智能變電站過程層網絡流量分析及網絡優化研究

楊貴 呂航 彭安 潘磊

關鍵詞：流量分析;網絡優化;流量控制;交換機;過程層;智能變電站

隨著智能變電站的推廣應用，大量的變電站采用過程層網絡進行SV（采樣值，Sampled Value）、GOOSE（面向通用對象的變電站事件，GenericObject Oriented Substation Event）報文傳輸，過程層網絡架構如圖1所示。

間隔層設備保護裝置和測控裝置通過過程層交換機與過程層設備合并單元和智能終端進行信息交互。保護裝置和測控裝置下發GOOSE報文給智能終端控制斷路器、開關等一次設備的投退;合并單元采集一次設備的實時電壓電流值通過SV報文上送給保護裝置進行保護功能計算，上送給測控裝置進行監視;智能終端上送當前斷路器、開關等一次設備的當前狀態給保護裝置和測控裝置用于判斷一次設備的狀態。

由于每路SV報文按照每秒4000幀等間隔發送，數據流量可達IOMbps甚至更大，如果網絡上有40個合并單元發送SV報文的話將有400Mbps的網絡流量。GOOSE報文平時5秒發送一幀，當有開關變位等狀態變化時，按照2ms、2ms、4ms、8ms的間隔進行突發上送，因此，當GOOSE發生突發上送時，會有一個短時間內得突發流量產生。由于SV、GOOSE報文存在以上特點，在過程層網絡傳輸過程中，非常容易出現排隊、擁塞等現象，按照保護業務對SV報文傳輸延時的要求，SV報文在網絡上傳輸時間必須小于Zms才能保證保護裝置及時獲取到一次設備的采樣值信息。

因為過程層網絡的流量大、重要性高，如何提升過程層網絡報文傳輸的實時性，確保SV、GOOSE報文以最快的速度送達相應的裝置成為了當前研究的重點課題。

目前已有相當多的文獻對SV、GOOSE報文網絡報文傳輸特性進行了分析研究，文獻[2]到[4]對過程層網絡流量進行了仿真分析，文獻[5]到[6]對過程層網絡風暴等異常流量進行了分析，文獻[7]對過程層網絡流量進行了網絡性能測試和分析，文獻[8]對過程層網絡報文特性進行了分析并給出了通信配置，文獻[9]到[11]對過程層故障定位進行了分析，文獻[12]到[13]提出了一種基于流量控制的提升智能變電站網絡傳輸可靠性的方案，文獻[14]到[15]從變電站實際運維角度描述了當前過程層網絡故障定位的方法。以上文獻均在相關過程層的研究方向上取得了一定的進展，但是對于SV、GOOSE報文在過程層網絡上傳輸的最大延時具體能到達什么水平，并沒有文獻做過相關研究。

現網運行中，普遍采用過程層網絡進行保護、測控、智能終端等設備的GOOSE報文傳輸、合并單元發送的SV報文主要提供給測控裝置使用，對于保護使用的SV必須通過光纖直連方式進行傳輸，通過犧牲數據共享便利性來避免過程層網絡傳輸延時的不確定性。這是當前智能變電站過程層網絡迫切需要解決的問題。同時過程層網絡正常情況下的報文傳輸延時最大值直接決定了保護功能是否能夠長期穩定工作，因此，過程層網絡最大傳輸延時的量化研究有助于更好的提升過程層網絡組網水平，是保護通過過程層網絡實現SV報文傳輸的理論基礎。

1過程層網絡組網分析

1.1組網方案分析

可行的智能變電站過程層組網有兩種方案，方案一采用SV、GOOSE分別組網的方案，方案二采用SV，GOOSE共網傳輸的組網方案。方案一需要分別為SV、GOOSE組建過程層網絡，與方案二對比，該方案具有組網設備多、組網成本高的缺點。因此在智能變電站建設過程中，僅有很少一部分變電站采用了該組網方案，目前已不再推廣應用。方案二與現有的過程層網絡比較不再采用保護單獨通過光纖直連傳輸SV報文，具有組網成本基本一致，網絡設備用量相當的特點，因此，下文著重分析SV、GOOSE共網傳輸的情況。接口加千兆級聯光纖端口交換機。如圖2所示為典型的過程層交換機配置及組網示意圖，過程層網絡用千兆中心交換機端口配置為1 6個千兆光纖接口，用于實現間隔交換機的接入和智能錄波器等設備的接人。間隔交換機（1）的端口配置為16個百兆光纖接口和4個千兆光纖接口，可滿足3～4個間隔的設備接人。間隔交換機（2）端口配置6個百兆光纖接口和2個千兆光纖接口，可滿足一個間隔的設備接入。

下面按照三種不同配置的交換機的端口流量及特性分別進行分析，同時為了反映智能站實際典型應用場景，將以典型場景下的GOOSE、SV報文長度進行分析。

1.2過程層報文特性分析

在國內的智能變電站建設中，過程層網絡只用于傳輸SV、GOOSE報文。SV普遍采用每秒4000幀的頻率進行報文發送，每個SV報文的長度一般在250 Byte左右，不同的SV報文長度基本一致，因此在后面的分析中SV報文長度統一按照250Byte進行分析。GOOSE報文根據攜帶的內容不同長度變化范圍很大，最長可達1518 Byte，較短情況幾十個字節的也有。

2IED設備輸出流量分析

為了更好的分析SV、GOOSE共網情況下的網絡報文網絡傳輸最大延時特性，下文將繼續按照SV報文在過程層網絡上傳輸的場景進行分析，從理論上論證SV、GOOSE共網情況下的網絡性能。

當前智能變電站的IED設備主流采用百兆光口，母線保護、主變保護、線路保護、測控裝置、智能終端、合并單元等裝置均為百兆光口，智能錄波器同時支持百兆和千兆光口。各裝置發送的GOOSE、SV的報文長度及路數如下表所示。

表中所列的的值為各IED設備在典型應用中的報文長度及GOOSE、SV數量配置。

3過程層網絡流量分析

過程層網絡的GOOSE、SV報文由各裝置發出后按照VLAN或靜態組播配置的轉發路徑進行轉發，流量大量匯聚的節點出現在交換機級聯端口上，對于間隔內的線路保護、測控、合并單元、智能終端等設備接人交換機端口的流量遠小于交換機級聯端口的流量，所以不再單獨分析。對于母線保護和主變保護等需要接收多個，需要單獨分析。下面分別針對間隔交換機（1）、間隔交換機（2）的級聯端口和中心交換機的流量進行分析。

3.1間隔交換機（2）流量分析

如下圖所示，間隔交換機（2）具有6個百兆光口（端口1-6），2個千兆/百兆光口（端口GlG2）。間隔交換機（2）級聯端口為千兆光纖端口。用于接人單間隔的保護、測控、智能終端，合并單元等設備。

圖4為間隔交換機（2）的上行流量和下行流量的示意圖。下面分別對交換機級聯端口的上行報文流量和下行報文流量分別進行分析。

上行報文流量分析：由于智能錄波器部署在中心交換機上，間隔內的保護、測控、智能終端、合并單元發送的信息均通過級聯口上傳到中心交換機用于智能錄波器的報文監視。智能終端采用單端口接人間隔交換機，四個控制塊的GOOSE報文順序發送到間隔交換機上，不存在同一臺裝置的報文在交換機級聯端口排隊的問題。但在極端的情況下，保護、測控、智能終端和合并單元通過級聯端口上送的報文存在擁塞現象，極端的排隊深度按照如式（1）計算：

上行報文流量分析：由于智能錄波器部署在中心交換機上，間隔內的保護、測控、智能終端和合并單元發送的信息均需通過級聯口上傳到中心交換機用于智能錄波器的報文監視。智能終端采用單端口接人間隔交換機，所以四個控制塊的GOOSE報文順序發送到間隔交換機上，不存在該裝置的報文在交換機級聯端口排對的問題。但在極端的情況下，同一臺交換機接人的保護、測控、智能終端和合并單元通過級聯端口上送的報文存在擁塞現象，極端的排隊深度按照公式（1）實例化的公式（5）進行計算。

因此，極端情況下，間隔交換機級聯端口的緩存空間大于5346 Byte才不會出現丟包現象。由于SV報文發送間隔為250us所以，只有千兆級聯端口250us時間內可以傳輸的字節數大于需要報文的字節數才能保證不出現累加排隊現象。按照公式（3）計算得到250us級聯端口能夠發送39. 06kByte。遠大于需要傳輸的字節數，不存在累加排隊現象。因此，間隔交換機（1）的級聯端口傳輸延時按照公式（4）計算結果為：

T=5346/（1. 25*109）*8+10=44. 22 r/s

因此，間隔交換機（1）級聯端口的延時最大值為44. 22u/S。

按照公式（5）計算250u/S間隔內所有裝置發送的報文長度總和為：

因此級聯口報文傳輸在250us內不會出現跨250us累加排隊現象，即不存在跨SV報文發送間隔的排隊現象。

當發生雪崩的情況下，所有GOOSE報文的發送按照2ms，2ms，4ms，8ms的間隔發送，按照公式（5）計算2m間隔內所有裝置發送的報文長度總和為：

L=（311+361+395+1062+250*8+200+270） =13. 797 kByte

因此級聯口報文傳輸在2 ms內不會出現跨2ms累加排隊現象，即不存在跨GOOSE報文發送間隔的排隊現象。

最大排隊深度與上面分析的5346 Byte -致，最大傳輸延時與上面分析的44. 22 us延時一致。

下行報文流量分析：下行報文主要來自于母線保護和主變保護，與間隔交換機（2）的下行報文分析結果一致，下行最大延時為13.12u/s。

由以上分析可知，級聯端口的上行最大延時為44. 22 us，下行最大延時為13. 12us。

3.3中心交換機流量分析

如圖7所示，中心交換機具有1 6個千兆光口（端口1-16）。用于接人間隔交換機和智能錄波器等設備。

中心交換機級聯端口的上行流量為各間隔交換機上送的流量，下行流量主要為主變保護和母差保護下發的報文。從間隔交換機的分析來看，上行報文流量大于下行報文流量，且中心交換機的上行流量全部接人到智能錄波器端口用于監視使用。

因此，分析智能錄波器端口的擁塞情況即可代表中心交換機極端的排隊場景。智能錄波器端口排隊報文長度可按照如下公式計算：

式中Li為間隔交換機接人的一個設備的發送報文長度，N代表間隔交換機接人的裝置數量，M代表間隔交換機的數量。

按照典型變電站規模最大18個間隔來計算的話，中心交換機需要接人6臺間隔交換機（1）或18臺間隔交換機（2）。按照每個間隔最大并發傳輸報文長度1782 Byte計算，極端情況下，間隔交換機同時發送1782 Pyte（間隔交換機（2）-個間隔）或5346 Byte（間隔交換機（1）三個間隔）的數據到中心交換機，按照公式（6）計算得到接人智能錄波器端口的排隊深度為：

L=1782*3*6=32. 076 kByte。

因此，排隊深度為32. 076 kByte，小于250 us內能夠傳輸39. 06 kByte。

按照公式（4）計算得到接人智能錄波器端口的傳輸時間為：

T= 32. 076*103/（1. 25*109）*8+0=205.29us

式中ts取值為0是因為，智能錄波器已經是最終的接收設備，內部緩存時間不需要再計算到傳輸延時中，后續公式（9）即為對公式（4）的優化。

計算250 us無累加排隊傳輸最大可以實現接人間隔計算公式可按如下公司計算：

其中L250代表于兆端口250us能夠傳輸的字節數，LB代表每個間隔在級聯端口的最大排隊報文長度，將前文計算數據帶入公式（6）可得在不出現跨250us間隔排隊可接人的最大間隔數為：

P=39. 06kByte/1782B=21.9

因此，最大可接入間隔數為21個間隔，可滿足典型變電站的過程層組網要求。

3.4IED設備輸入流量分析

IED設備的輸出報文長度已在2小節進行了分析，母線和主變保護的下行報文已在間隔交換機流量分析中進行了說明，由于線路保護、測控、智能終端、合并單元接收的SV、GOOSE控制塊的數量明顯小于母線保護和主變保護，所以，本小節主要分析母線和主變保護的接收流量情況。

按照典型變電站18個間隔的情況進行分析，母線保護需要接收18個間隔和一個母線電壓合并單元的數據，即接收19路SV報文和36路GOOSE報文。主變保護當按照三卷變按電壓登記組網進行分析時，每個電壓等級需要接收的SV報文不超過3路，GOOSE報文不會超過10路。由于主變保護接人收GOOSE、SV報文數量明顯低于母線保護，因此，母線保護適用的場景同時能夠符合主變保護的應用，所以，將以母線保護為例進行分析。下面分別按照母線保護采用千兆端口通信和百兆端口通信分別進行分析。

首先計算母線保護接收報文的總長度公式為：

因此，需要4個百兆端口來實現網絡報文的接人。將SV和GOOSE報文平均分配到每個端口上，每個端口需要輸入SV報文5路，GOOSE報文9路。因此，百兆情況下端口最大排隊深度按照公

因此，極端情況下，母線保護的端口最大延時為244uS，不會出現跨越SV發送間隔的排隊現象。

3.5小結

從以上間隔交換機（1）、間隔交換機（2）、中心交換機、母線保護的分析來看，影響組網規模的關鍵技術指標為網絡傳輸最大延時和交換機端口緩存能力。間隔交換機（1）極端的情況下需要緩存大小為5346 Byte，間隔交換機（2）極端的情況下需要緩存大小為1782 Byte，中心交換機極端的情況下需要緩存大小為32. 076 kByte，母線保護極端的情況下千兆端口需要緩存大小為11. 95 kByte，百兆端口需要緩存大小為3. 05 kByte。

從目前主流的電力系統過程層交換機性能來看，百兆交換機的端口緩存大于13 kByte，千兆交換機的端口緩存大于125 kByte，在緩存能力上，能夠滿足最大18個間隔的過程層網絡組網需求。

4過程層網絡傳輸延時分析

文章3小節分別分析了網絡流量在交換機級聯端口、智能錄波器接口和母線保護接口上的極端延時和排隊現象。本章分析傳輸延時將利用3小節的計算結果進行極端情況下的最大網絡傳輸延時計算。網絡最大傳輸延時需要分析GOOSE、SV報文的發送、傳輸、接收整個環節的延時總和，計算公式如下：

式中，丁表示報文傳輸總延時，Ts表示報文發送延時，這里的Ts表示發送裝置開始發送報文到報文發送結束的時間，報文同時也在接收端口接收，發送接收同時計算傳輸時間將重復計算，所以本式中的Ts取值用固定值O代替，Tti表示每級交換機的傳輸延時，Tr表示報文接收延時。由于SV報文傳輸延時要求嚴苛，所以選取合并單元的SV報文進行分析。這里按照合并單元發送的SV報文經過一臺間隔交換機（2）和一臺中心交換機達到智能錄波器和母線保護百兆端口的最大排隊場景進行計算，Tti用公式（4）計算得到，Tr，用公式（9）計算得到。將表1中的數據帶人公式（12）計算到達智能錄波器的傳輸總時間結果如下：

智能錄波器接收SV報文的最大傳輸延時為279. 51us。將表1中的數據帶人公式（12）計算到達母線保護百兆端口的傳輸總時間結果如下：

母線保護接收SV報文的最大傳輸延時為318. 22us，遠小于2ms的門限值。

如果間隔內采用間隔交換機（2）進行組網時，18個間隔的設備接人必須經過三級級聯，示例組網如圖8所示。

從上述計算可知，采用不同的間隔交換機組網，最終的傳輸延時區別只在于級聯次數引入的交換機內部的存儲轉發延時。

另一個需要注意的特點時，報文在傳輸環節中按照極端延時進行計算時，影響傳輸延時的關鍵在于報文從發送設備發出的報文長度，長度越大，延時越大。當按照智能終端最長GOOSE報文進行計算到達智能錄波器的延時，計算得到的傳輸總時間為：

智能終端最長GOOSE報文到達智能錄波器的傳輸時間為354. 47us。

從網絡傳輸延時來看，18個間隔的最大報文的傳輸延時不超過400us，當網絡規模進一步擴大到30個間隔時，網絡最大延時依然可以控制在Ims以內，由于篇幅原因，這里不再展開計算，但網絡設備的緩存能力要求將進一步的增大。

5網絡優化建議

從3到5小節的分析來看，影響網絡傳輸性能的兩個重要指標時交換機的緩存能力，另一個時傳輸延時。緩存能力直接決定了報文是否出現丟包，傳輸延時決定了是否滿足保護業務的應用。而影響延時的主要因素是報文長度、交換機級聯級數和設備的端口速率。由于報文長度與業務直接相關本文不做討論，因此，建議組網時盡量減少級聯次數，端口速率盡量選擇高速率。為了獲取最優的網絡性能同時接人盡可能多的間隔。組網建議如下：

（1）網絡總流量控制在500 Mbps以內。

（2）網絡報文傳輸盡量控制在4臺交換機內。

（3）推薦母線保護和主變保護等跨間隔設備接收報文較多的設備采用千兆端口通信。

（4）當母線保護和主變保護等跨間隔設備必須采用百兆端口通信時，采用多端口接收處理。每個端口的流量控制在60 Mbps以內，按照GOOSE報文2ms發送間隔計算流量。

（5）智能錄波器設備建議采用千兆端口接人中心交換機。

6結論

文中對過程層網絡SV、GOOSE共網傳輸的網絡最大傳輸延時、交換機端口緩存容量需求進行了量化分析。通過量化分析給出明確的端口緩存容量大小和網絡傳輸可能引入的最大傳輸延時時間，并在此基礎上對SV、GOOSE共網傳輸的可行性和組網規模和方案進行了分析，從分析來看，采用SV和GOOSE共網傳輸在理論上是可行的。同時給出了過程層組網優化建議，為將來智能變電站的組網提供了理論分析基礎，用量化數據的方式幫助規劃過程層網絡的組網方案。