变电站过程层网络智能化方案
水利水电
124 2015年17期
变电站过程层网络智能化方案
王菲王军
南京国电南自自动化有限公司，江苏南京211153
摘要：通过将SCD文件中报文的订阅关系转化为报文的传输路由，实现报文的免VLAN的逻辑隔离，组播报文的定向传输，网络报文延时的可测。
关键词：变电站；过程层网络；智能化
中图分类号：TM76；TM63 文献标识码：A 文章编号：1671-5810（2015）17-0125-02
引言
智能变电站自动化系统网络的构建以报文的实时性、可靠性为目标，但目前智能变电站用交换机采用的仍是不确定交换技术，未针对电力二次系统进行优化设计，无法保证上述目标。
本文介绍了一种过程层网络智能化方案，通过交换机解析SCD文件，实现报文的线速精确识别，免VLAN的逻辑隔离，组播报文的定向传输，网络报文延时的可测。
1变电站过程层网络现状
1.1VLAN划分工作量大
智能变电站过程层SV、GOOSE报文均属于组播报文，如果不划分VLAN，则每帧报文会发送到交换机的每个端口，每个端口均需对报文进行识别处理，若划分VLAN，则会发送到VLAN包含的每一个端口。为了限定报文的组播范围，减少网络流量、抑制网络风暴，过程层网络均划分了VLAN。而当划分VLAN后，设备接入过程层交换机就受到了限制，当端口故障时，设备不能直接接入备用端口，必须重新划分VLAN才可启用备用端口。当变电站改扩建时，新增交换机也必须划分VLAN，而且必须对原有交换机进行VLAN更改配置，不仅工作量大，而且容易出现误配置，给过程层网络的正常运行带来隐患。
1.2报文延时不确定
“网采网跳”在采样和跳闸信息的传输过程中增加了交换机环节，由于交换机本身的存储转发机制问题，数据从合并单元输出到交换机输出给保护时，时延是不确定的，这就导致保护需依赖于外部时钟系统对不同电压等级采样数据的同步，一旦时钟异常则直接影响保护功能实现，甚至造成误动，这对于继电保护而言无疑增加了不确定环节，限制了智能变电站继电保护技术的发展。
2过程层网络智能化方案
结合IEC61850智能变电站通信业务模型的要求，借鉴IP路由，MPLS标签交换，MPLS-TP分组传输，MPLS-TE 流量工程，SDH同步传输，采用由互联网工程任务组（IETF）的提出的TRILL协议，将以下技术应用于网络交换机：将智能变电站SCD文件中报文的订阅关系转化为报文的传输路由和将报文的APPID、IED设备的MAC地址、交换机的路由表统一起来。
图3-1过程层网络智能化的实现流程
2.1自动识别与隔离
2.1.1业务流自动识别
智能变电站中的4类报文（GOOSE，SV，MMS和IEEE-1588）中GOOSE和SV报文为2层以太网报文，MMS 采用3层IP报文传输，IEEE-1588报文既可以采用2层以太网报文也可以采用3层的IP报文传输。GOOSE报文根据用途还可以分为快速GOOSE报文和常规GOOSE报文。快速GOOSE报文多用于断路器的跳/合闸控制和闭锁，常规GOOSE报文多用于传输刀闸节点位置或保护动作信息；SV 报文同样可以分为2类，用于保护控制的快速SV报文和用于测控装置的常规SV报文。
采用多协议标签交换（MPLS）是业务流识别的技术核心。多协议标签交换（MPLS）是一种用于快速数据包交换和路由的体系，它为网络数据流量提供了目标、路由、转发和交换等能力。具有管理各种不同形式通信流的机制，能将IP地址映射为简单的具有固定长度的标签，用于不同的包转发和包交换技术。在MPLS中，数据传输发生在标签交换路径（LSP）上。LSP是每一个沿着从源端到终端的路径上的结点的标签序列。现今使用着一些标签分发协议，如标签分发协议（LDP）、RSVP或者建于路由协议之上的一些协议，如边界网关协议（BGP）及OSPF。因为固定长度标签被插入每一个包或信元的开始处，并且可被硬件用来在两个链接间快速交换包，所以使数据的快速交换成为可能。
具体报文识别如下：
a.识别快速GOOSE流（跳/合闸、闭锁），并赋予1类标签。
b.识别快速SV报文流，并赋予2类标签
c.识别常规GOOSE流，并赋予3类标签
d.识别常规SV报文流，并赋予4类标签
e.识别MMS报文，并赋予5类标签
f.识别1588报文，并赋予6类标签
3.1.2业务流到逻辑子网的映射
智能变电站内各类业务映射到6个逻辑交换网络，分别是快速GOOSE交换网络，快速SV交换网络，常规GOOSE 交换网络，常规SV交换网络，MMS逻辑交换网络，IEEE-1588逻辑交换网络。
接入层设备解析变电站SCD文件，获取交换机网络拓扑结构、端口配置、业务流对应的报文订阅关系，将报文标签号与逻辑子网标签号进行映射。
3.1.3逻辑隔离
交换机通过MPLS和逻辑交换网的映射，实现逻辑子网的相互隔离，一种类型报文的流量骤增不影响其它类型报文的正常传输。逻辑子网隔离功能为“多网合一，共网传输”提供了可靠的技术保证。
图3-2逻辑子网隔离示意图
智能交换机为IEC61860变电站各类通信业务预分配了不同的交换资源和传输带宽，将单一物理网络划分为若干个相互隔离的逻辑交换网络，既满足了各类业务本身对传输网络的性能和可靠性要求，也保证了共网传输时各逻辑交换网
中国科技期刊数据库 工业C
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络的安全隔离，同时还具备全网精确时间同步、维护简单等优势。
交换机通过解析SCD 文件，智能识别接入平台的IED 设备，设备迁移时能自动识别及切换链路，无需人工配置，另一方面由于业务流的识别和逻辑子网的映射是自动完成，不需人工介入，因此也就不再需要进行交换机的VLAN 配置。
3.2 报文定向传输
智能变电站中的报文类型是确定的，包括MMS 、GOOSE 、SV 、时间同步报文四种，其中涉及二次回路的GOOSE 和SV 报文具有唯一标识和重要的通信参数，即每条报文具有明确唯一性的自描述，可以被精确识别；智能变电站SCD 文件包括了每条GOOSE 和SV 报文的发布者-订阅者关系，即虚拟连线。交换机通过解析SCD 文件可以获得变电站各个报文间的交互关系，具有严格的规范性和确定性。
虚端子连线信息储存在SCD 文件当中，通过解析SCD 文件，形成IED 发送配置转发表和IED 接收配置转发表，智能交换机将物理连接关系与虚拟连接关系对应起来，就能形成报文端口到端口的确定性交换，达到“点对点”的定向传输效果
图3-3 网络报文定向传输示意图
网络组播GOOSE SV 报文在智能化过程层网络内的“点对点”定向传输，大大减少网络流量和不必要的报文处理资源，同时加以流量优先级控制，可将报文按类型和属性设置优先级队列，具有绝对优先级功能，能够提高基于网络交换的关键应用，抑制网络风暴，提高网络的可用性。
3.3 报文延时可测
智能变电站继电保护采用“网采网跳”模式最大的障碍在于，跨间隔保护采样数据的同步性必须依赖于外部时钟，当失去外部时钟或外部时钟出现故障时，跨间隔保护将退出运行。在“网采网跳”模式中，采样数据报文的传输依赖于交换机，而报文在交换机内的传输延时是不确定的，因此当外部时钟失去时，保护装置无法判断采样数据是否同步。
通过交换机报告传输延时的方法可以解决这个问题，原
理是将每次的交换延时ΔT 累加并写入SV 报文内，保护装置可以依赖本地时间基准还原收到的多个间隔的采样数据的发生时刻，完成采样值的同步处理，其原理等效“直采”模式，体现了采样数据“谁使用谁同步”的基本原则。
由于智能站过程层网络报文的特点，以及基于继电保护应用功能的交换机的特殊功能，使得原来分属于不同领域的技术描述：报文的发布订阅关系、交换机的交换路由、继电保护二次回路有机的统一起来，这三者可用传统的继电保护二次回路的方式进行管理，确定性交换技术的交换机就是这种管理的载体，实现了基于功能的报文点对点的数据传输。
a.“点对点”的网络报文交换
计算ΔTA=Tc-Tb
图3-4网络报文延计算方式示意图
报文的确定性交换可让保护装置知道报文传输延时，实现采样不依赖外部时钟的同步，有利于保护从直采直跳像网采网跳过渡，在不降低系统可靠性的前提下简化二次接线。
4 结语
交换机通过解析SCD 文件，实现报文的线速精确识别，免VLAN 的逻辑隔离，组播报文的定向传输，网络报文延时的可测，能构建具有即插即用功能的过程层网络。网络能智能识别接入平台的IED 设备，设备迁移时（如改变接入或接口）能自动识别及切换链路，不需对交换机进行VLAN 配置。网络组播GOOSE SV 报文在交换机内 “点对点”定向传输，能提高如同期合闸、站域保护控制等功能的实时性。能抑制网络风暴，提高网络的可用性。报文的确定性交换能使保护实现可靠的网采网跳。
参考文献
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