，可以将SV和GOOSE数据进行对应端口转发和隔离，但由于交换机数据转发和通信协议栈传输延时的不确定性，当SV采样数据的传输延时未在报文中进行标记时，保护装置无法进行精确的数据同步处理。

采用电力专用交换机进行组网后，交换机根据SV和GOOSE的以太网报文标识进行数据的解析和隔离，再根据应用标志（APPID）和目标介质访问控制（MAC）地址在应用层进行分组和隔离，保证数据仅向需要的端口转发，从而进行精确的延时控制和补偿。通过交换机精确计算SV报文在交换机内的驻留总延时并写入SV报文内，保护装置利用MU固有延时和链路驻留总延时还原收到的多个间隔的采样数据发生时刻，完成采样值的同步处理。

1.2 延时标记方式

设收到第1帧以太网帧第1个bit时的时标为t1，发出第1帧以太网帧第1个bit时的时标为t2，计算出的Δt＝t2-t1写入SV报文中。对于延时标记的信息在SV报文中的位置有2种做法。

方式1：Δt写入SV报文的2个保留字段Reserved1，Reserved2［7］。

方式2：Δt写入SV报文MU固有延时的品质位。

采用这2种标记方式时，都可以将MU固有延时和交换机转发延时分别进行考核和测试，不会影响原有SV数据。对比2种标记方式，当采用方式1时，进行标记的位置固定，交换机可以快速实现报文解码，不影响交换机的性能指标，但是Reserved字段在IEC／TS 62351-7—2010［8］中已经作为安全性字段使用，推广应用时会与标准产生冲突。采用方式2进行延时标记时，交换机需要加载智能变电站中的变电站配置描述（SCD）文件，根据SCD文件中配置的每组SV发送信息识别固有延时的品质位的位置，从而实现延时的准确标记，而又不影响交换机的性能。由于方式2不会与标准产生冲突，交换机性能与采用方式1标记时一样，因此进行应用测试时，交换机和保护装置都按方式2进行测试和应用。

2 交换机原理和关键技术

2.1 电力专用交换机原理

电力专用交换机采用分组传送网（PTN）技术，支持12路100 M和4路1 000 M光口，主要采用PWE3技术承载各种业务（如Ethernet，TDM，ATM，FR等），PWE3是一种在分组交换网络（PSN-Packet Switch Network）上模拟各种端到端的二层业务机制，其工作原理如图1所示，不同的业务由不同的伪线PW（Pseudo Wire）来承载，可以根据需要对每个PW进行设置，如带宽、服务质量（QoS）、保护等，多个PW封装到一个通道LSP（Label Switch Path）里面，并由其实现业务的端到端传送。PW所承载的数据业务对PTN网络是不可见的，利用PWE3的目的是希望以尽量少的功能，按照给定业务的要求仿真线路。［9］

图1 PWE3工作原理图

2.2 关键技术

电力专用交换机采用特殊的数据处理机制和专用技术，采用的关键技术包括虚专线、层次化的OAM、端到端的QoS等［10］。虚专线是一种端到端的二层以太网业务承载技术，属于点对点方式的L2VPN，通过虚专线实现数据的可靠传输，很容易解析网络中每条报文的对应关系，根据网络中报文的种类以及流量，为其分配恰当的带宽，并指定优先级，不仅优化了设备的资源管理，也提高了设备的信息传输效率以及网络性能，详细测试数据和性能指标参见第3章节。交换机报文转发过程如图2所示，交换芯片和现场可编程门阵列（FPGA）协同完成数据的转发与控制。交换机对智能变电站过程层数据进行解码，根据以太网类型码找出SV报文（0x88BA），交换机级联时该延时字段逐级累加。本文提及的新研制交换机所使用的FPGA的时间精度为8 ns，对所有数据进行无延时转发，当报文发送到交换机端口后，首先被FPGA捕获，FPGA打上入口时间戳t1，填在SV第1个通道的Q字段中，然后进行标签转发，该帧SV在FPGA发送时打上时间戳t2，Δt填在相应的字段中，并去除内部封装数据进行发送。

图2 报文转发过程

本文提及的新研制交换机所使用的FPGA的时间精度为8 ns，对所有数据进行无延时转发，当报文发送到交换机端口后，首先被FPGA捕获，FPGA打上入口时间戳t1，填在SV第1个通道的Q字段中，然后进行标签转发，该帧SV在FPGA发送时打上时间戳t2，Δt填在相应的字段中，并去除内部封装数据进行发送。

2.3 数据流量控制

交换机的网络报文转发路由表根据全站SCD文件自动生成，根据优先级和VLAN对所有报文按实际工程应用进行SV和GOOSE数据的转发和交换。交换机各个端口转发的数据能够保证与SCD文件配置的GOOSE和SV数据一致。自动识别无效的GOOSE和SV信息，并进行丢弃处理，仅对有效数据进行延时标记和转发，从而对网络中的数据流量进行精确控制，保证有效数据更快速和高效地转发处理，缩短交换机驻留时间，抑制无效数据，降低网络风暴下对正常网络传输的影响。

3 主要性能测试

电力专用交换机在智能变电站过程层网络中的应用，必须满足过程层装置和网络的功能性能以及可靠性要求，因此，电力专用交换机的关键性能指标应包括以下几点：（1）采用延时标记精度；（2）电力专用交换机对保护装置的影响；（3）双网切换；（4）网络压力等。为了对上述关键性能指标进行测试验证，依据相关国网标准以及实际智能站的网络规模和要求，专门搭建了电力专用交换机典型测试环境。

按照该模型搭建的测试系统能真实模拟较大规模的500 kV智能变电站，特点如下。

（1）考虑到500 kV 3／2接线中各个串之间无数据转发，且500 kV母线保护需要采集的量值及需要跳开的断路器没有220 kV母线保护多，故网络压力及雪崩试验放在220 kV母线保护网络上考核，220 kV侧过程层网络测试环境如图3所示。

图3 单网典型测试环境

（2）220 kV共有14条出线，考虑到增加网络负载，该模型上220 kV母线保护共接收24个元件的电流以及2组母线电压。

3.1 交换机延时标记精度测试

3.1.1单端口延时精度

合智一体装置通过2个端口发送同样的SV数据，一端口接入交换机，另一端口接入高精度网络分析仪，网络测试仪通过交换机某一端口分别施加1～100M背景SV数据流量，通过时标精度能达到1 ns的高精度网络分析仪测试交换机其他所有端口转出SV数据的延时标记精度。

测试过程中，分别在常温和高低温下对同一交换机、级联交换机和千兆交换机的延时标记精度均进行详细测试，88字节（2通道）、152字节（10通道）、232字节（20通道）、584字节（64通道）长度的SV，交换机驻留时间精度最大为400 ns；且在上述长度报文99%的网络带宽下，交换机驻留时间精度不大于400 ns，测试数据见表1。除了测试正常运行过程中延时标记精度，还对交换机断电和上电过程中SV数据延时标记的正确性进行测试，解决了交换机刚上电时延时标记不正确，导致保护装置误报警的问题。

表1 单级交换机时延精度

3.1.2多端口汇聚延时精度

如图3所示，所有装置接入同一个交换机，再施加80组GOOSE，测试汇聚到同一个端口转出后的延时标记精度和离散性。测试时，在启用绝对优先级模式下，网络延时最大值为300μs，交换机延时标记精度最大为400 ns，与单端口延时标记精度一致。3.1.3环境试验

根据Q／GDW 1845—2012《智能变电站网络交换机技术规范》［11］的要求，在高低温和电磁兼容环境下对交换机数据转发和延时标记精度等主要性能进行了测试，交换机运行稳定，各项测试数据和主要性能指标与正常环境下的性能指标一致。

3.2 电力专用交换机对保护装置性能的影响

采用电力专用交换机进行采样数据的传输过程中，每帧数据采样延时均是可变的，保护装置进行采样同步和数据调整时，需要实时解析SV报文中的延时标记进行数据的同步和重采样，跳闸GOOSE和SV均是通过共网传输，需重点测试在不同网络负荷下对保护动作时间的影响［12］。

母差保护跳闸，24个元件同时动作，开关同时变位情况下，下行母线跳闸GOOSE的最大延时为178μs，为保证实时性，IEC 61850规定数据在过程总线上传输时应具有可测算的确定延时以及在最坏情况下的延时极值，GOOSE报文（快速报文）和SV报文（原始数据报文）应在3ms内完成传输［12］。该测试条件下，实测的GOOSE跳闸命令的网络传输延时最大178μs（穿越4层交换机），满足要求。

分别在网络中施加正常的SV和GOOSE流量，模拟区内故障，线路纵联保护、母线和主变差动保护以及站域保护装置的整体动作时间均小于30ms。采用组网模式进行采样时，由于转发延时和网络延时的不确定性，保护装置需要实时计算链路延时和数据的均匀性，因此组网模式相较于直采直跳模式，保护整体平均动作时间会多出约3ms，仍满足电力系统相关标准的要求，保护动作时间数据见表2。

表2 保护动作时间 ms

3.3 雪崩测试

智能变电站发生雪崩事故时，对过程层网络应对突发数据的能力要求较高，过程层交换机的级联端口转发压力最大，为此12端口交换机级联端口可采用1000Mbit／s速率。国网标准要求当SV采用组网或与GOOSE共网的方式传输时，用于母线差动保护或主变差动保护的过程层交换机宜支持在任意1000M网口出现持续0.25ms（为80点采样速率时的1个采样周期）的2000M突发流量时不丢包［11］。

模拟网络中23组SV、69组GOOSE同时变位，以雪崩时每个间隔的智能终端同时有3组（母差23个元件，合计69组）GOOSE变位为例，实际测试结果及分析见表3。

表3 雪崩试验情况下测试数据

在该突发流量下交换机不会出现丢帧现象，依照广东电网雪崩试验标准：每秒200个开关变位，持续5min，过程层网络无丢失报文及错误转发报文的现象，系统的同步性能正常。

模拟SV和GOOSE短时超过100M的数据流量时，保护装置均能正确动作和跳闸，只有长时间模拟SV和GOOSE超过100M数据流量后，保护装置会出现无法正确动作和跳闸，同时提示采样异常的现象。通过装置液晶面板可以实时浏览和查看到SV和GOOSE接收的状态如图4所示，在长时间模拟SV和GOOSE超过100M数据流量后，保护装置经电力专用交换机监视到的双网链路和同步状态均正常，延时稳定，未出现丢帧和数据抖动现象。由于测试过程中，还曾经模拟SV数据品质无效，因此品质无效原因为2。

图4 SV实时监视状态

3.4 双网功能测试

采用组网方式进行采样和跳闸方式时，为防止单一网络异常导致保护功能受到影响，工程应用一般按双网冗余配置。在图5所示试验环境下进行模拟测试时，也按照用于双网搭建测试环境，搭建双网测试时，双网数据完全独立，重点测试保护对双网冗余和切换的正确性和可靠性。正常和异常网络情况下进行了如下模拟测试：（1）任一网络中SV或GOOSE数据异常、无效或中断；（2）任一网络中交换机断电上电；（3）任一网络出现风暴；（4）时钟异常。

图5 双网应用测试

进行上述异常模拟测试时，保护和测控装置采样均应正常，不应出现误动作或误报警，只有2个网络均同时出现异常时，保护装置才闭锁保护，同时进行报警提示。

如测试过程中，由于保护装置对双网数据冗余处理存在缺陷，模拟某一网络数据的SV出现频繁丢帧，另一个网络数据一直正常，保护装置进行双网SV数据校验时，只要出现异常的网络SV数据均匀性大于保护装置重采样延时判定门槛，就导致采样异常、闭锁保护，如图6所示。修正双网SV冗余处理逻辑，即双网SV数据校验时，采用正常网络的SV数据进行重采样，只有双网数据都超过延时判定门槛后才进行异常数据处理。按修改后的逻辑进行各种异常模拟，保护装置采样均正常，不会出现采样异常和误报警。

图6 采样数据异常波形

3.5 网络压力测试

对网络中的订阅和非订阅的SV和GOOSE报文进行了网络压力测试，在原有网络数据流量的基础上使用网络测试仪对网口施加如下网络风暴报文（网络风暴情况下，不影响正常的SV数据的延时标记精度）。

（1）施加非订阅GOOSE，SV，ARP和PTP等类型的报文，注入100%流量进行测试，交换机可以将非订阅报文正确过滤，模拟区内故障及与各订阅GOOSE控制块报文相关的故障，保护均能正确动作，并正确上送后台。

（2）施加单个或多个订阅GOOSE报文（StNum不变，SqNum不变），注入1%～100%流量进行测试，模拟区内故障，保护能正确动作，并正确上送后台。

（3）模拟网络中组播报文增加和减少，交换机路由表发生变化后交换机对数据转发的正确性。

（4）模拟单端口收发超过100M数据流量后，交换机对有效数据和高优先级数据转发、保护装置对异常数据处理的正确性。实际测试过程中，交换机能按照正常的设置进行转发，保护装置能够给出报警提示，不会出现误动作。

4 应用案例

新一代智能变电站建设中，已经采用保护装置进行直采直跳，其他的测控、网络分析、录波和站控层MMS数据等均通过共网方式实现。在该种组网模式下，将交换机更换成电力专用交换机后（如图7所示，图中GIS为气体绝缘金属封闭开关设备），可以精简过程层直连部分的光纤连线，实现所有数据的共网和共享，同时又不依赖外部对时。

在该种组网方式下，精简了二次设备的网络结构，保护、测控、录波等二次设备进行SV采样时，仅需1根光纤接入，根据合智一体装置（合并单元、智能终端合并）的采样延时和交换机标注的延时进行数据的同步采样。对于跨间隔保护，如母线和站域保护，可以使用千兆网口进行数据接入，千兆数据接入在智能变电站中已经得到推广应用。目前、配合测试的母线保护还不支持千兆口接入，需研发支持千兆口数据的母线保护，采用电力专用交换机进行组网后，为广域保护提供数据支持。

图7 GOOSE和SV共网结构

5 结论

采用电力专用交换机后，在精简网络结构的同时，解决了SV组网模式下依赖外部对时的问题，既保证了数据传输的可靠性，又可以实现采样数据的共享，经过测试和应用分析，能满足电力系统对继电保护的要求，可以进行推广应用。本文重点从“三层两网”组网结构中的过程层网络进行了应用和测试的分析，测试了电力专用交换机的最大标记精度为400 ns，经过测试验证完全满足继电保护的性能要求，由于目前无相关的应用和标准要求，本文中的测试方法、试验数据对以后的工程应用和标准制定具有参考意义，可以为以后新一代智能边站建设提供设计参考。交换机作为重要的数据中转单元，必须保证在电磁兼容和复杂工况下延时标记精度和传输速度的稳定性和可靠性，因此可以在智能变电站中进行试点，待技术成熟后进行推广和应用。

［1］Q／GDW 383—2009智能变电站技术导则［S］.

［2］樊陈，倪益民，窦仁辉，等.智能变电站组网方案分析［J］.电力系统自动化，2011，35（18）：67-69.

［3］邱智勇，陈健民.500 kV数字化变电站组网方式及VLAN划分探讨［J］.电工电能新技术，2009，28（4）：60-64.

［4］邱智勇，陈健民，朱炳铨.基于IEC 61850标准的500 kV三层结构数字化变电站建设［J］.电力系统自动化，2009，33（12）：103-107.

［5］DL／T 860.81—2006变电站通信网络和系统第8-1部分：特定通信服务映射（SCSM）映射到制造报文规范MMS［S］.

［6］王松，黄晓明.GOOSE报文过滤方法研究［J］.电力系统自动化，2008，32（19）：54-57.

［7］IEC 61850-9-2—2004 Communication networks and systems in substation，Part 9-2：Specific communication service mapping（SCSM）-sampled values over ISO／IEC 8802-3［S］.

［8］IEC／TS 62351-7—2010 Power systems management and associated information exchange——Data and communications security Part 7：Network and system management（NSM）data objectmodels［S］.

［9］李峰，谢俊，赵银凤，等.基于IEC 61850的智能变电站交换机IED信息模型［J］.电力系统自动化，2012，36（7）：76-79.

［10］汪强，徐小兰，葛光胜，等.智能变电站专用通信设备的关键技术［J］.电力系统保护与控制，2014，42（7）：151-153.

［11］Q／GDW 1845—2012智能变电站网络交换机技术规范［S］.

［12］DL／T 860.10—2006变电站通信网络和系统第5部分：功能通信要求和装置模型［S］.

（本文责编：白银雷）

TN 916.43

：B

：1674-1951（2015）06-0013-05

张文（1984—），男，安徽阜阳人，工程师，从事继电保护及自动化产品的测试技术、测试方法的研究和科研产品的研发测试工作（E-mail：electricwen＠163.com）。

2015-01-27；

2015-04-28

韩悦（1986—），女，河南周口人，助理工程师，从事电力系统通信及变电站自动化产品开发与测试方面的工作（E-mail：1379215791＠qq.com）。

卢军志（1987—），男，吉林伊通人，助理工程师，从事电力系统通信及变电站自动化产品开发与测试方面的工作（E-mail：270513271＠qq.com）