智能变电站以太网性能的研究

赵利富,王文琪，乔木

(国网山东省电力公司检修公司，山东 淄博 255000)

智能变电站以太网性能的研究

赵利富,王文琪，乔木

(国网山东省电力公司检修公司，山东 淄博 255000)

IEC 61850标准规定智能变电站的通信功能用以太网技术实现，因此其工作性能对智能变电站至关重要。本文对智能变电站网络通信的性能进行研究，主要内容从实时性、可靠性和同步性展开。详细分析这三方面的研究现状和存在的问题，提出了相应的改进措施。在实时性方面，提出用无源光纤以太网(EPON)或实时以太网技术改进通信的实时性，指出其应用潜在的困难。对于可靠性和同步性，比较了现存的各种技术，指出各种现存技术的优缺点，作为研究和应用的参考。

IEC 61850；以太网；EPON；实时以太网

1 引言

智能变电站是智能电网建设的重要组成部分。它由数字化变电站发展而来，融合了智能电网对变电站的新要求。在通信方面以全站信息数字化，通信平台网络化、信息共享标准化为目的，仍依靠IEC 61850标准建设变电站通信网络。自该标准颁布以来，已对变电站网络通信展开了大量的研究[1-5]。这些研究主要围绕通信网络的实时性，可靠性和数据采样同步性展开，如网络拓扑结构分析，报文优先级技术及交换机技术，同步采样技术等等。本文从网络这三方面入手，以智能变电站过程层为背景，总结这三个方面研究的现状和存在的问题，提出改进通信性能的新方案。

2 实时性

2.1 网络结构分析

智能变电站从物理结构上分为变电站层、间隔层、过程层。各层之间采用以太网传递报文，从而形成了变电站层总线和过程层总线两种总线技术。以太网传输数据无法保证实时性的根本原因是其物理层对带宽的监听采用带冲突检测的载波监听多路访问机制(CSMA/CD)。这种机制导致网络中的节点发送数据具有随机性，若多个节点在同一时刻发送数据就会产生冲突进而延时等待再重传数据。目前对报文实时性的研究主要从网络拓扑结构和交换机技术应用入手[1]。鉴于影响以太网传输时延很大一方面的因素就是网络负荷的轻重与否，网络拓扑结构研究的主要作用是对站内的数据流进行优化。从全站的角度围绕建设全站统一网络或是二级网络来讨论，即以过程总线和变电站总线是否单独组网来[2]。全站统一网络有利于数据的共享，同时减少了交换机等网络设备的使用，节省了变电站建设的大量成本。但相对于二级网络来说，网络负荷更重，网络可靠工作的裕度小，一旦电力系统发生故障的情况下，需要传输大量数据，这种网络结构能否满足应用要求需要进一步的讨论。二级网络是将变电站总线和过程总线单独组网。这种方式降低了各级总线的网络负担，但不利于数据的共享，同时也增加了交换机的使用数量，不利于节省成本。当前研究表明二级网络能够完全满足现行的变电站的应用，能够保证可靠的通信，智能变电站现场也是如此实施的。而统一网络的应用对网络设备要求较高，安全可靠裕度较低，若将来通信技术的进一步发展，全站统一网络的拓扑结构也可能成为现实[3]。

智能变电站的过程层需要传输大量的数据，特别是采样值数据。这是判断系统状态最原始的依据，因此其工作性能至关重要。根据IEC 61850标准，过程层组网的方式存在的组网形式有面向间隔、面向位置、单一总线和面向功能四种方式，主要由采样值SAV网络，GOOSE网络组成，若采用IEEE 1588协议同步技术，还有精准对时网络。目前为满足实时性要求，网络连接存在点到点直连，组网连接以及这两种方式混用的几种网络拓扑方式，如图1所示。

出现这几种网络拓扑结构的根本原因是出于对数据实时性和共享之间的取舍。图1(a)中采用点到点直连的方式不存在竞争带宽，具有绝对的实时性，但是它不与其他节点共享数据，同时还需要连接网络设备大量的光缆，施工和维护都比较繁琐。这种方式在传统变电站及传统变电站向数字化变电站升级的过程中应用较多。图1(c)所示的是IEC 61850标准推荐采用交换机进行数据传输的组网方式。这种方式节省了大量的电缆，还能实现数据之间的共享。数据延时的主要原因是交换机排队转发机制的工作耗时。同时，在数字化变电站应用的交换机一般具有支持虚拟局域网VLAN、组播技术和报文优先级的能力[4-5]。VLAN及组播技术的作用主要是对数据进行分流，各节点接收所需的报文，拒收不必要的数据。报文优先级用来保证交换机接收的诸多数据之中实时性要求高的报文得以快速转发。目前市面上的工业以太网交换机多采用FPGA技术，工作性能十分优越，在正常工作时一般能满足实时性要求，但在系统产生故障时的网络行为需要结合网络结构另行讨论。同时，这种通信方式的可靠性过分的依赖于交换机。一旦交换机发生故障停止工作，会导致整个交换机网络的瘫痪，可靠性需要进一步进行研究。

图1 过程层设备网络连接方式

2.2 EPON技术

目前，对网络实时性的研究还体现在两个方面，无源光纤以太网和实时以太网技术。无源光纤以太网EPON[6-7](Ethernet PON)物理层采用PON技术，采用点到多点结构，与传统以太网完全兼容。如图2所示。

EPON主要分为三部分：光线路终端(OLT)、光分配网(ODN)和光网络单元(ONU)。下行方向，根据IEEE802.3协议，OLT将可变长度的数据包通过光分路器广播给PON上的所有的ONU，而ONU选择性接收；上行方向，利用时分多址(TDMA)技术，多个ONU的上行信息组成一个TDM信息流传到OLT。TDMA技术将合路时隙分配给每个ONU,每个ONU的信号进入光分路器的公用光纤，正好占据分配给它的指定时隙，避免冲突，简而言之就是具有动态分配带宽的能力。再考虑到其高带宽，因此EPON具有较好的实时性。OLT的主要功能有以下几点：(1)向ONU广播数据帧。(2)控制测距过程，记录测距信息。(3)进行ONU的功率控制。(4)控制ONU发送数据的起始时间和发送窗口大小，即带宽分配。ONU的主要作用有：(1)选择性接收OLT的广播数据。(2)响应OLT发出的测距及功率控制命令。(3)在OLT分配好的发送窗口上传数据。

图2 EPON网络结构示意图

EPON具有高带宽，低成本，与以太网兼容，支持VLAN技术等优势，具有广泛的应用前景。目前应用存在的主要问题就是与IEEE 1588协议的共存问题。EPON是一种无源网络，没有应用到交换机。而交换机是IEEE 1588协议应用的必要条件。所以如何在EPON网络中，IEEE 1588的实现是在智能变电站中应用EPON技术的主要内容之一。

2.3 实时以太网技术

在实时以太网技术方面[8-10]，实时以太网技术来源于现场总线技术，目前被IEC收入的实时以太网技术有6中，其中具有代表性的技术是POWERLINK和PROFINET技术。这些实时以太网技术大多采用主从管理，周期方式通信。以POWERLINK为例[8-9]，这是一种典型的主从通信形式，其工作方式主要有三个特点：周期通信，主从管理，轮询访问。每个周期分为开始，同步，异步，空闲四个阶段，如图3(a)所示。在同步阶段，由网络中唯一的管理节点MN以类似于令牌的方式PReq访问每个节点CN，被询问的CN得到相应的询问后以PRes进行响应，在该阶段，每个时刻都只有一个节点在传输数据，不存在带宽的竞争，因此具有很高的实时性；在异步阶段，各节点又以常见的竞争的方式传送优先级较低的数据。具体内容可参考文献[8-9]。这种将带宽划分，用轮询的方式保证实时性的能力很强，但是从这种轮询的方式类似于令牌机制必然存在效率的问题，这一点需要进一步探讨。

另一种实时以太机网PROFINET技术[10]的工作原理与POWERLINK相似。不同的是这种技术需要实时内核和一个支持报文优先级、时间表格和IEEE 1588协议的交换机，具有一定的硬件依赖性。它有3种工作方式：TCP/IP通信、实时(RT)通信以及等时同步实时(IRT)通信。其中，IRT通信方式是实时性要求最高的。PROFINET引用时分多址设计理念，将每个通信周期分为确定性部分和开放部分两个通道，分别称为IRT通道和开放通道，IRT通道的实时性高于开放通道，如图3(b)所示。智能变电站各层之间或同层内传输的报文主要有7种：快速报文、中速报文、低速报文、采样值报文、文件传输、时间同步和访问控制命令报文，这7种报文又可以归纳为三类：周期性报文、随机性报文、突发性报文[1]。实际应用中这些报文的优先级各不相同，如采样值报文和跳闸GOOSE报文的优先级就高于其他报文的优先级。在智能变电站过程层应用实时以太网技术的核心思想就是根据优先级的高低对站内的报文分类，在实时以太网通信周期的确定性部分传递优先级较高的数据，如图3中的同步阶段和IRT通道，在不确定部分传输其他优先级较低的报文，如图3中的异步阶段和开放通道，以此来保证通信的实时性。文献[10]将过程总线上的报文分为配置诊断数据、一般型GOOSE和高实时性数据3类，结合PROFINET原理，详细阐述了PROFINET用于过程总线的构思。

图3 实时以太网原理图

目前实时以太技术应用的主要困难是标准的不统一[11]，具体表现在实时以太协议与IEC 61850标准的配合使用。另一方面，IEC接收的6个实时以太网标准中，除POWERLINK开源且以纯软件方式实现外，其他协议均不开源且一定程度上依赖于硬件，这一点也阻碍了实时以太网技术在电力系统中的应用。

3 可靠性

智能变电站的可靠性包括通信系统、控制系统和保护系统等各方面的可靠性。此处，本文仅讨论变电站通信网络的可靠性。目前针对智能变电站通信可靠性的问题并没有过多的方法。早期也同样从网络结构入手，应用于智能的变电站的网络结构主要有总线型，环型和星型。其中总线型的网络成本最低，但是可靠性也较差，网络延迟大。环型网络的可靠性最好，但成本亦是最高的，网络延迟较大。星型网络可靠性较低，造价适中，网络延迟最小，总体性能介于前两者之间。相关研究表明星型网络在变电站内的应用具有明显的优点，因此成为智能变电站组网的最佳的选择。

此外，冗余也是提高网络通信的方法之一，也是目前提高可靠性的主流方式。冗余又分节点冗余和网络冗余，采用节点冗余则所有通信设备必须双重化，形成两个完全独立的网络，其成本可想而知。因此，多数研究推荐网络冗余的方式。提及冗余，不得不提IEC 62439这个名词[12-13]。这是一种并行冗余通信协议(PRP)，当网络中的链路出现故障时实现无延时切换，保证可靠通信，原理如图4所示。

图4 PRP网络节点模型

图4是两个有双连接点的IED网络设备，通过双连接端口分别连接到两个独立的网络上。其中的链路冗余体(LRE)发挥着核心的作用：冗余管理和处理重复报文。当收到高层的一帧数据，LRE要在接收到数据的相应位置添加冗余标识，然后同时向两个端口发送数据。当网络设备从网络上接收到一帧数据之后，LRE会从两个端口提取第一次收到的数据，并且丢弃重复的数据帧。具体内容可参考文献[13]。

4 同步性

采样是否同步对电力系统的保护至关重要。比如差动保护，两端的电气量信息必须保持在同一时刻采样，否则可能导致保护误动或拒动的情况的出现。此外，电力系统采样同步的要求也比较高，IEC 61850要求智能变电站的采样同步误差达到1μs以下。针对这种要求，目前的方法主要有GPS同步，IRIG-B编码同步，IEEE 1588等方式。

图5 IEEE 1588原理图

GPS全球定位系统是使用较早的一种方法，但受政治和天气等因素的影响，稳定性不够，很难时刻保持很高的精度，另使用这种同步方式需要装配GPS模块，因此成本也比较高。IRIG-B编码方式，精度也可以达到微秒级，但需要占用专门的传输通道，且性能受链路距离的影响，传输距离越长精度越差。IEEE 1588是IEC 61850标准推荐的同步对时方式[14-15]，这种方法采用硬件打上时间戳标准和报文交换时间信息的方式计算主从时钟之间的时间偏移toffset进行校时，原理如图5所示。这种方式不需要增加特别的硬件设备，只需要网络设备的MAC层支持IEEE 1588协议，同时每隔1s(2s)对时一次，占用的网络资源极少，是IEC 61850标准推荐的未来智能变电站采样同步采用的主要方法。

另一方面，采用IEEE1588同步对时依赖于交换机的支持。交换机主要有两种工作方式：透明时钟和边界时钟。第一种方式交换机没有校时作用，只起修正作用，修正在交换机中报文转发的延时，不充当主从钟或从时钟，同步设备由局域网内唯一的主时钟提供对时。第二种方式交换机具有两面性，上行端口充当从时钟角色与上一级的主时钟进行校时，下行端口又充当一个主时钟，对下行所连接的节点进行校时。目前，支持IEEE 1588协议的交换机种类还并不是很多，相应的网络设备价格也比较高。因此，虽然这种方法优势明显但其性能还需在现场实现中进一步检验。

5 结语

本文从实时性，可靠性和同步性三方面对智能变电站的网络性能进行分析。在实时性方面提出了EPON和实时以太网两种改进的技术。对于网络可靠性和采样同步性两方面比较各种技术的优缺点，指出各自的优缺点。需要指出的是这三方面的性能并非完全独立没有交集。比如网络结构的不但可以影响通信的实时性，还包括其可靠性。又如EPON可以改进通信的实时性，但也给IEEE 1588的应用提出了挑战。因此，要使智能变电站网络通信的性能达到一个较好的状态，如何协调这三方面技术的应用也值得深入研究。

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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

赵利富(1988-)，男，工程师，主要从事变电站综合技术研究； 王文琪(1986-)，男，助理工程师，从事智能变电站方面的研究； 乔木(1990-)，男，助理工程师，从事智能变电站方面的研究。