黄  毅1，张永伍1，杨  畅1，蒋  晔2

　　（1.天津市电力公司电力调度控制中心，天津300010；2.深圳市国电南思系统控制有限公司，广东 深圳518057）

　　摘  要： 在智能变电站中，间隔层和过程层的信号传输问题一直是智能变电站建设过程中需要面临的首要问题。文章结合行业的相关要求，总结了该问题的现状，并比较、分析了点对点和网络化两种主要应用方案的优缺点，提出了网络化点对点的解决方案。该方案对交换机在智能变电站中的应用进行了重新定义，同时针对几个关键问题介绍了该方案的具体实现方式和实现逻辑，同时提出了具体的产品实施方案。最后结合该方案特点，针对现场工程应用提出了建议。

　　关键词： 回路交换机；网络化点对点；采样同步

0 引言

　　智能变电站是建设统一坚强智能电网的重要基础和支撑[1]，因此对智能变电站的建设也在信息化、集成化、可视化、快速性、可靠性以及扩展和升级维护等方面提出了严格的要求[1-2]。

　　在智能变电站的三层架构中，间隔层和过程层之间及内部的信息传输采用快速报文——采样值(Sampled Values，SV)及通用面向对象变电站事件(Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE)来保证信息传输的实时性和快速性[3]。

　　在智能变电站实施的初期间隔层和过程层设备大都是以组网方式来传递SV信号和GOOSE信号的，即保护设备、测控设备、合并单元以及智能终端等通过工业交换机进行连接，所有信息在进行传输的同时实现了共享。

　　随着智能变电站建设规模的逐渐扩大，间隔层和过程层信号的组网传输所存在的问题已不断暴露出来[4]。为保证智能变电站设备的可靠运行，逐渐大量采用了点对点方式即“直采直跳”的方式来在间隔层和过程层之间及内部进行信息传输，并以行业标准或规范的方式对上述信息传输进行了规定[1，2，5]。

　　但是对于间隔层和过程层的点对点应用和组网应用的研究和讨论从来没有停止过[4，6，7]。主要原因是二者之间存在着具有互补特征的矛盾。

　　对于点对点应用方案，其主要特点是：

　　(1)采样值SV信息可不依赖外同步时钟而实现精确同步，由于从电子互感器到保护装置之间的所有环节的延时固定，因此可根据该固定延时通过补偿的方式实现采样值同步[4，6]。

　　(2)传输安全可靠，在保护装置之间、保护装置和合并单元之间以及保护装置与智能终端之间均通过光纤直接连接，通信通道独占，任何干扰信息、攻击信息以及非法信息被物理隔离，保证信息的传输过程不受任何干扰。

　　(3)快速传输，基于同样原因，设备之间由于通过光纤直接连接，且信息传输不受任何干扰，因此可完全保证信息能够快速传输。这一点对于智能终端动作时间的保证尤为重要[2]。

　　(4)施工问题，设备之间的点对点直接连接，需要大量地铺设长距离光纤，大大增加了施工和维护的难度。

　　(5)信息共享问题，设备之间通过光纤直接连接，在以通道独占的方式保证信息传输安全和可靠的同时，使得信息无法共享，从而直接影响了智能变电站的信息应用。

　　对于组网应用方案，其主要特点是：

　　(1)信息可完全共享，由于所有设备通过交换机连接，从理论上使不同设备之间、不同系统之间共享变电站运行信息成为可能。

　　(2)施工方便，由于所有设备均需与交换机相连，大部分光纤是屏柜内连接或小室内跨屏柜连接，从而明显减少了长距离光纤的数量，大大简化了施工和维护强度。

　　(3)采样值信息同步性难以保证，由于信息需要通过交换机转发，甚至还有可能进行多级转发，所以传输延时未知，需要借助外部同步时钟才能保证采样值信息的同步性[4]。

　　(4)网络不可预知因素导致信息丢失和延迟，所有设备组网后，由于网络负荷变化、路由选择等因素导致传输延迟，使得信息传输的快速性不能完全保证。

　　(5)网络风暴风险，由于网络连接错误或设备问题，导致网络风暴，从而使网络完全或局部瘫痪，对智能变电站的安全稳定运行造成巨大影响。

　　(6)网络攻击报文，在调试过程中，非法设备接入网络，可能导致网络攻击的产生，影响系统运行。

　　从以上比较可以发现，智能变电站间隔层和过程层的点对点应用方案和组网应用方案互为补充，前者能够保证智能变电站的安全稳定运行，而后者则为智能变电站的进一步发展提供了空间。

　　随着“占地少、造价省、效率高”的新一代智能变电站的提出，对间隔层和过程层“三网合一”（IEEE 1588、SV、GOOSE）的要求也被提及[7]，对间隔层和过程层组网方案(及“网采网跳”)的应用需求又重新摆在了各级用户的面前。

1 基本构想

　　1.1 主要问题

　　从现场应用需求的角度来讲，智能变电站网络化点对点技术研究将结合点对点应用方案和网络应用方案的主要优势，主要面向以下问题：

　　(1)采样值同步性的解决，使采样值通过网络传输后，在保护装置里可进行精确同步，精确测量每帧报文的精确传输延时。

　　(2)跳闸信号快速传输要求的满足，保证所有跳闸信号均能在网络中快速传输。

　　(3)网络安全的保证，信息能正确、完整传输，能完全避免网络攻击和干扰。

　　(4)广播风暴的避免，能绝对避免广播风暴的产生。

　　1.2 技术形态

　　从现场应用需求的角度来讲，需要将点对点应用方案和组网应用方案的优势结合起来，即在保证智能变电站设备安全稳定运行的前提条件下，实现对智能变电站信息共享的支持。

　　该构想主要包含以下两个方面的内容：

　　(1)从现场工程应用的角度来讲，采用组网的物理形式，即所有的设备都需与交换机相连接。

　　(2)从间隔成和过程层信息传送的角度来讲，仍然采用点对点的信息传输，即信号传输独占物理通道。

　　也就是在智能变电站的间隔层和过程层以组网的形式，采用点对点传输。因此智能变电站网络化点对点的实现，从实质上来讲是研究开发一种能实现点对点信息传输的交换机及网络。

　　基本原理是，在交换机网络中，根据配置，动态地为所有信号传输关系分配独立的传输电路，该电路从物理形态上是独立的，各传输电路直接连接固定的物理端口，只允许指定报文传输，基本技术构想示意图见图 1。

　　假设A、B、C和D四个装置分别连接在交换机网络的四个端口上，各装置之间的信号传输关系如下：

　　(1)装置A发送信号到装置B，标识为AB。

　　(2)装置A发送信号到装置C，标识为AC。

　　(3)装置B发送信号到装置A，标识为BA。

　　(4)装置C发送信号到装置D，标识为CD。

　　依照上述配置，可以分别为AB、AC、BA以及CD在交换机网络中根据配置动态产生独立的物理传输电路，各物理电路不允许其他任何报文使用，即被所指定的信号连接所独占，从而在交换机网络内部实现了信号的点对点传输。

2 技术方案

　　2.1 回路交换

　　2.1.1 定义

　　回路交换为实现网络化点对点传输的核心。在整个技术方案中，均是围绕着以虚回路交换的方式实现智能变电站内部的信息交换。虚回路采用虚拟点对点的方式在网络中进行信息传输。在网络化点对点传输中，虚回路指的是以下信息：

　　(1)站控层MMS通信连接关系，每一对连接关系均是涉及两条独立的回路(服务端—客户端，客户端—服务端)；

　　(2)间隔层和过程层GOOSE信息传送，以GOOSE控制块为单位，每一组传递关系均为一条独立的回路(同一控制块发往不同装置，则视为不同的回路)；

　　(3)过程层SV信息传送，以SV控制块为单位，每一组传递关系均为一条独立的回路(同一控制块发往不同装置，则视为不同的回路)。

　　虚回路示意图如图2所示。所有定义虚回路信息之外的信息无法在网络中传输。

　　虚回路采用虚拟点对点的方式实现信息传输，每条虚回路均只向指定地址所连接的交换机端口传输信息。

　　该地址为预先配置内容，所有未配置的地址将接收不到虚回路信息。

　　2.1.2 传输机制

　　网络化的点对点传输采用主动分发机制，主要通过以下手段实现：

　　(1)交换机通过回路配置或自动识别获取各回路目的设备所连接的位置，如图 3所示。

　　(2)交换机接收到回路源业务报文之后，将报文直接传输到目的设备所连接的端口，如图 4所示。

　　(4)对于回路外的业务报文(源不在回路配置中或目的不在回路配置中)以及源未连接上交换机的回路报文均予以丢弃。

　　2.2 采样值同步

　　2.2.1 基本原理

　　按照标准的要求[2，5]，将每一帧采样值报文在网络中的传输延时保存到采样值报文第一通道中，在保护装置中实现同步，如图 5所示。

　　在图 5中各采样值的额定延时包含了电子互感器采集模块处理时间、电子互感器与合并单元之间的传输时间、合并单元处理时间，为固定值[6]。Tdst为各自在交换机及网络中的传输时间，每一帧均不完全相同，需要交换机测出该时间，并累加到额定延时之上。

　　2.2.2 延时计算

　　按照标准定义，报文在交换机中的传输延时指的是报文第一位进入交换机到报文第一位从交换机发出之间的时间[8]。由于采样值的传输所涉及的是整个网络，而不一定是单台交换机，因此对采样值而言，其传输延时特指采样值报文第一位进入网络到采样值报文第一位从网络发出之间的时间。

　　具体的计算方式是：接收到报文第一位时，即保存第一位的接收时间，该事件随报文在网络中传送，在第一位发出时，取出发送时间t2并与接收时间t1计算出传输延时，然后写入报文。如图 6所示。

　　2.3 快速传输

　　对于需要快速传输的跳闸信号，除通过回路单独占用固定传输通道的方式以保证回路报文传输不受干扰外，还采用了快速优先级策略来保证报文的快速优先传输。

　　在传输过程中其独享的固定传输通道保证了报文在交换机中的快速传输。

　　高优先级信号通过配置指定，在传输过程中使用单独的高优先级缓存，当报文从交换机端口发出时，如果有其他报文需要从同一端口发出，则高优先级缓存中的报文优先发送，保证高优先级报文能快速从网络中发出。

　　2.4 安全性

　　基于回路交换的网络化点对点传输，除通过回路独享单独传输通道的方式来保证报文传输安全以及必要的校验策略来保证报文传输完整性之外，还通过报文抑制技术来保证报文的传输环境的安全。

　　交换机不允许以下报文进入交换机交换：

　　(1)非MMS、ARP、SV、GOOSE以及IEEE 1588报文。

　　(2)回路外报文。

　　(3)超过入口流控值的报文。

　　(4)错误报文(校验错)。

　　(5)超长度限制报文。

　　(6)过短（小于64字节）报文。

　　上述报文将不允许在交换机及网络中进入交换，从而避免了无关甚至恶意报文以及异常大流量报文(风暴)进入网络，浪费网络资源，影响正常业务报文的传输。

　　2.5 广播风暴

　　广播风暴的产生是由于广播报文环回并被大量复制而产生瞬间快速增长的网络流量。而环回的主要原因就是当某交换机发出的网络报文回到该交换机时，又被当作新的广播报文发出。

　　为避免这种情况，在网络化点对点的传输方案中，对网络中的每一台交换机进行单独标识，所发出的报文携带该标识，当发现接收到的报文与本交换机一致时，则予以丢弃。如图 7所示。

　　该方式从根本上避免了广播风暴的产生，使得网络可以采用任何拓扑方式。

　　2.6 设备实现

　　2.6.1 硬件平台

　　硬件采用FPGA(现场可编程逻辑整列)和CPU相结合的技术，其中FPGA负责网络业务报文的传输，CPU负责配置管理和网络管理等工作。

　　FPGA是一种新型高性能可编程逻辑器件，它集成度高，器件密度可高达数千万系统门，可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计[9]。利用FPGA的这个特征可以实现大量信号传输从发送端到接收端的固定电路，从而在微观上实现点对点传输，因此主要用来负责网络业务传输。

　　CPU采用传统低功耗器件，充分利用软件处理灵活性大的特点，负责诸如配置管理、存储管理以及设备管理等灵活性比较大、处理时间要求不高的功能。

　　硬件结构示意图如图 8所示。

　　2.6.2 功能模块

　　为实现网络化的点对点传输，从功能上设置图9所示的几个模块。

　　(1)传输及传输管理，该模块为实现网络化点对点传输的核心模块，负责处理智能变电站内部的所有虚回路关系，并为每条虚回路生成专用传输电路，同时负责所有虚回路相关的报文传输、统计、安全性保证以及异常处理。

　　(2)配置管理，该模块负责对智能变电站内所有的虚回路进行管理和识别，并将这些信息传递给传输及传输管理模块，同时负责对配置信息进行修改。

　　(3)数据统计，该模块为辅助功能，负责统一处理交换机及网络运行过程中的各种统计信息，包括流量分类统计、丢包分类统计。

　　(4)运行监视和维护，一方面负责整个交换机及网络的运行状态监视和报警，另一方面负责监视所有信号传输情况的实时监视，并实现与外部维护终端的信息交互。

3 工程应用建议

　　智能变电站网络化点对点传输技术的研究，主要是针对智能变电站在实施过程中所面对的各种问题而进行的解决方案研究。由于在研究过程中采用了一系列新的概念和方法，并在具体的交换机中进行了体现，因此在实际的工程应用中具有不同与传统交换机的特殊要求。在使用过程中需要注意以下几点：

　　(1)由于整个方案是基于虚回路交换的点对点传输，对回路源和目的有着严格的要求。特别是回路的目的，即接收端设备，由于是首次提出的概念，因此需要二次设备厂家配合，各装置的网络接口采用明确、唯一的MAC地址，作为回路接收端设备的唯一标识，以便于在交换机中为虚回路产生独立的传输通道。

　　(2)由于交换机支持SCD文件的导入，同时兼顾虚回路交换的特征，支持为每个SV或GOOSE报文指定多个接收端设备MAC地址，对于IP报文则支持制定多个接收端的IP地址。因此在SCD文件的制作时，可以将相关的接收端信息添加进去。

　　(3)对于回路接收端所连接端口，除可以静态配置外，交换机还具有自动侦测功能，该侦测功能要求所连接的装置在与交换机连接之初主动发送包含有网络端口MAC地址的报文。对于需要频繁更换交换机连接口的装置，需要能配合交换机的侦测功能，能在装置以太接口具备物理连接时主动发送符合要求的报文。

　　(4)由于交换机严格按照虚回路进行交换，未被配置的虚回路或与虚回路无关的报文被完全禁止进入交换机及网络进行交换，因此任何需要接入网络的设备均需先根据其地址进行回路配置，才能在允许的范围内使用网络。这种情况可能会由于在调试过程中配置了大量在正常运行过程中不使用的回路。因此建议最好能在正式运行之前，对无关回路进行清理。

参考文献

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　　[2] Q／GDW 441-2010能变电站继电保护技术规范[S].北京：国家电网公司，2010.

　　[3] IEC 61850-5  Communication networks and systems in substations-Part 5：Communication requirements for func-tions and device models[S].2003.

　　[4] 赵家庆，徐春雷，高宗和，等.基于分布式同步方法的智能变电站采样值组网技术[J].电力系统自动化，2013(24)：60-65

　　[5] Q/GDW 396—2009 IEC 61850工程继电保护应用模型[S].北京：国家电网公司，2009.

　　[6] 袁宇波，卜强生，高磊，等.智能变电站数字采样延时特性分析与试验[J].电力系统自动化，2013(24)：76-80.

　　[7] 倪益民，杨宇，樊陈，等.智能变电站二次设备集成方案讨论[J].电力系统自动化，2014(3)：194-199.

　　[8] Q/GDW 429—2010智能变电站网络交换机技术规范[S].北京：国家电网公司，2010.

　　[9] 王诚，吴继华，范丽珍，等.Altera FPGA/CPLD设计.北京：人民邮电出版社，2005.