智能變電站過程層交換機設計及實現

楊 貴， 高紅亮， 彭 安， 張喜銘， 李 莉， 潘 磊

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2. 中國南方電網電力調度控制中心，廣東 廣州 510663)

智能變電站過程層交換機設計及實現

楊 貴1， 高紅亮2， 彭 安1， 張喜銘2， 李 莉1， 潘 磊1

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2. 中國南方電網電力調度控制中心，廣東 廣州 510663)

從智能變電站過程層網絡傳輸報文的特點出發，對交換機的傳輸帶寬、存儲轉發延時、強電磁干擾下的零丟包、采樣同步、流量控制、配置管理等方面進行需求分析，提出了一種適用于智能變電站過程層網絡交換機的整體研制方案，并對交換機的測試情況和試點運行情況進行了分析介紹。

過程層；交換機；延時累加；離線配置；流量控制

0 引言

目前，智能變電站中的繼電保護普遍采用“直采直跳”方式[1]，即保護裝置與合并單元采用點到點的方式，這種方式較為可靠，但接線較復雜且信息不能共享，存在智能電子設備(IED)光口數量多導致發熱量大等問題。智能變電站要求全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息平臺共享化。因此，采用網絡傳輸方式實現智能變電站過程層組網是發展的必然趨勢[2]。

現有智能變電站采用兩層網絡通信架構，即過程層網絡和站控層網絡。過程層網絡連接間隔層設備和過程層設備，站控層網絡連接站控層設備和間隔層設備。繼電保護的網絡化，即“網采網跳”，可以實現網絡信息的共享，簡化光纖接線，提高調試效率，節約建設成本[3]。但要實現繼電保護的網采網跳，對網絡數據傳輸的實時性、采樣同步可靠性、數據傳輸時延確定性、通信網絡的可靠性和網絡設備配置管理方便性等方面提出新的要求。因此研制符合智能變電站過程層應用的交換機，適應智能變電站過程層網絡的應用需求十分必要。

1 智能變電站的網絡架構

目前，國家電網和南方電網分別進行了智能變電站的網絡化三層兩網[4]、三網合一[5]的試點建設。在三層兩網情況下，過程層網絡逐步由原來的面向通用對象的變電站事件(GOOSE)、取樣值(SV)分別組網[6]，向GOOSE、SV共網傳輸方向發展；三網合一實現了GOOSE、SV和制造報文規范(MMS)報文的共網傳輸，大大節省了網絡設備的投入。

但是網絡化在推廣過程中發現如下問題尚待解決：

(1) 未統一建模。由于交換機在IEC 61850規范中未進行建模工作，無法實現對交換機運行狀態的有效監管[7]。

(2) 配置工作量大。由于GOOSE、SV為組播傳輸報文，過程層網絡為了實現GOOSE、SV報文的傳輸路徑管理，防止網絡報文發送到不需要的IED設備中，需要進行虛擬局域網(VLAN)、靜態組播等配置工作[8]，該工作由于缺乏IEC 61850建模和離線配置工具，必須通過手工方式進行逐臺配置，配置工作量大且易反復。

(3) 傳輸可靠性難以保證。過程層網絡的每路GOOSE、SV報文均采用組播的方式進行傳輸，目前采用VLAN或靜態組播的方式進行報文傳輸管理[9]，該方式無法解決單路GOOSE或SV發生風暴時過程層網絡整體受到影響的問題。

(4) 采樣同步。為了滿足繼電保護裝置采樣同步的要求，目前智能變電站采用B碼對時或精準時間協議(PTP)對時等方式實現采樣同步[10]，但當外部時鐘源出現異常而導致假同步等異常現象出現時，無法保證繼電保護高可靠性要求[11]。

2 智能變電站過程層網絡報文分析

過程層網絡傳輸SV、GOOSE報文類型均為二層組播報文，為了合理規劃智能變電站網絡需要了解各種報文的特點。當采用網絡PTP對時模式時，PTP報文同樣采用二層組播報文方式進行傳輸。

2.1 SV報文分析

SV報文為合并單元發送給保護、測控等裝置的原始采樣電壓電流信息值，每個周波采樣點數為80點，毎幀SV報文長度一般在200字節左右，SV流量計算公式為：200 byte×8 bit×4000幀=6.4 Mbps。因此，每路SV報文流量大概在5～10 Mbps之間[12]。

采用組網方式傳輸SV報文情況下，由于交換機間存在級聯，而通過級聯端口的SV報文同樣存在擁塞現象[13]。目前為了有效的解決交換機間級聯的帶寬問題，普遍采用千兆光纖端口。

在正常組網情況下，線路保護僅接收一路SV報文，而母差保護需要同時接收多路SV報文，在母差保護的SV輸入光纖端口上，存在SV報文擁塞情況。這種情況下無法通過增加端口速率來減小擁塞帶來的延時，因此，無法達到或者逼近直采直跳方式的延時要求，必須通過一定的方式來解決傳輸延時不確定問題。

2.2 GOOSE報文分析

GOOSE報文主要用來傳輸狀態變位信息或控制命令等信息。平時在網絡上的報文流量很小，基本可以忽略，但是發生故障時將出現短暫的流量突增，最大總流量可達到30 Mbps的突發流量，每路GOOSE報文流量小于2 Mbps。突發GOOSE報文的流量計算公式為：報文長度×8 bit×5幀，當GOOSE報文長度為1.5 kbyte時突發流量為0.6 Mbps，突發流量為GOOSE報文本身，沒有時序的要求，因此，對組網帶來的延時抖動并不敏感。為了確保GOOSE突發時報文能夠有效傳輸到接收端，需要確保網絡具有足夠的帶寬能夠傳輸報文而不產生報文丟失。

為了確保GOOSE報文突發流量的可靠傳輸，在組網時應保證網絡預留足夠的帶寬來確保突發時的流量要求。

2.3 PTP報文分析

PTP報文包括發布報文(announce)、同步報文(sync)、同步跟隨報文(sync followup)、對等延時請求報文(pdelay request)、對等延時應答報文(pdelay reply)等幾種報文。按照GBT 25931—2010精確網絡時間同步協議要求，以上報文的發送間隔均為1 s。其中announce報文用于通知網絡設備當前的主時鐘信息，為主時鐘定時發送的組播報文，在網絡上全網發送；sync報文和sync followup報文由主時鐘定時發送，用于為網絡設備提供精確的時間，在網絡上全網發送；pdelay request、pdelay reply報文在互聯的兩個網絡端口上進行鏈路延時測量，僅出現在互聯的兩個端口上，不進行全網廣播。從以上分析來看PTP報文不具備突發機制，均采用定時發送機制，不會對網絡帶來沖擊。

3 智能變電站過程層對交換機需求

3.1 基本需求

3.1.1 電源

智能變電站中一般采用直流電源，交換機需要適應智能變電站的電源供電方式。由于在智能變電站中一臺交換機要連接多個間隔，其電源故障將導致多個間隔的網絡中斷，所以交換機需要提供雙電源，雙電源熱備用方式同時工作，從而保證任何一路電源掉電時交換機不間斷地正常運行。

3.1.2 存儲轉發時延

在繼電保護點對點傳輸模式下，跳閘保護信號通過電纜傳送，基本不存在延時。在采用網絡傳輸模式下，GOOSE、SV報文均通過過程層網絡進行傳輸，交換機的轉發延時直接影響GOOSE、SV報文的傳輸時間，從而導致跳閘命令和采樣值接收時間受到影響，最終使得保護動作時間受到影響。因此，網絡傳輸時間應越短越好，網絡設備的存儲轉發延時應小于10 μs，以滿足過程層報文傳輸需求。

3.1.3 溫度范圍

智能變電站交換機一般安裝于小室或箱變中，通常都有空調來調節環境溫度，正常情況下不需要交換機具有寬溫的工作范圍。但是，交換機作為過程層網絡的重要組成部分，其可靠性直接影響保護動作的可靠性，因此，必須考慮空調失效等極端情況下的交換機運行可靠性。交換機在高溫下運行時，其相關元器件的老化速度加快，將嚴重影響其性能和使用壽命，需采用適當的無風扇自冷散熱技術，使得交換機能夠在-40～+85 ℃的溫度范圍內長期可靠的工作。

3.1.4 吞吐量

智能變電站過程層網絡化后，過程層網絡上傳輸報文的字節長度各有不同。例如跳閘GOOSE報文、SV報文等，交換機需要對任何字節長度的報文的吞吐量都能達到100%。有些交換技術對某一字節長度的報文的吞吐量達不到100%,會導致該長度的報文的傳輸可靠性下降，影響變電站的正常運行。

3.1.5 強電磁干擾下的零丟包技術

電力系統,特別是變電站,在正常和異常運行狀況下都會產生和遭受各種電磁干擾。例如高壓電氣設備的操作，低壓交直流回路內電氣設備的操作,短路故障等產生的瞬變過程,電氣設備周圍的靜電場和磁場、雷電、電磁波輻射，人體與物體的靜電放電等。這些電磁干擾會對交換機的通信數據的轉發產生影響，導致交換機轉發的報文中某些字節出錯，使得鏈路層的FCS(幀校驗序列)校驗出錯，從而丟失整幀報文。報文的丟失會導致模擬量采樣出錯、開關量丟失、跳閘延時，嚴重影響變電站的可靠安全運行。在強電磁干擾的情況下交換機必需實現零丟包技術，以滿足過程層網絡化的需求[14]。

3.1.6 流量分類控制

在智能變電站之中，本間隔的保護測控裝置往往只關心本間隔的數據，例如線路保護裝置，交換機采用VLAN技術或者靜態組播、動態組播管理協議(GMRP)等技術，將不同間隔的數據進行隔離十分必要。另外交換機也需要支持優先級技術，保證重要數據的實時性。

3.2 研制需求

3.2.1 交換機建模

對于通信設備普遍采用簡單網絡管理協議(SNMP協議)進行監控管理[15]，在智能變電站中則統一采用IEC 61850模型進行監管。在智能變電站中采用IEC 61850對交換機進行監視相比于采用傳統的SNMP協議具有以下優勢：

(1) 保證全站通信協議的統一性，符合智能變電站的設計理念。如果應用SNMP協議，將導致智能變電站監控網內同時出現兩種通信協議、兩套監控系統，不符合“一個世界，一種技術，一種標準”的理念。

(2) 可以方便地在后臺機上對交換機、保護、測控等設備同時進行監控，符合電力系統操作習慣，方便用戶使用。如果應用SNMP協議，需要設立單獨的網絡安全與監管(NSM)服務器作為監控設備，增大投資，且用戶需要同時監控兩套系統，不便于使用。

(3) 可以通過變電站配置描述(SCD)工具[16]實現對全站的IED設備(包括交換機)進行統一配置管理，實現源端統一配置，有效解決目前過程層交換機配置工作量大、易反復的問題。

3.2.2 SCD離線配置

智能變電站SCD中已有GOOSE、SV報文的訂閱關系信息[17]，但是由于交換機未進行IEC 61850建模，無法用于生成交換機配置，導致目前智能變電站交換機重復配置、配置難度大、正確性難以保證，在交換機建模的基礎上通過SCD離線配置工具可有效解決該問題。

利用智能變電站GOOSE/SV訂閱關系和網絡拓撲關系，通過SCD工具生成交換機配置文件，實現交換機的源端統一配置。交換機的配置文件用符合IEC 61850標準的變電站配置描述語言(SCL)描述變電站中過程層網絡的拓撲關系。SCD離線工具解析SCD文件中IED設備的訂閱關系，生成交換機的配置文件，配置文件中應包括VLAN或靜態組播配置，下裝到交換機完成配置，并歸檔，如圖1所示。

圖1 交換機離線配置Fig.1 Switches offline configuration

3.2.3 流量精確控制

智能變電站過程層網絡中不同報文控制塊的GOOSE/SV報文在相同的網絡上傳輸，不可避免地存在不同路GOOSE/SV之間的報文干擾問題，當某路報文發生風暴等情況時，必然導致過程層網絡正常報文傳輸發生擁塞、丟包等異常情況。

為了提升GOOSE、SV報文傳輸可靠性，避免一路GOOSE或SV報文故障導致整個過程層網絡異常的情況發生，提出了針對每路GOOSE和SV報文分別進行流量控制的技術，確保發生風暴的GOOSE、SV報文僅占用網絡傳輸帶寬的一小部分，其他網絡帶寬仍然能夠正常傳輸GOOSE、SV報文，有效解決過程層網絡報文相互干擾問題。

3.2.4 傳輸延時測量

目前智能變電站繼電保護采用網采模式最大的障礙在于采樣報文在交換機內的傳輸延時是不確定的，所以跨間隔保護需依賴于外部時鐘，以保證采樣數據的同步性，當失去外部時鐘或外部時鐘出現故障時，跨間隔保護將退出運行。

通過交換機報告傳輸延時的方法可以徹底解決這個問題，即精確計算報文在交換機內的轉發延時ΔT并寫入SV報文內，多個交換機級聯情況下可以累積報文傳輸延時。如圖2所示，延時可測交換機的時標測量精度不低于100 ns，完全可以滿足各種保護的應用需求。

圖2 傳輸延時測量示意圖Fig. 2 Delay measurement schematic diagram

保護裝置依賴本地時間基準，利用MU(合并單元)額定延時和鏈路傳輸總延時ΔT還原收到的各間隔MU的采樣時刻(相對直采方式，只是增加了ΔT的補償)，完成采樣值的差值同步處理，其原理基本等效直采模式，從而實現網采方式不再依賴同步時鐘，即：

保護裝置時間基準上的合并單元采樣時刻為 MU采樣數據到達時標 -MU額定延時-鏈路傳輸總延時ΔT。

為了確保延時值的正確性，每臺交換機均對延時值的有效性進行判別，當延時值異常時置無效標志，接收設備判別標志位狀態，無效狀態的報文將被丟棄處理。

通過上述方法完成合并單元采樣時刻處理后，保護裝置針對MU采樣數據的處理方式完全等同于直采模式，對等效的合并單元采樣時刻進行合理性校驗：當時標抖動時間超過10 μs，裝置將報“間隔幀通道抖動異常”，同時置該合并單元數據無效，閉鎖相關的保護功能，實現對交換機轉發延時正確性的校驗。當交換機轉發延時錯誤時，保護裝置感受到的MU發送時標將出現抖動，通過快速閉鎖保護可以避免可能因此產生的保護誤動。

數據到達時刻打時標技術在保護直采方式下已經廣泛使用，所以交換機延時可測技術實現門檻并不高。基于交換機延時可測的方案原理簡單可靠，保護程序改動很小。

4 交換機的整體方案

4.1 型號設計

智能變電站中一般采用星型網，主控室配置千兆中心交換機，繼電保護小室配置百兆交換機，千兆中心交換機和百兆交換機之間通過光纖相連。千兆中心交換機位于星型網根部，數據交換量大，交換速率要求高，百兆交換機負責本小室的數據交換，數據量較小。因此交換機系列考慮兩種類別：千兆中心交換機，位于星型網的中心位置，速率為1000 M，負責接入站控層設備和百兆交換機的組網；百兆交換機，位于星型網外圍節點位置，速率為100 M，通過1000 M級聯端口連接主交換機。文中將詳細介紹千兆中心交換機的設計實現，如圖3所示。

圖3 智能變電站過程層網絡Fig.3 Smart substation process layer network diagram

4.2 硬件方案

交換機的硬件架構由CPU管理模塊、數據交換模塊、延時累加模塊、物理接口模塊、電源模塊和復位模塊及其他一些外圍電路構成。基本框架如圖4所示。

圖4 硬件設計框圖Fig.4 Hardware design block diagram

4.2.1 CPU管理模塊

CPU管理部分是管理型以太網交換機不可缺少的部分。CPU通過數據交換模塊的匯流排(PCIe)或串行外設接口(SPI)完成對數據交換模塊的初始化配置和后續管理。存儲芯片采用64 MB存儲空間的并行閃存(NAND flash)和2 MB的串行閃存(NOR flash)構成。雙倍速率同步動態隨機存儲器(DDR)由多片DDR芯片并行工作構成32 bit的數據寬度。使用CPU芯片自帶的網口和通用異步收發傳輸器(UART)串口構成交換機的CONSOLE維護口。實時時鐘(RTC)模塊與CPU之間通過I2C總線進行通信，為交換機提供時間信息。

CPU：CPU具有高速的處理速度并提供了豐富的外圍接口，提供32位的DDR存儲器控制器、PCIe接口、I2C接口、介質無關接口(MII)、外部擴展總線接口、SPI接口、通用輸入/輸出(GPIO)等。

存儲：CPU管理部分包含3種存儲芯片：DDR、NOR flash和NAND flash。DDR為系統運行內存，flash芯片存放固化的軟件系統和Boot啟動系統。其中，NOR flash存放系統的引導代碼，系統從這里啟動；NAND flash存放系統的主程序，同時存放系統配置文件、日志文件等。

CONSOLE(調試端口)：CPU芯片集成了MII接口和UART接口，UART接口通過外接串口芯片實現RS232接口，為交換機通過串口管理端口，MII接口通過外接物理接口模塊實現交換機的帶外管理網口。

RTC：RTC通過I2C總線方式與CPU進行通信，為交換機提供時間值，用于事件記錄，信息上送打時標等。

4.2.2 數據交換模塊

數據交換模塊是構成交換機的核心器件，報文轉發、轉發規則、VLAN、靜態組播、鏡像、優先級、端口管理等等功能均由該模塊實現。數據交換模塊為了達到全部端口線速轉發的要求，全部采用硬件電路實現，數據交換模塊與CPU管理模塊配合實現快速生成樹協議(RSTP)、GMRP、VLAN注冊協議(GVRP)、互聯網組播協議規則(IGMP Snooping)、鏈路層發現協議(LLDP)、端口安全等等高級功能。數據交換模塊的性能直接影響到交換機性能，選型時必須特別注意。

4.2.3 延時累加模塊

為了精確測量報文經過交換機的轉發時間，硬件設計時在物理接口模塊和數據交換模塊之間加入了延時累加模塊，該模塊用于實時記錄每幀報文的端口輸入時間和端口輸出時間，并將轉發時間在SV報文傳輸過程中直接插入到SV報文的特定字段中，該特定字段可以選擇報文的reserver(保留)字段等實現，從而實現交換機傳輸時間的準確測量。當SV報文經過多級交換機時，傳輸延時可累加記錄。

4.2.4 物理接口模塊

用于實現交換機內部的數字信號到物理鏈路模擬信號轉換，同時用于實現RJ45電口和Fiber光口，百兆/千兆口。

4.2.5 電源模塊

為交換機提供供電電源，實現外部220 VDC/AC電源向內部芯片和電路使用的5 V，3.3 V，2.5 V，1.8 V等電壓的轉換，同時，提供電壓監視電路，方便電壓檢測管理。

4.2.6 復位模塊

為交換機提供內部電路復位電路，確保交換機在冷啟動、軟件復位、硬件復位等情況下實現交換機的復位功能。

4.3 軟件方案

4.3.1 軟件架構

該交換機的軟件整體結構分為操作系統、SAL(系統抽象層)、API(交換模塊的操作接口層)、基本功能模塊、高級功能模塊、配置管理模塊、日志告警模塊等幾部分，如圖5所示。

圖5 軟件架構Fig.5 Software architecture diagram

4.3.2 操作系統和SAL及API模塊

綜合考慮系統穩定性、高效性和可擴展性等因素，交換機的操作系統采用了Linux。

SAL為系統抽象層，提供通用的系統函數封裝接口，使得上層的應用程序與操作系統無關，確保程序具有良好的可移植性，為今后CPU或操作系統升級提供了良好的可擴展性。

Switch API層封裝了應用功能對交換模塊的操作，包括修改端口屬性、讀寫交換芯片各寄存器等，為上層應用提供了簡明清晰的操作手段。增加API層使得上層應用程序獨立于交換芯片存在，便于上層應用程序的改進和移植，提高了本方案的可擴展性，也便于在今后開發同類產品時應用模塊和代碼復用。

4.3.3 配置管理模塊

該模塊負責所有參數的顯示、配置，可以通過Web、telnet、命令行接口(CLI)對交換機進行訪問和維護，以滿足在不同場合和條件下用戶對交換機配置和管理的需要。

4.3.4 基本功能模塊

該模塊主要包括對端口模式、屬性的控制管理等。通過改變SWITCH和物理接口模塊上相關寄存器的內容設置端口的各項屬性，以適應應用需求。

該模塊接收來自配置管理模塊的功能控制命令，對物理接口模塊和數據交換模塊的工作模式做設置。同時該模塊與日志告警模塊接口，對常規配置操作和系統運行異常等情況進行記錄。

該模塊內部各子模塊之間為平行關系，獨立運行，可分為以下模塊。

(1) PHY模式控制：控制PHY工作模式，包括端口的工作速率、全雙工/半雙工模式、自動協商模式控制和網線自動交叉識別等。

(2) 端口屬性控制：控制端口屬性，包括端口使能，網絡報文控制等。

(3) 端口鏡像設置：用于將某一個或幾個端口上的所有流量復制到另外一個或幾個端口上，用于偵測或調試。

(4) 端口聚合設置(trunk)：用于將多個端口聚合成一個數據通道，該通道被視作單個邏輯連接，以便擴展交換機級聯帶寬或增加級聯冗余度。

(5) 端口速率限制：控制每個端口輸入、輸出流量速率，可同時對端口速率和端口瞬時風暴進行設置。

(6) 網絡風暴抑制：用于抑制廣播、多播或未知單播的網絡風暴。

(7) 802.1q VLAN：用于實現虛擬局域網功能，將交換機劃分為多個虛擬交換機。

(8) 802.1p 優先級：控制報文在交換機中的發送順序，支持嚴格優先級和權重優先級兩種模式，高優先級報文具有優先發送的權利。

(9) 靜態組播：在交換機上設置指定組播地址報文的轉發路徑。

4.3.5 高級應用模塊

該模塊提供管理型交換機的各項高級應用功能，包括流量遠程監控和統計、對時/組播報文管理、IEC 61850建模、SCD離線配置、流量精確控制、延時累加等。

該模塊接收來自配置管理模塊的功能控制命令，設置物理接口模塊和數據交換模塊的工作模式。同時該模塊與日志告警模塊接口，對常規配置操作和各項高級功能在運行過程中的異常情況或重要事件進行記錄。

該模塊內部各模塊為平行關系，獨立運行，可以獨立打開和關閉，為用戶提供了靈活的應用方式，如圖5所示。

(1) IEC 61850建模：該模塊實現了MMS通信機制，通過IEC 61850通信方式實現對交換機的監管，解決了交換機無法納入到61850體系的問題，實現了全站的統一監管。IEC 61850模型應包括交換機的物理端口狀態、端口統計信息、裝置主板的溫度、電壓等監視信息、光口監視信息(包括溫度、收發光功率等)，滿足交換機的監視需求。

(2) SCD離線配置：將交換機的模型納入到SCD中進行統一配置管理，在SCD中實現網絡物理拓撲連接和虛鏈路的訂閱關系連接，從SCD中導出每臺交換機的配置文件，通過工具下裝到交換機中實現交換機的同源配置，SCD導出的交換機配置僅限于過程層組播MAC地址轉發表等密切相關的部分。

(3) 流量控制：通過對每個組播MAC地址的流量進行配置，限制每個組播MAC地址的最大數據流量，實現報文間的有效隔離，解決了報文傳輸可靠性問題。

(4) 延時累加：通過對每幀SV報文進行交換機傳輸延時測量，并將測量值實時插入到SV報文的保留字段的方式，解決保護功能依賴外部時鐘問題，提升繼電保護功能的可靠性。

(5) SNMP和RMON(遠程監視)：該模塊可以通過響應管理站查詢提供整個網絡的拓撲、交換機端口各項流量統計指標、端口狀態、歷史數據統計；通過預設條件產生的告警和日志，可以主動上送trap信息。該項功能為智能變電站通信網絡的監控和分析提供了豐富的數據來源，在智能變電站內有著廣闊的應用前景，并且目前已經在示范站中開始采用，使得用戶可以在后臺機(管理站)實時了解站內各交換機的工作情況和網絡狀態。

(6) GMRP和GVRP：GMRP 是一種基于以太網鏈路幀的自動多播配置方案, 由于VLAN 和多播管理信息未能在IEC 61850模型文件中進行規范表達,為了解決此問題,建議通過GMRP或者GVRP實現IED 和交換機的互動, 由裝置告訴交換機多播報文的轉發范圍，達到動態優化網絡流量的目的，省去了配置靜態VLAN的繁瑣，并且可以動態應對網絡結構的改變。

(7) PTP對時：交換機作為PTP的TC時鐘工作，為保護等IED設備提供高精度的對時信息，每級交換機的對時精度應不低于200 ns。

(8) SNTP(簡單網絡時間協議)：通過SNTP客戶端模塊訪問時鐘源以便同步內部時鐘。

5 實驗及測試

智能變電站過程層交換機研制成功后，經過了嚴格的驗收測試、仿真測試等廠內測試，并通過了國家電網公司和南方電網公司的A類測試認證，各項過程層定制功能和常規功能性能優越。延時累加精度優于100 ns，組播流量控制精度優于0.1%,組播地址表容量達到512 K條目，PTP對時精度優于50 ns。

6 試點及運行

廣州知識城變電站是廣州第一座220 kV智能變電站，該站終期規模為4臺主變，6回220 kV出線，一次設備全部為室內GIS(空氣絕緣開關)，20 kV出線64回，全部帶光纖差動保護。該站是國內首座20 kV“花瓣型”配電網的主供電源變電站。全站所有保護、綜合自動化、智能終端、合并單元、區域穩控系統、在線監測綜合處理單元全部采用了國產化產品。其中過程層網絡中心千兆光口交換機采用PCS-9882GD，百兆交換機采用PCS-9882SD，其過程層組網如圖6所示。

圖6 過程層組網示意圖Fig.6 Software architecture diagram

該站交換機采用SCD離線配置方式實現同源配置，有效降低了配置難度，提升配置可靠性;同時采用了延時累計技術提升繼電保護可靠性；采用流量控制技術，對每路GOOSE報文限制流量為2 Mbps，對每路SV報文限制流量為15 Mbps，極大提升過程層網絡傳輸可靠性。

以上技術的采用實現了智能變電站網絡設備IEC 6850建模；提升了智能變電站過程層網絡和繼電保護的可靠性；解決了交換機配置工作量大和保護采樣依賴外部時鐘等問題；同時通過流量控制管理等技術解決網絡傳輸可靠性問題。目前該站正式投入運行。

7 結語

交換機作為智能變電站過程層網絡的核心設備，其電源的可靠性、存儲轉發性能、強電磁干擾下的零丟包能力、-40～+85 ℃溫度范圍內長期可靠運行能力是其必須達到的關鍵指標。為了滿足過程層網絡對交換機的特殊需求，定制開發了IEC 61850建模、SCD離線配置、流量控制、延時累加等功能。目前智能變電站過程層網絡化已經逐步展開，但是由于定制開發功能推廣時間較短，尚需加大推廣應用力度，通過新技術的推廣來提升智能變電站過程層網絡的整體水平。

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(編輯方 晶)

Design and Implementation of Smart Substation Process Layer Switch

YANG Gui1, GAO Hongliang2, PENG An1, ZHANG Ximing2, LI Li1, PAN Lei1

(1. Nanjing NARI-relays Electric Co., Ltd.， Nanjing，211102，China;2. Power Dispatching and Control Center of China Southern Power Grid, Guangzhou, 510663, China )

Based on the smart substation process layer according to the characteristics of the network transmission message, this paper analyzes the requirements of the switch’s transmission bandwidth, storage and forwarding delay, zero loss packet under the strong electromagnetic interference, sampling synchronization, flow control, configuration management and so on. A method is presented for the smart substation process layer network switches the overall development scheme, and the switch test and pilot operation were introduced and analyzed.

process layer;switch; delay accumulation; offline configuration; flow control

楊 貴

2017-04-29；

2017-05-28

中國南方電網公司重點科技項目-(-Z-D-K-J-Q-Q-00000016)

TM769；TP393

：A

：2096-3203(2017)05-0128-08

楊 貴(1976—)，男，吉林通化人，碩士，高級工程師，從事通信技術、傳輸技術、時間同步技術和變電站自動化系統研究工作(E-mail：yangg@nrec.com)；

高紅亮(1982—)，男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士，工程師，從事電力系統自動化研究工作(E-mail：gaohl@csg.cn)；

彭 安(1983—)，男，湖南汨羅人，碩士，助理工程師，從事配電自動化系統、變電站自動化系統研究工作(E-mail：Penga@nrec.com)；

張喜銘(1980—)，男，吉林九臺人，碩士，高級工程師，從事電力系統自動化研究工作(E-mail：zhangxm@csg.cn)；

李 莉(1985—)，女，陜西省西安人，碩士，工程師，從事變電站自動化通信研究工作(E-mail：Lili1@nrec.com)；

潘 磊(1989—)，男，河南洛陽人，碩士，工程師，從事智能變電站通信研究工作(E-mail：Panlei2@nrec.com)。