基于IEC 61850標準的智能變電站過程層網絡性能探究

摘要：近年來電子式電壓互感器、電子式電流互感器和智能型斷路器等設備在智能變電站中的應用日益增多，這使得工業以太網交換機逐步取代了傳統電纜。相較于傳統電纜，工業以太網交換機應用于智能變電站過程層，能夠極大地提高通信的實時性和可靠性。在對智能變電站自動化系統進行闡述的基礎上，深入探討了IEC 61850標準對智能變電站自動化系統報文的要求，以及工業以太網交換機在智能變電站中的應用。

關鍵詞：IEC 61850標準；智能變電站；自動化系統；過程層；工業以太網交換機

基于以太網通信技術的智能變電站自動化系統，實現了一二次設備間信息的溝通與共享，同時智能變電站自動化系統的多種功能反過來又向以太網通信技術的實時性提出了更高的要求。相較于傳統變電站，智能變電站中采用光纖網絡來進行信息的傳遞，使得工業以太網交換機逐漸替代了傳統電纜而成為智能變電站通信網絡的關鍵設備。由于智能變電站自動化系統自身結構和功能的特殊性，使得工業以太網交換機有著很高的要求和標準，因此探究基于IEC 61850標準的智能變電站過程層網絡性能和工業以太網交換機的性能有著十分重要的現實意義。

一、智能變電站自動化系統的邏輯結構

隨著電子式電流電壓互感器、智能化開關和變電站運行操作培訓仿真等設備的不斷完善和應用，基于新的物理測量原理的新型控制器和傳感器使變電站一次設備的功能得到新的延伸和擴展，極大提高了測量結果的準確性和可靠性，[1]并且使智能變電站自動化系統的開發和應用成為可能。基于IEC 61850標準的智能變電站自動化系統的邏輯機構分為變電站層、間隔層和過程層，各層的內外通信都使用光纖網絡，見圖1。

二、基于IEC 61850標準的智能變電站過程層通信服務的分析

1.基于IEC61850標準的智能變電站通信報文類型和性能級

IEC 61850標準對智能變電站過程層所涉及的通信服務有著詳細的劃分，通信報文的類型和性能級的規定如下所示：[2]

第一類是快速報文，主要包括命令、數據和單一報文的簡單二進制代碼。快速報文又包含兩種類型：

（1）跳閘。作為最重要的通信報文，跳閘有著比其他快速報文更高的要求，其中性能級P1的總傳輸時間要在10ms以內，性能級P2/3的總傳輸時間要在3ms以內。

（2）其他。其他是指除跳閘以外的所有快速報文，其要求低于跳閘，其中性能級P1的總傳輸時間要在100ms以內，性能級P2/3的總傳輸時間要在20ms以內。

第二類是中速報文，其強調傳輸中事件發生的事件，但卻并不關注具體的傳輸時間。中速報文主要包括智能變電站各種狀態信息，要求總傳輸時間要在100ms以內。

第三類是低速報文，主要用于低速自動控制功能、系統數據描述和事件記錄傳輸等。低速報文含有比較復雜的報文，要求總傳輸時間要在500ms以內。

第四類是生數據報文，主要包括每個智能電子設備輸出的連續同步數據流，其中交叉著其他智能電子設備的輸出數據。

第五類是時間同步報文，主要用于對智能變電站自動化系統中智能電子設備的內部時鐘進行同步，同步時需要根據智能電子設備的具體用途來采取不同級的時間同步。

第六類是文件傳輸報文，主要用于信息目的和大型記錄數據文件等的傳輸，在傳輸時要將數據分為有限長度的塊，總傳輸時間沒有具體的規定的限制。

第七類是訪問控制命令報文，主要用于各種控制命令的傳輸，因此對信息傳輸的安全性要求較高。

2.基于IEC61850標準的智能變電站過程層網絡的傳輸延時

（1）報文傳輸流程的分析。基于IEC 61850的智能變電站自動化系統中報文的傳輸，開始于報文發送方將數據信息置于其傳輸棧頂，結束于報文接收方將傳輸的數據信息從傳輸棧中取出，圖2為報文傳輸的具體流程。

（2）報文傳輸延時的構成。使用工業以太網交換機時，智能變電站過程層中報文的傳輸實質是由發送節點的某功能將報文發送出去，然后通過網絡最終到達接收節點的某功能，在這個過程中將會產生傳輸延時。具體來說，報文的傳輸延時主要包含以下4個部分：第一個部分是交換機存儲轉發延時Tsf，單臺工業以太網交換機的存儲轉發延時=幀長/傳輸速率；第二個部分是交換機交換延時Tsw，其取決于工業以太網交換機芯片處理MAC地址表和優先級等功能的速度，一般小于10μs；第三個部分是光纜傳輸延時Twl，光纜傳輸延時=光纜長度/光纜光速；第四個部分是交換機幀排隊延時Tq，由于在幀沖突時，工業以太網交換機都采用排隊方式來對信息進行順序傳輸，因此導致交換成功率和交換延時是不確定的。

在以上4種傳輸延時中，交換機交換延時、交換機存儲轉發延時和光纜傳輸延時都是可以進行預知和計算的，而交換機幀排隊延時則是難以計算的。目前在研究如何解決報文傳輸延時的問題時，國內外眾多學者和工業以太網交換機廠商都是從以上4個方面來進行考慮，而基礎就是如何測量報文經過工業以太網交換機時的不確定延時。[3]

三、工業以太網交換機在智能變電站中的應用

1.智能變電站對工業以太網交換機的要求

首先，智能變電站對工業以太網交換機功能方面的要求。作為連接智能變電站自動化系統內各種智能電子設備的紐帶，網絡系統對于智能變電站自動化系統的正常運行有著至關重要的作用，因此基于IEC 61850標準的智能變電站對于工業以太網交換機的功能有著嚴格的要求：工業以太網交換機必須具有高精度的網絡對時協議；能保證信息的安全快速傳輸，同時保證高優先級的用戶數據能得到優先傳輸；能對網絡流量進行控制；能監控網絡的運行狀況，對各種故障進行及時診斷。[4]

其次，智能變電站對工業以太網交換機環境方面的要求。當工業以太網交換機應用于基于IEC 61850標準的智能變電站時，其運行環境是復雜且嚴酷的，這就要求工業以太網交換機必須能在各種惡劣環境下保持良好的工作性能。具體來說：在環境溫度方面，工業以太網交換機必須滿足寬溫范圍，要能在極端惡劣的溫度條件下穩定工作；在絕緣性能方面，工業以太網交換機要按照IEC 60255-5或IEEE 1613標準進行沖擊電壓和介質強度檢驗，確保具有良好的絕緣性能；在低氣壓方面，工業以太網交換機要在高溫和低氣壓條件下進行產品性能和絕緣性能測試，確保能在低氣壓條件下穩定運行；在機械結構方面，工業以太網交換機除了要滿足特定的防潮、防水和防塵要求，還要具有良好的散熱功能以及承受較大外力沖擊的能力。

最后，智能變電站對工業以太網交換機電磁兼容方面的要求。當工業以太網交換機應用于基于IEC 61850標準的智能變電站時，會受到多種多樣的電磁干擾而導致數據傳輸延時、網絡堵塞、數據丟失和死機等問題，因此要求工業以太網交換機必須具有較強的抗電磁干擾能力。[5]

2.工業以太網交換機的具體工作流程

工業以太網交換機的工作流程見圖3，具體而言：

（1）數據幀首先到工業以太網交換機進行緩存，交換機將會對數據幀的完整性進行檢查，同時FCS校驗數據幀是否正確。如果檢查出數據幀為BPDU幀，就將其交給CPU進行處理，如果緩存區的數據滿了，就對數據幀進行丟棄。

（2）根據VLAN規則，端口對數據幀進行處理，如果數據幀帶有標簽并且端口允許其通過，那么將進入下一流程。如果數據幀沒有標簽，那么就根據交換機PVID設置來為其打上標簽。

（3）根據MAC過濾表，交換機對數據幀進行過濾。

（4）端口學習MAC地址，并對MAC地址表進行更新。

（5）經過濾后的數據幀進行到交換機的主交換引擎，然后依據VLAN Table表將不同的數據幀發送到相應VLAN的端口。

（6）交換機在該VLAN內的所有端口上查找目的MAC地址，如果查到就發送到相應端口，否則就發送給所有端口。如果是廣播數據就發送給所有端口，如果是組播數據就要查找動態或靜態組播表，查到就發送給相應端口，否則就發送給所有端口。

（7）數據幀到達相應的端口后，交換機對其進行規則處理，然后再根據配置進行QoS處理，并且對數據幀的FCS進行重新計算。

（8）經過上述處理后的數據幀出交換機。

3.工業以太網交換機性能指標的分析

為了對工業以太網交換機的性能進行評價，需要對以下指標進行核算和分析：交換機吞吐量、端口轉發速率、地址緩存能力、地址學習速率、存儲轉發時延、延時抖動、幀丟失率、背靠背幀、對頭堵塞、網絡風暴抑制、虛擬局域網VLAN、優先級QoS、環網恢復時間、鏡像、組播和PTP時間同步。在實際運作中，需要根據智能變電站的功能和要求來對以上性能進行綜合分析和評價，不可一概而論。

四、結論

作為智能變電站通信網絡和自動化系統的唯一國際標準，IEC 61850標準使得工業以太網成為智能變電站自動化系統的基本通信網絡，同時基于工業以太網交換機的通信網絡也取代了傳統的硬接線連線。智能變電站過程層傳輸著大量數據，這要求工業以太網交換機必須具有快速的交換能力和充足的交換容量，盡可能降低傳輸延時，從而確保信息傳輸的實時性和可靠性。

參考文獻：

[1]王文政.智能化變電站自動化系統通信網絡實現方式探討[J].供用電，2011，（6）.

[2]段吉泉.變電站過程層實時報文處理方法的設計與實現[D].湘潭：湘潭大學，2007.

[3]黃智宇.基于IEC 61850的變電站網絡通信及裝置的研究[D].大連：大連理工大學，2008.

[4]趙華云，張冉，陳卓.智能變電站中工業以太網交換機的應用技術[J].低壓電器，2010，（18）.

[5]汪強.基于IEC61850的光纖工業以太網交換機的設計及應用[J].電力系統保護與控制，2010，38（13）.

（責任編輯：劉輝）