千兆交换机在智能变电站的应用探讨

杨 贵 王文龙 熊慕文 刘明慧

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

1 引言

随着智能化变电站在国内的广泛兴建，由传统保护、测控通过电缆采集一次设备开关量、电压、电流等信号的变电站模型正向保护、测控通过光纤通信方式采集一次设备开关量、电压、电流等信号的智能变电站模式转换。一般认为智能变电站的系统架构分为站控层、间隔层和过程层三层[1]，站控层和间隔层之间的网络一般传输制造报文规范[2]（manufacturing message specification，MMS）报文，简称MMS网。站控层和间隔层之间的网络一般传输面向通用对象的变电站事件[3]（generic object oriented substation events，GOOSE）报文，简称GOOSE网。智能一次设备通过光PT、光CT进行模拟量采集并上送合并单元，合并单元将同步后的模拟信号上送保护、测控等间隔层装置使用，通过传输采样测量值[3]（sample measured value，SMV）报文上送，简称SMV网。GOOSE报文和SMV报文均采用组播方式传播，GOOSE报文主要传输开关量信息，SMV报文传输采样值信息。

2 智能变电站网络

2.1 交换机流量统计

在智能变电站中MMS网一般采用双星型网或双环形网，GOOSE网和SMV网一般采用双星型网[4]。目前主要有两种组网方式：MMS、GOOSE及SMV单独组网方式（图1），MMS单独组网、GOOSE和SMV共网方式[5]。智能变电站在站控层和间隔层之间采用MMS报文进行信息传输，MMS报文采用TCP单播进行信息传输，从而决定了MMS网中的广播报文一般只有地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）报文，其他均为TCP单播报文。GOOSE报文和SMV报文均为组播报文，对于没有划分VLAN的情况下，组播报文将在整个网络广播。

图1 MM S、GOOSE、SM V独立组网

图2 MM S独立组网，GOOSE、SM V共网

我们针对一个具有50台测控装置、100台保护装置，两台后台机和一台远动装置的智能变电站来统计一下全站报文流量，网络结构见图2。每台保护、测控装置需要同时连接两台后台机和一台远动装置，那么每台后台机和远动装置需要连接150台装置，采用GOOSE网和SMV共网方式组网，正常情况下每台装置与每个后台或远动装置通信的MMS流量为20kbit/s。那么，可以统计每台后台机的报文流量大概为3Mbit/s。通过级联端口的报文流量大概为9Mbit/s（避免GOOSE报文流量的重复统计）。

对于GOOSE和SMV共网，我们假设每个合并单元的数据流量为6Mbit/s，GOOSE报文流量为10kbit/s，网络采用3级级联情况。当不采用VLAN划分方式进行报文隔离情况下，在不考虑报文延时情况下网络最多可接入合并单元个数为100/6≤17台，因此在SMV网中必须对不同间隔的SMV报文进行隔离，并尽量保证接收的保护和测控装置同对应的合并单元连接到相同的交换机上。但是对于母差保护、主变保护等特殊装置需要同时接收多个电压等级或间隔的合并单元信号。必须通过交换机级联才能采集到所有需要的合并单元信号，这时将导致级联端口的报文流量达到或接近百兆的满流量。GOOSE报文流量相对于SMV的报文流量较小，但是要求在全站所有保护和测控装置中进行传输，因此，GOOSE报文的传输延时将受到SMV报文的影响而变大。

2.2 交换机延时计算

对于MMS网一般报文流量不大，同时对通道传输延时要求不高。所以，这里我们主要讨论GOOSE报文和SMV报文传输的情况。下面以南瑞继保公司PCS系列交换机为例进行计算。考虑3级级联（图3），采用具有24个百兆光口PCS9882交换机。对比用千兆光口交换机采用PCS9881的技术参数。当每台交换机的其他端口同时向一个端口发报文时，将导致输出队列的最后一帧报文具有最大延时（图4），当级联的每台交换机均同时发生拥塞时，就产生了报文的最大网络延时。交换机固有延时：PCS9882B百兆光口固有延时＜4us，PCS9881A千兆光口固有延时＜1µs。

图3 SM V三级级联网络

图4 交换机内部拥塞图

百兆交换机的报文最大延时计算公式如下：

Tmd=（每字节传输时间×最大报文长度×交换机端口数+交换机固有延时）×最大级联次数。

无阻塞情况下的计算公式如下：

Tad=（每字节传输时间×平均报文长度+交换机固有延时）×最大级联次数。

千兆交换机的报文最大延时计算公式如下：

无阻塞情况下的计算公式如下：

从传输延时来看，千兆交换机具有更小的报文传输，在无阻塞情况下，百兆交换机传输延时为千兆交换机传输延时的7倍左右。当发生阻塞时，百兆交换机的传输延时增加为千兆交换机传输延时的10倍左右。过程层的传输延时将直接影响到保护动作时间，在过程层采用千兆交换机将具有更加优秀的抗阻塞能力，因此千兆交换机在智能电网中的应用将成为智能电网发展的必然趋势。

3 目前智能变电站交换机应用现状

智能变电站目前采用的交换机主要为100Mbps工业以太网交换机，端口数量一般为16或24的管理型交换机。由于MMS网和GOOSE网传输数据流量较小，MMS对传输延时要求不高，而GOOSE报文虽然对延时有要求，但是可以通过提高报文优先级方式解决，这里不再考虑。SMV网报文量很大，一般每个端口流量为6Mbit/s左右，同时接收多个合并单元数据时，端口流量将更高，对于需要传输所有报文的级联端口来说，报文可能达到或接近满限速。而采用百兆交换机构成的网络传输几十台合并单元信息将无法满足带宽、传输延时要求，在这种情况下，必须采用特殊限制来满足智能电网建设的实际应用。目前主要采用以下几种方法：

（1）尽量将保护、测控装置与对应的合并单元通过同一台交换机接入SMV网络。

（2）通过划分VLAN的方式或GMRP及IGMP网络协议的方式限制各个端口无用的报文流量。

（3）通过具有千兆端口的交换机组网，采用千兆端口作为级联端口使用，增加各个交换机之间报文传输的带宽。

（4）通过减少交换机级联次数来减少各个交换机间传输报文的流量及传输延时。一般要求级联次数少于3级。

（5）通过802.1P的Qos服务来减少敏感报文（如GOOSE报文）的传输延时。

在目前的智能电网的建设中，一般均采用了以上方法中的一个或多个进行网络报文流量的优化。采用以上方法虽然能够缓解传输带宽、延时等要求，但是并不能从根本上解决问题。而且导致了网络结构和装置安装位置受限；采用千兆级联端口有可能出现百兆端口带宽不够，网络问题分析困难等新的一系列问题。

千兆交换机具有带宽大，延时小的特点，从1.2节计算可以得到结论：百兆交换机3次级联的延时相当于千兆交换机级联30次的延时，因此在采用千兆交换机组网时级联次数将不受限制，可以对SMV网络采用更加可靠的双环网方式。千兆交换机的带宽允许网络上同时接入166台合并单元而不会出现超过传输带宽问题，同时通过对装置组播地址的管理可以方便的实现组播的有效过滤，而不会出现装置接收过多的报文无法处理问题，这将从根本上解决现有网络传输延时和带宽问题。

4 千兆交换机技术要求

针对智能变电站的应用，千兆交换机在硬件上应具有如下功能：

（1）能够在强电磁干扰、静电放电情况实现报文传输零丢包。

（2）在低温（-40℃）及高温（70℃）情况下长期稳定工作[6]。

（3）在全线速工作情况下报文传输零丢包。

（4）交换机固有传输延时应小于10µs。

（5）可灵活选配短距离或长距离的光收发器，适应不同的现场应用。

（6）采用模块化设置，满足不同应用场合对端口数量，接口方式的灵活配置

（7）针对过程层的应用应满足零报文丢失，即零丢包。

千兆交换机在软件上应具有如下功能：

（1）支持QoS（802.1p）报文优先级控制，至少提供4个优先级队列，具有严格优先级和权重优先级，可以保证关键通信报文如GOOSE的优先传送。

（2）支持灵活的VLAN配置[7]，可按实际应用需求设置带VLAN标签报文的处理方式，包括VLAN标签的插入、修改或删除操作。

（3）支持将多个端口的报文镜像功能，满足数字化变电站通信录波的需求及网络故障分析。

（4）支持网络风暴抑制功能，可设定交换机广播报文、多播报文和寻址失败报文的转发速率上限。

（5）支持端口速率控制，可设定各端口的报文转发速率上限和突发速率上限。

（6）支持链接聚合功能，支持基于MAC地址的链接聚合。

（7）支持STP（802.1D）和RSTP（802.1w），在通信链路失效时快速切换到备份链路。

（8）支持Web、Telnet、CLI命令行方式管理。

（9）支持SNMP V1/V 2c/V3简单网络管理协议。

5 千兆交换机在应用中的阻力

目前智能变电站中装置采用的均是百兆网络接口进行通信，个别站采用千兆端口进行级联。在过程层的交换机主要采用百兆光纤接口实现合并单元与保护、测控装置的互联，采用光纤接口主要考虑到强电磁干扰对光纤网络稳定性基本没有影响，可以实现网络的零报文丢失。但是，由于百兆端口本身的传输速率限制，不可避免的为网络中的报文带来了很大的网络延时，由于传输带宽原因限制了接入装置的数量，为智能变电站的建设带来了瓶颈。千兆交换机很好的解决了这两个问题，本身的千兆速率使得交换机的传输延时远远小于百兆交换机，使得整个网络可以打破3级级联的限制。千兆的传输带宽允许网络接入足够的合并单元后不需要进行任何流量限制处理既能正常工作。

虽然千兆交换机有诸多的优点，但是不可避免的存在一定的缺点：

（1）配套的光纤模块、sw itch芯片级PHY芯片相对百兆交换机较贵

（2）目前智能变电站装置均为百兆端口[5]，不便于千兆交换机的推广应用

（3）目前针对智能变电站过程层的千兆交换机品种较少，各个厂家均以百兆交换机为主推产品。

6 结论

本文从智能电网的网络结构及自身特点出发，通过分析智能电网中的网络流量、计算千兆交换机与百兆交换机的传输速率及网络延时，逐步显示出千兆交换机的优势。在未来的应用中，千兆交换机将有逐步取代智能电网中百兆交换机的发展趋势。目前百兆交换机在应用中虽然存在一定的问题，但是仍然可以通过VLAN划分等方式满足智能电网的实际应用需求，并且百兆端口装置是目前市场的主流，建议在今后的智能变电站应用中采用千兆交换机对过程层组网。

[1] 谭文恕.变电站通信网络和系统协议IEC61850介绍[J].电网技术,2001,25(9):8-11.

[2] ISO 9506,Manufacturing Message Specification[Z]. 1990.

[3] Communication networks and systems in substations. 2005

[4] 王文龙,陈韶伟,徐广辉,陆巍巍,杨贵.数字化变电站中MMS网和GOOSE网共网方案探讨[J].电网技术,2009,33(2):22-25.

[5] 孙一民,李延新,黎强.分阶段实现数字化变电站系统的工程方案[J]. 电力系统自动化,2007,31(5):90-93.

[6] 林明宇.数字化变电站自动化系统中以太网交换机的选择[J].电力系统保护与控制,2009,37(1):93-95.

[7] 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.