胡 俊 & 周佳华 加拿大罗杰康公司 2011-12 智能变电站交换机及组网方案 智能变电站与以太网交换机 智能变电站自动化系统网络设计 工程实例 Q & A 主题 智能变电站与数字化变电站 智能化变电站与数字化变电站是智能电网的关键节点； 数字化变电站的特征是一次设备数字化、二次设备网络化、通信规约标准化； 智能变电站是使用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基础要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据自身的需求支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。 基于IEC61850标准的变电站网络通信是最大的共同点。 智能化变电站二次系统 站控层网络 IEC 61850-8-1 过程层网络 IEC 61850-9-2 智能化变电站交换机的作用 交换CT 和VT 的采样测量值； 保护和控制 I/O 数据的快速交换； 控制和跳闸信号； 工程和配置； 监控和管理； 控制中心之间通信； 时间同步，依同步精度要求不同分别采取了NTP和PTP时钟同步协议； 计量； 故障记录和网络分析； 其他功能，如资产管理等。 以太网交换机所带来的高速的数据共享和数据交换使得IEC61850变电站中的智能电子设备 (IED) 可以集成更多更高级的功能，从而使得变电站的二次系统成为一个智能化分布式控制系统。 智能变电站对以太网交换机的要求 高可靠性 （MTBF 106 hours） 高可用性 99.999% 快速网络自愈（eRSTP、MSTP、HSR） GOOSE报文要求小于3ms的网络延时（包括IED的处理时间） 精确时钟同步PTP（ 1us） 电力加强型的电磁兼容性：IEEE 1613，IEC 61850-3 强电磁干扰下实现零丢包Zero-packet-loss™ 符合IEEE 1613 Class 2标准（通过KEMA 测试） 强大的功能——支持保护、测控、 IEC 61850应用和其他各种高级应用 适应恶劣环境，宽工作时候的温度范围（无风扇散热）：-40 to +85ᵒC，湿度达95% 网络安全 更高 — 更快 — 更强 — 更安全 设备工作时候的温度： -5～+45℃（户内）/ -25～+55℃（户外）（所有罗杰康产品的工作时候的温度均为-40 ℃ to +85 ℃，无风扇冷却） 标称电压：DC 220/110V。为调试方便，交换机也应支持220VAC供电罗杰康产品支持88-300VDC/85-264VAC，也支持24VDC、48VDC 双冗余电源选项，且支持负载均衡 冗余电源可以是不同的电压输入 防护等级：防护等级IP40以上 出线方式：可采用前出线或后出线方式，现场安装的交换机宜采用后出线方式 基本技术方面的要求 DL/T860标准对以太网交换机的要求 以太网交换机实质上也是一个智能装置 (IED) 在变电站EMI环境中必须能正常工作. DL/T860规定了智能装置一定要进行的型式试验, 以模拟各种EMI现象: 开关感性负载 闪电 静电释放 便携式无线通信设施产生的干扰 地电势升高(变电站内大电流故障引起的) …… IEC 61850-3 (2002) “Communications networks and systems in substations” 变电站中的通信网络和系统 DL/T860标准对以太网交换机的要求 工业以太网交换机不可以未经测试和认证直接用于变电站 DL/T860标准强调“普通工业环境的抗干扰要求对于变电站来说是不足的” IEEE 1613标准对以太网交换机的要求 IEEE 1613,电站中通信网络设备的标准环境和测试要求，进一步定义了“Class 2”工作要求，即在进行型式试验过程中，交换机一定要符合: 无通信故障 无通信延迟 无通信中断 IEEE 1613 (2003) “Standard Environmental and Testing Requirements for Communications Networking Devices in Electric Power Substations” 国网交换机技术规范 智能变电站中的以太网交换机不仅被用于后台数据的采集，也是控制和保护动作的信息通道，因此必须对以太网交换机的可靠性、电磁兼容性能、实时性、通信功能、安全性等方面提出更高的要求。 国网公司2010年3月发布了《智能变电站网络交换机技术规范》（Q/GDW429—2010），使得公司系统内智能变电站网络交换机选型、设备采购等工作有了遵循的依据。 DL/T860 标准: 抗电磁干扰 变电站环境抗电磁干扰的要求 比工业环境抗电磁干扰的水平更高 按照继电保护设施的要求做测试 基于继电保护设备的IEEE C37.90.x 标准 设备正常运行性能分为两类 CLASS 1 – 在型式试验时允许通信故障 CLASS 2 - 在型式试验时要求“无故障” 操作 不允许用风扇冷却! IEEE 1613: 抗电磁干扰 光纤 vs. 铜缆 EPRI – 对 UCA(用户通讯结构)采用的铜缆的研究(1997) 变电站中常见的EMI现象产生的瞬态过程对屏蔽和非屏蔽五类线的影响 根据结果得出，出现很大的数据帧丢包率: 32% @ 1kV 66% @ 2kV 75% @ -2kV Rockwell Automation - 铜缆的共模抑制 (2002) Induced RFI (IEC 61000-4-6) Applied to CAT5 cable to test CMR (Common Mode Rejection) 在相邻铜缆中发生共模噪声耦合 结果误码率: 22% @ 10Vrms (噪声耦合)! 结论：在不允许发生通信故障的实时控制应用中需要采用光纤 当交换机用于传输SMV或GOOSE等可靠性要求比较高的信息时应采用光接口；当交换机用于传输MMS等信息时宜采用电接口 交换机MAC地址缓存能力 ≥ 4096个 交换机学习新的MAC地址速率 1000帧/s 传输各种帧长数据时交换机固有时延应 10μs 交换机在全线速转发条件下丢包（帧）率为零 支持虚拟局域网VLAN，IEEE 802.1p 流量优先级控制标准，快速生成树协议RSTP或多生成树协议MSTP， 网络风暴抑制，GMRP组播协议，简单网络管理协议SNMP，通信安全等 交换机主要网络性能要求 过程层网络：GOOSE与SMV IEC61850建议的MAC地址取值范围 IEC61850建议的取值范围 服务 开始地址（16进制） 结束地址（16进制） GOOSE 01-0C-CD-01-00-00 01-0C-CD-01-01-FF SMV 01-0C-CD-04-00-00 01-0C-CD-04-01-FF IEC61850标准中各种服务类型的报文均使用组播MAC地址。 交换机在缺省情况下会将组播报文全网广播，这虽然能保证报文传输的实时性，但是这也造成装置收到大量与自身无关的报文，特别是网络中有SMV报文时，往往会造成装置过载。 以每周波80点采样为例，按照IEC61850-9-1传输方式，将采样值（SV）信号和开入开出信号并为一帧发送，其占用的网络带宽为： SR × TL × nMU 其中SR为采样速率（Hz） TL为最大报文长度，即26个字节以太网报头 +4个字节优先级标签 +8个字节以太网型PDU +2个字节ASN.1标记/长度+2个字节块的数目+46个字节通用数据集+23个字节状态量=111个字节，111字节×8位=888位，888位+96位帧间隔=984位 nMU为所连接的合并单元（MU）的数目 所以SR×TL×nMU=(80×50Hz)×984Bit×nMU = 3.936 nMU Mbps 对于一个100M的以太网络，一台MU做占用网带宽以达到4％左右，而通常母差与变压器等保护设施需要多个MU，所占用的带宽往往需要会成倍增加。 过程层网络负荷 组播与MAC地址 报文的目的地址分为： 单播：一对一 广播：一对全部 组播：一对多 MAC地址第一个字节的最后一位如果是“1”，即表示组播 交换机缺省情况下会将组播报文广播到同一局域网的所有端口 VLAN 1 VLAN 2 T T R R 什么可以限制组播? VLAN可以限制组播，但装置可能还会收到无用的组播 静态组播过滤 GMRP 或 IGMP 组播过滤 IED IED IED IED IED MU GOOSE SMV VLAN标签 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 0x8100 16bit CFI 1bit VLAN ID 12bit TPID = Tag Protocol Identifier TCI = Tag Control Information CFI = Canonical Format Indicator 带优先级的以太网帧 最大帧长度 - 1522 字节（增加了4 个字节） 为报文指定VLAN ID的方式有两种： 设置交换机端口的PVID，使装置发出的VLAN ID=0的报文关联上PVID 在装置中设置报文的VLAN ID，即装置发出的报文中已经包含了一个非零的VLAN ID，而交换机所有端口的PVID一般保留缺省值1； 随后通过在交换机中设置静态VLAN的FORBIDDEN规则，实现组播报文的隔离。 以上两种方法通常能够达到相同的组播报文隔离效果。第一种方法实施简单，因为无需对装置做VLAN配置。但在实际应用中，第二种方法是适应性更好。因为智能变电站中慢慢的变多地使用IEC61588对时技术，而根据标准，要求对时装置间发出的PTP报文应在一个同一个VLAN中。如果采用上述方案二，即端口的PVID不同，会使PTP报文异常交互。另外在实际应用中也发现，方法一会增加交换机的CPU负载，对PTP对时精度稍有影响。 VLAN ID 什么是VLAN？ Virtual LAN: 一个独立的以太网，它与其它网络共用相同的硬件 允许不同位置的多个设备同时工作，就象在不同的局域网上一样 每个VLAN作为一个独立的广播域 IEEE 802.1Q 标准定义了 ‘tagged’ 帧格式，允许多个VLAN在一个主干上传输 VLAN之间的数据通信需要采用路由器 为什么需要VLAN？ 大量的广播数据浪费了大量带宽 VLAN减少了广播流量 隔离带有关键实时数据的IEDs 这些设备不需要处理无关的数据包 隔离产生大量数据输出的设备 61850-9-2过程总线和视频监控设备可能会产生大量的数据流 VLAN将他们隔离 安全 VLANs将数据流限制在需要它的工作站上– 不能被监听 一般来讲，每个VLAN有自己的IP子网 VLAN (802.1Q) VLAN 举例 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 3 VLAN 1 VLAN TRUNK VLAN TRUNK 静态组播过滤 System Name Static Multicast Groups 10 ALARMS! MAC Address VID CoS Ports 01-0C-CD-04-00-05 1 Normal 14 01-0C-CD-04-00-06 1 Normal 14 01-0C-CD-04-00-07 1 Normal 11 01-0C-CD-04-00-09 1 Normal 11 01-0C-CD-04-00-0A 1 Normal 11 01-0C-CD-04-00-0B 1 Normal 11,15 01-0C-CD-04-00-0C 1 Normal 11,15 CTRL Z-Help S-Shell D-PgDn U-PgUp I-Insert L-Delete 静态地址表是通用性最好的隔离组播的方法，但填写MAC地址是很繁琐事情，一般只在智能装置不支持VLAN时使用。 动态组播过滤GMRP GMRP是GARP Multicast Registration Protocol（GARP组播注册协议）的缩写，是一种数据链路层的组播过滤协议，很适合变电站过程层GOOSE和SV等组播报文的过滤 在支持GMRP的交换机和装置间传输组播注册信息，动态维护组播地址表 GMRP可以大幅度简化智能变电站内交换机配置 动态组播过滤GMRP 为了适应智能变电站故障录波、报文记录仪等设备，需要对GMRP协议做以下的优化： 交换机的全局GMRP = off - 组播被广播到交换机的所有端口 交换机的全局GMRP = on，且端口的GMRP = on - 组播只发送到“member”端口 交换机的全局GMRP = on，且端口的GMRP = off - 组播也会被广播到该端口 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 传输时间定义：时间计时从发送方把数据内容置于其传输栈顶时刻开始，直到接受方从其传输栈中取走数据时结束。 13.7 报文类型和性能类：跳闸是变电站中最重要的快速报文。总传输时间应小于1/4周期，规定3ms。 网络延时－传输时间定义 网络延时－交换机的延时计算 交换机以太网的延时由以下4部分所组成 帧收发延时（LSF） 交换延时（LSW） 线路传输延时（LWL） 帧队列延时（LQ） 总的网络延时 = ∑ LSF + LSW + LWL + LQ 通常，提高帧收发速度和降低网络负载（帧排队时间），是减小网络延时的主要手段 网络延时－帧收发延时 LSF 10 Mbit/s以太网帧收发延时: 64 字节数据包 = 51.2 µs 1522字节数据包 = 1217.6 µs 100 Mbit/s以太网帧收发延时: 64字节数据包 = 5.12 µs 1522字节数据包 = 121.76 µs 1000 Mbit/s以太网帧收发延时: 64字节数据包 = 0.512 µs 1522字节数据包 = 12.176 µs 网络延时－交换延时 LSW RuggedCom交换机的交换延时小于 7µs 网络延时－线路传输延时LWL 数据在线的光速计算 如果传输距离较长，比如说100KM，延时LWL计算如下 LWL = 1x105 m / (0.66 × 3×108 m/s) ≈ 500 µs 平均帧队列延时可以按以下公式估算：LQ = (网络负载) × LSF(max) 网络负载是当前网络负载占网络带宽的百分比 LSF(max) 存储转发最大数据帧 (1500 byte)的收发时间 网络负载在25% 的情况下平均帧排队延时为：LQ = 0.25 × [12000 bits / 100Mbps] = 30μs 网络延时－帧队列延时LQ 网络延时－实际案例 对于采样值网络，线路上的时延可忽略不计，排队时延按上述平均排队时延考虑。则总时延等于报文通过每台交换机的时延的总和。 总时延（L_Total）(us)=LSF1+LSW1+LQ1+LSF2+LSW2+LQ2+LSF3+LSW3+LQ3+LSF4 对于大侣110KV变电站的网络延时，网络负载分别为38%和45%，即38M和45M。 对132个字节的采样值数据，经过3台交换机的总延时，理论分析57.82us，实验测得58us。 IEC61588时钟同步 PTP的基本构思是通过硬件和软件将网络设备（客户机）的内部时钟与主控机的主时钟实现同步，提供同步建立时间小于10μs的运用，与未执行IEEC61588协议的以太网延迟时间1ms相比，整个网络的定时同步指标有显著的改善 PTP对时三个主要环节： 最佳主时钟算法BMC 主从时钟偏差计算 主从时钟传输延时计算 两步法PTP对时原理 主时钟和从时钟的时间偏差 主时钟和从时钟的传输延时 透明时钟（TC）工作原理 透明时钟（TC）工作原理 P2P延时计算 TC的传输延时计算 P2P延时计算 TC的传输延时计算 P2P中TC依次累计前端的传输延时，作为其下一个节点的修正时间（correction) T1＝[(t4-t1)-(t3-t2)]/2 IEEE1588时钟同步 PTP Precision Time Protocol – 精确时间同步协议

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