110kV智能變電站過程層網絡實時性分析

周翔 袁章 朱金龍

摘 要：智能變電站已在我國全面投入電網建設多年，目前站內過程層總線采用的以太網絡普遍采用點對點拓撲結構，但其結構復雜，對硬件接口要求多。本文從協議報文的解析角度，分析了過程層網絡一些具體應用的典型配置場景，對星形拓撲結構的過程層網絡的時延、抖動進行了試算，初步得出以上參數的性能邊界并分析了對繼電保護裝置的影響，具備一定的工程參考價值。

關鍵詞：智能變電站；過程層網絡；IEC61850；時延；抖動

中圖分類號：TM762 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）20-0128-04

我國從2004年開始對智能變電站的前身數字變電站開始有了試點和廣泛研究，從2009年起，基于IEC61850標準的智能化變電站已開始大規模應用于國內變電站中，而IEC61850標準的傳輸標準則采用以太網協議，傳統以太網協議一般指ISO/IEC8802-3（IEEE 802.3）即CSMA/CD（帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問）以太網（Ethernet）標準，該標準及其擴展標準（802.3u、802.3z、802.3ae）涵蓋了10Mbps～10Gbps等各種網絡速率與介質類型。802.3標準主要在以下三個方面做出了規定：物理介質，介質訪問控制規則和以太網幀格式。802.3標準定義了OSI 7層參考模型中的數據鏈路層和物理層的實現方式，即媒體介質訪問控制子層（MAC）和802.3物理層。MAC子層的作用是規范數據封裝和介質訪問控制，如幀封裝、地址標示、差錯（沖突）檢測和延時過程。物理層的作用是規范電光信號，時鐘基準，數據編碼規則（Manchester、4B/5B）等。802.3以太網的傳輸介質是主要包括同軸電纜、雙絞線電纜以及光纖。

1 映射至IEC8033-2的IEC 61850 SV與GOOSE報文

1.1 802.3 SCSM映射

從IEC 61850協議的特點中可以了解，為了實現硬件無關性，IEC61850協議定義了ACSI抽象通信服務接口，利用客戶/服務器（client/server）及發布/訂閱（publisher/subscribe）模型對邏輯設備（節點）之間的通信進行了建模。同時，為了工程上的實現，IEC61850-9-2描述了一種映射到IEC8033-2（即以太網）協議的SCSM（Specific Communication Service Mapping）規范，對使用以太網傳輸SV報文進行了說明。如圖1所示。

從協議中可以看出，采樣值SV模型和GOOSE模型的報文的傳輸映射簡化了會話、傳輸和網絡層，通過協議數據單元經表示層編碼后，不經過TCP/IP協議，直接映射到數據鏈路和物理層直接映射到MAC層。

1.2 SV采樣值報文結構

在IEC61850-9-2（LE）協議中，SV采樣值通過ASN.1編碼規則以T-L-V形式被封裝至一個ASDU中，而若干ASDU連成1個APDU，封裝至1個802.3以太網幀中進行發送。根據協議分析我們可以確定1個8路模擬量SV報文和1個4路開關量GOOSE報文的結構：

圖2：1個典型IEC61850-9-2（LE）幀結構（8路模擬量采樣值SV報文）結構。

圖3：1個典型GOOSE/GSE幀結構（4路DPC開關量GOOSE報文）。

需要注意的是，SV報文和GOOSE報文由于包含多個模擬量和開關量通道，其具體長度跟具體工程應用的Dataset配置有關。IEC61850-9-2（LE）標準規定，對于SV報文，采樣率80點/周波的保護用報文一般配置為1個ASDU，而采樣率256點/周波的計量（測量）用報文一般位置為8個ASDU。而GOOSE報文長度理論上只受到以太網幀大小的限制。本文的對SV和GOOSE報文的時延分析暫按以上兩種典型報文長度進行。

2 典型110kV智能變電站過程層網絡結構與配置

使用點對點拓撲結構進行保護用SV、GOOSE報文傳輸的智能變電站已經在國家電網系統內普遍得到應用和實施。這種結構避免了報文傳輸時延的不確定性和抖動，可靠性可以得到保證，但工程實施和調試較為復雜。對于110kV智能變電站，其過程層網絡結構通常較為簡單清晰，元件數量較少，影響網絡報文傳輸時延的因素較少。本文考慮在110kV變電站過程層設備中采用SV和GOOSE組網方式進行保護、計量（測量）開關量報文傳輸，并針對這種配置對SV報文和GOOSE報文傳輸的時延和抖動進行簡單試算。

2.1 典型110kV智能變電站配置

110kV一次接線形式為單母線分段接線，4個進出線間隔、2個主變進線間隔，1個分段進線間隔，2個母線設備間隔。為了考慮最不利情況的時延，設備配置上多采用分立設備以盡量增加交換機的轉發數量。

2.2 具體網絡拓撲方案（圖3）

如圖3。

2.3 SV報文和GOOSE報文傳輸路由如圖4

3 簡單網絡SV報文與GOOSE報文傳輸時延與抖動時間計算

網絡報文的傳輸過程時延主要包括以下幾個方面：

（1）設備的內部通信處理時延，由于這個時間非常小且相對固定，本文計算中暫不考慮。

（2）介質傳輸時延Tfl，目前用于過程層網絡的傳輸介質多為光纜，光信號在光纜中的傳輸速度為2/3倍的真空光速，Tfl=L/（2/3*C）。對于200米長的光纜，這個時間約為1us。

（3）存儲-轉發時延Tsf，指交換機端口從開始接收以太網幀的第一個字節到最后一個字節接收完畢所需要的時間，該時延與以太網的速率有關，Tsf=FS（幀大小）/br（轉發速率），br=100Mbps。

（4）交換設備時延Tsw，現代工業用以太網交換機一般采用存儲-轉發方式進行報文傳輸，交換設備時延即交換機在收到報文最后一個字節后，進行CRC校驗、查表、執行轉發策略后，至目的端口第一個字節的時延，這個時延跟具體設備有關，本文中以羅杰康（RUGGEDCOM）RSG2100NC交換機廠家提供的參數為例，選擇為7us。

（5）幀隊列時延Tq，當一種最不利情況出現，即交換機所有N-1個端口同時向N個進行報文傳輸時，該端口將出現幀排隊現象，由于交換機的隊列調度方法和策略較為復雜，延遲時間很難精確計算，我們參照前文假設交換機采用FQ隊列調度方式公平轉發同時到達的每個報文。依據以上假設，可以得出平均隊列時延為Tsf*（N-1）/2，最不利的隊列時延為Tsf*（N-1）。

綜上，對于SV報文和GOOSE報文傳輸時延，可以得出以下結論：

Ttl（傳輸時延）=Tfl（線路時延）+Tsf（存儲-轉發時延）+Tsw（交換延時）+Tq（幀隊列時延）

考慮到交換機級聯則有：

Ttl=Tfl+N*（Tsf+Tsw+Tq）；N為報文所經過的交換機數量。（注：Tq的值應視具體情況進行取值）

ΔTj（抖動時間）=Ttlworst（最壞情況）-Ttl（最好情況）

以前文典型智能變電站為例，可以計算出正常運行轉改下各裝置網絡端口在最好（不排隊）和最壞情況下（隊列末尾）的的典型SV、GOOSE報文傳輸時延。

最好情況下：

110kV線路、主變、分段保護：

SV報文：Ttl=Tfl+Tsf+Tsw+Tq=1+（100Mbps/173*8）+7+0≈22us

GOOSE報文：Ttl=Tfl+Tsf+Tsw+Tq=1+（100Mbps/363*8）+7+0≈37us

110kV母線、分段保護、備自投：

SV報文：Ttl=Tfl+N*（Tsf+Tsw+Tq）=1+2*（（100Mbps/173*8）+7+0） ≈43us

GOOSE報文：Ttl=Tfl+N*（Tsf+Tsw+Tq）=1+2*（（100Mbps/363*8）+7+0） ≈73us

110kV線路、主變、分段測量計量：

SV報文：Ttl=Tfl+Tsf+Tsw+Tq=1+（100Mbps/971*8）+7+0≈86us

最壞情況下：

110kV線路、主變、分段保護：

SV報文：Ttlworst=Tfl+Tsf+Tsw+Tq=1+（100Mbps/173*8）+7+100Mbps/1542*8≈153us。

（同一個間隔SV報文和GOOSE報文同時到達的情況，GOOSE報文按理論最大值考慮的情況）

ΔTj= Ttlworst-Ttl=153-22=131us

GOOSE報文：Ttlworst=Tfl+Tsf+Tsw+Tq=1+（100Mbps/363*8）+7+100Mbps/173*8≈51us

（同一個間隔SV報文和GOOSE報文同時到達的情況，SV報文典型報文長度考慮的情況）

ΔTj= Ttlworst-Ttl=51-37=14us

110kV母線保護：

SV報文：Ttlworst=Tfl+N*（Tsf+Tsw+Tq）=1+2*（（100Mbps/173*8）+7）+2*（100Mbps/173*8）+3*（100Mbps/1542*8）+4*（（100Mbps/173*8）+ （100Mbps/1542*8）） ≈967us

（I、II兩端母線所有合并單元智能終端同時向母線保護端口發送典型SV報文和最大GOOSE報文，SV報文在隊列末尾的情況）

ΔTj= Ttlworst-Ttl=967-43=924us

GOOSE報文：

Ttlworst=Tfl+N*（Tsf+Tsw+Tq）=1+2*（（100Mbps/363*8）+7）+2*（100Mbps/173*8）+3*（100Mbps/1542*8）+4*（（100Mbps/173*8）+ （100Mbps/1542*8）） ≈981us

（I、II兩端母線所有合并單元智能終端同時向母線保護端口發送典型SV報文和最大GOOSE報文，GOOSE報文在隊列末尾的情況）

ΔTj= Ttlworst-Ttl=981-73=908us

110kV線路、主變、分段測量計量：

SV報文：Ttlworst=Tfl+Tsf+Tsw+Tq=1+（100Mbps/971*8）+7+100Mbps/1542*8≈209us

ΔTj= Ttlworst-Ttl=209-86=123us

根據IEC61850標準的規定，電流電壓采樣、跳閘、狀態信息變化、解閉鎖等均屬于快速報文的范疇，其中P1級對時延的要求為10ms，P2/3級為3ms。可以看出，對于一般110kV智能變電站采用SV+GOOSE組網方式進行保護、測量、計量報文傳輸，完全可以滿足標準對報文傳輸時延的要求。

4 結語

對于SV和GOOSE組網傳輸的變電站，過程層網絡端口流量和時延最為嚴苛的是集中式母線保護裝置。根據網絡環境的不同，前后報文抵達的時間可能相差接近1-2ms，按50Hz頻率換算，將有18-36度的電流相角差。在這種組網模式下，繼電保護、合并單元、智能終端的報文可考慮采取固定時延同步，否則可能會致使差動原理的繼電保護產生一定差流影響。

從以太網結構的特點可以看出，每經過一臺交換機的級聯，報文時延就要增加一個固定值，因此，交換機的級聯數不易過多，國網公司要求任意兩個裝置之間報文傳輸經過的交換機數量不超過4臺，是考慮了交換式以太網的這種特點的。同時，單一交換接入的裝置數量也不宜過多，國網公司要求單一交換機接入的裝置數量不超過16臺，如果其中15個端口向第16個端口同時進行全尺寸以太網幀報文轉發，最不利的時延將達到1.8ms，如果此時再經過級聯，將有可能出現超過IEC61850規定的P2/3級報文時延要求。

作為一種簡單網絡的分析計算，本文考慮了很多假設情況。目前工程應用中，以太網交換機以使用了802.1q VLAN，802.1p CoS服務質量等技術，可以有效減少實時報文的傳輸時間和抖動，同時1000Mbps工業以太網交換機也逐步實用，是的過程層組網技術日趨完善，未來將得到更加廣泛的應用。