,Click to edit Master text styles,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2012/8/1,#,伏少松,工业以太网交换机在智能变电站中的应用,智能变电站,的概念是随着,智能电网,概念的提出而一并提出的,，可以,讲是智能电网的一个最重要、最关键的“终端”，承担为智能电网,提供数据,和,控制对象,的功能。,采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以,全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化,为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网,实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动,等高级功能的变电站,。,因此，智能变电站需要,数字化的通信平台,。,基于,IEC 61850,标准,的变电站网络通信是,最大的,共同点。,智能变电站概念,数字化平台,通信网络；,二次设备；,工具软件。,功能：,取消长电缆连接，提高系统性能，同时消除事故隐患；,使用,IEC 61850,标准，有利于设备之间的互操作。,电子式互感器,有源式电子式互感器；,无源式电子式互感器。,功能：,解决传统互感器的固有缺陷；,节约绝缘和材料成本。,智能一次设备,高压设备本体；,智能组件。,功能：,监视设备运行状态，消除事故隐患,;,提高设备运行寿命，降低全生命周期成本；,实现智能操作。,高级应用,全景数据反演；,一体化在线五防；,VQC,；,程序化顺控功能；,网络记录分析；,分担主站负担。,功能：,提高电网智能化水平。,智能变电站的主要组成,智能变电站的通用以太网架构,根据,IEC 61850,标准，智能变电站具备典型的三层架构：,站控层,间隔,层,过,程层,由于实际工程的需要，以太网交换机往往置于站控层和过程层；而智能设备（,IED,）则严格的按照三层架构加以区分,。,MMS,网：站,控层,和间隔层之间的网络,一般传输,制造报文规范（,manufacturing message specification,，,MMS,）,报文，为,TCP,单播报文,。,GOOSE,网,：过程,层,和,间隔层之间的网络,一般,传输,面向通用对象的变电站,事件,（,generic,object oriented,substation events,，,GOOSE,）,报文，为,组播报文,。,SMV,网：,智能一次设备通过光,PT,、光,CT,进行模拟,量采集并上送合并,单元（,MU,），,合并单元将同步后,的模拟信号,上送保护、测控等,间隔层,装置使用，,通过传输,采样测量,值,（,sample measured value,，,SMV,）报文,上送，为,组播报文,。,时钟,同步网：,过程层与间隔层之间的基于,IEEE 1588,标准的时钟同步网。,过程,层报文的种类,星形拓扑结构,最小延迟,从,IED,到,IED,之间只有三跳；,全部连接到中心交换机通常,成本高,且不易实现；,没有冗余,任一电缆,/,交换机的故障可能导致多个,IED,与站控级断开。,站控层,的交换机网络通常布置为,双星型,优点：布线容易 缺点：成本高,双网互备,基本,网络结构,环形拓扑结构,N+,1,网络冗余容错能力；,采用,RSTP,自动组态；,多,环连接可以组成网格形拓扑结构。,过程层,的交换机网络方案：,双星,型（国内）,环,网,（国外）：,优,点：出现故障时可在毫秒级内完成自愈切换,缺点：实,时,性略显不足,智能变电站系统中通信网络的组网方式,MMS,、,GOOSE,、,SMV,独立组网,MMS,独立组网，,GOOSE,、,SMV,共网,采样值,（,SMV,）,、,GOOSE、,同步,（,1588,）,三,网合一将提高系统可靠性,GOOSE,和采样值合网,带宽上具有可行性,(,稳定流量和突发性流量配合,),降低了成本,48,点,/,周波供保护测控，,200,点,/,周波点对点供计量,9-2,、,48,点,/,周波，,16,回达到,80Mbit/s,以太网时钟,同步与采样网合一,IEEE 1588v2,，硬件参与，,ns,级对时，满足计量要求,提高了采样数据的可靠性,过程层合,网,本,方案以变压器保护为例，采用,IEC61850-9-2,采样,信息、,GOOSE,信息、,IEEE1588,对时信息共,网传输。,间,隔层与过程层合并单元遵循,IEC61850-9-2,标准,，与过程层智能终端采用,GOOSE,通信协议。,过程,层网络按间隔配置独立的间隔交换机，各,间隔通过,主干网交换机组成过程层网络实现信息共享。,三网合一配置方案,由于三网合一技术,的要求比较高，技术难度,大，且,欠缺有效的,冗余,手段，其可靠性受到一定的质疑和担忧,。因此，基于,IEC 62439,标准的,PRP,冗余技术得到,广泛,的关注。,PRP,（,Parallel Redundancy Protocol,）,是,IEC62439-3,中定义的网络冗余协议，,IEC62439,已于,2010,年,3,月份正式颁布,。,IEC61850,Ed2.0,中,明确,引用,IEC62439-3,，作为其冗余协议,。在,基于,PRP,技术的变电站冗余网络中，,每个,PRP,冗余节点（例如保护装置、合并单元）需两,个网络,端口并行运行。工作时，端口通过链路冗余,体与,网络层相连，其作为一个单独的网络接口软件,管理,处理以太网卡和上层网络协议的通信接口，如,图所,示,。,PRP,并行冗余技术方案,对于,冗余管理，链路冗余体在发出的报文中,追加,一个冗余校验标签（,RCT,，,Redundancy,Check Tag,），包括帧的序列号，用来发现重复。另外，,链路,冗余体周期性地发送,PRP,监视报文，并且分析,其收到,的监视报文来评估其他,PRP,节点的,工作状态。,节点,中的两个以太网卡具有相同的,MAC,地址和,IP,地址，这使得冗余对于上层是透明的，上层,程序,无需为冗余做任何处理。,PRP,是基于第二层,网络协议,的网络拓扑结构，它不需要进行改动就可以,正常,使用网络管理，工程配置非常简单，同时支持,第二,层网络冗余，对变电站系统而言就是完全,支持,GOOSE,和,SMV,数据通信,。,本,方案中，网络的冗余切换是无缝的，它,可以极,大地提高网络通信系统的,可用度，,其应用,前景备受,关注。当然，由于每个网络节点（如保护装置,）需要,冗余网口，因此相比于一般的三网合一，,交换机,的数量将会增加，相应地网络投资会有所增加。,智能变电站网络结构,智能变电站网络结构,智能变电站网络结构,均不包含组网部分,智能变电站系统对工业以太网交换机的要求,网络系统是连接站内各种智能电子设备（,IED,）的纽带，是数字化变电站自动化系统的,命脉。,工业以太网交换机作为数字化变电站通信网络的重要设备，,IEC 61850-3,对其提出了更严格的要求,。,在,功能方面,：,(,1),支持,QoS,服务质量和快速,存储转发,方式，以保证网络中重要的,GOOSE,报文,得到实时传输,；,(,2),支持,VLAN,实现网段隔离,，保证,重要数据实时、可靠传输并抑制网络广播风暴,；,(,3),支持冗余网络拓扑结构，以提高网络的可靠性,；,(,4),支持,RSTP,快速生成树协议，提高网络故障,时的,收敛速度，避免网络环回和抑制网络广播风暴等,。,在电磁兼容方面,：,要求,能在强电磁干扰、电击,、雷击,等环境下正常工作。,在,环境温度方面,：,满足,宽温范围，能在极端,恶劣,的温度条件下可靠运行。,在,机械结构方面,：,满足,特定的防尘、防潮、,防水,要求；具备良好的散热条件；能承受强振动、,大冲击,的外力等,。,注：本部分内容主要来源于,智能变电站网络交换机技术规范,硬件上,能够,在强电磁干扰、静电放电情况实现,报文,传输零丢包。,在,低温（,-40,）及高温（,70,）情况,下长期,稳定,工作。,在,全线速工作情况下报文传输零丢包。,交换机,固有传输延时应小于,10 s,。,可,灵活选配短距离或长距离的光收发器,，适应,不同的现场应用。,采用,模块化设置，满足不同应用场合对,端口,数量，接口方式的灵活配置,针对,过程层的应用应满足零报文丢失，,即零,丢包,。,软件上,支持,QoS,（,802.1p,）报文优先级控制，,至少提供,4,个优先级队列，具有严格优先级和权重优先级,，可以,保证关键通信报文如,GOOSE,的优先传送。,支持,灵活的,VLAN,配置，,可按实际,应用需求,设置带,VLAN,标签报文的处理方式，,包括,VLAN,标签的插入、修改或删除操作。,支持,将多个端口的报文镜像功能，满足,数字化,变电站通信录波的需求及网络故障分析。,支持,网络风暴抑制功能，可设定交换机,广播,报文、多播报文和寻址失败报文的转发速率上限,。,支持,端口速率控制，可设定各端口的,报文转发,速率上限和突发速率上限。,支持,链接聚合功能，支持基于,MAC,地址的,链接聚合。,支持,STP,（,802.1D,）和,RSTP,（,802.1w,），在,通信链路失效时快速切换到备份链路。,支持,Web,、,Telnet,、,CLI,命令行方式管理。,支持,SNMP V1/V2c/V3,简单网络管理协议。,智能变电站工业以太网交换机,应具有的功能,硬件设计,硬件部分主要由,CPU,模块,和,交换,模块,组成，如图所示：,CPU,芯片,实现,交换机的高级管理功能配置、远程,管理,以及对故障的诊断监测,。,SDRAM,和,FLASH,实现,交换机中程序和数据的存储管理。,交换模块,选用工业级、高速芯片，支持,VLAN,、,QoS,、,Trunk,、,IGMP Snooping,、,STP/RSTP,、,Mirroring,、,SNMP,等功能；提供,4,千兆,的光,/,电接口,，,10/100,M,光,/,电接口和一个,RS232,管理口；采用,存储转发,、无阻塞全线速交换；具有,40,85,宽温,范围；等,。,为了,提高硬件电路的质量,采取了许多,技术,措施：,印制电路板,使用,CAD,技术,；,元器件,的,焊接大规模,采用表面贴装生产工艺等。,智能变电站工业以太网交换机,设计,软件设计,关键,技术,1,快速网络自愈实现,交换机,的动态环技术,，采用专有快速算法,确保网络,自愈时间最小。环网中的交换机通过循环的,发送,一帧监测报文来保持彼此联系，一旦发生故障,，环,网中的,交换机就能,知晓,，并立即开启备用通道。,为了避免由于控制帧丢失造成自愈时间,过长,的情形出现，每个控制帧重复发送，最初的,几个,控制帧发送的时间间隔很短（至毫秒级），,后面的,控制帧则以秒级的间隔较慢地发送。采用,这种机制,很好地解决了快速切换和减轻网络负担,之间,的矛盾。,当节点检测到链路从故障中恢复时,，它,将发送,Link_up,帧给主节点，主节点在,收到,Link_up,帧后，并不是立刻阻塞其从端口，而是,启动,相应的定时器等待一段时间，以确定环上,没有其他,故障节点，当定时器到时而且没有收到,来自于,环上其他节点发送的,link_down,帧，就表示,整个环,状态完好，此时主节点才阻塞其从端口，并,发送相应的,Ring_up_flush_FDB,帧通知环上其他,节点网络拓扑,的改变。,软件设计关键技术,2 GOOSE,报文实时性的实现,报文传输时间,=IED,处理时间,+,网络延迟,Type,1 A Trip,快速报文要求总传输时间小于,3ms,GOOSE,的快速传输机制,实时性问题的解决,全线,速交换机，,100%,可用带宽,增加带宽,如果,100Mbps,不够，采用,1000Mbps,作为主干,交换机必须支持,GOOSE,报文,采用,IEEE,802.1p,优先级,采用,IEEE,802.1q,VLAN,隔离实时数据,IGMP Snooping,用于组播过滤和管理,软件设计关键技术,3,实时报文优先级处理的实现,IEEE 802.1p,优先级,Class of Service,（,CoS,）,