过程总线网络设计及交换机的配置与管理

石文江，宋明刚，刘晓阳

(大连供电公司电网调度中心，辽宁 大连 116021)

对于满足IEC61850－9－2标准的智能变电站［1］，其过程总线 (过程层通信)主要由光纤以太网交换机组成，过程总线的合理设计及交换机的可靠配置与管理将直接影响变电站的安全运行，过程总线必须满足稳定的实时性和安全性，并能适应各种应用要求，同时过程总线的标准化设计也有利于智能变电站的推广应用。

1 智能变电站典型配置及信息流

1.1 电子式互感器及以太网设备的选择

智能变电站所采用的电子互感器［2］(EVT、ECT、EVCT)一般为双配置，4路光纤输出，其中保护2路、测量2路以提高可靠性。光学ECT的外观如图1。电磁式EVCT的结构如图2，采用低功率线圈LPCT输出测量 (计量)用电流采样值、空心线圈输出保护用电流采样值、电容分压器输出电压采样值，为保护、测量、计量所共用。

为满足保护的实时性和测量精度，一般EVCT的采样速率很高，常见的是每周波 (20 ms)80个采样值，最高可达每周波480个采样值，因此采样值报文的数据流量很大。另一方面，由于采样值的数据采集和传输需要高度同步，过程总线必然要面对高密度同时突发的数据流。在特殊情况下，IED设备会大量、高密度地重传GOOSE命令和GSSE信息，也会对过程总线造成很大压力。这些因素都会给保护的实时性带来巨大挑战。由于过程总线采用CSMA/CD以太网，作为一个冲突域的集线器(Hub)不能在此应用，必须选用支持802.1p(优先级)和802.3q(VLAN)的百兆二层以太网交换机。

图3 智能变电站的典型配置图

1.2 过程总线信息流描述

目前，国内满足IEC61850－9－2的智能变电站的典型配置见图3。

图3中的EVCT通常采用IEC60044－8(电流)、IEC60044－7(电压)串口固定格式信号与合并单元 (MU)通信，EVCT和MU均采用PPS光脉冲对时和IEEE1588高精度网络对时［3］，以实现采样值的高精度同步采样和传输功能。合并单元通过过程总线向保护、测控、计量表计等装置发送采样值报文 (电压、电流等，以太网帧类型0x88BA和SAV和SMV报文)，同时它接收来自智能开关 (智能操作箱)或保护装置等发来的位置信息，以实现电压自动切换、电压并列等功能，并确保间隔数据的完整性和一致性。保护和测控发出的跳合闸或电压并列等操作命令 (以太网帧类型0x88B8的GOOSE报文)、智能一次设备发出的状态信息 (装置异常、闭锁、告警等)及部分联闭锁信息等GSSE报文形式均需在过程总线上进行收发。还有部分IED设备的自描述文件、物理设备的自检信息、网卡“宣告”数据等也要占用过程总线的带宽。

在一次设备与二次设备之间采用的物理通信链路为62.5/125 μm的多模光纤 (ST接口)。由于光纤接口多次插拔会严重影响接头的质量，因此保护室等电磁屏蔽较好的环境宜采用交换机的电口进行通信，同时也省去了大量的短距离光缆、融纤盒和尾纤跳线等，通信可靠性大大提高。当然至现场的通信应该全部采用光纤，以充分利用光缆优良的抗电磁干扰和远距离数据传输的能力。

1.3 过程总线信息流分类

智能变电站的总体结构可概括为“三层”——站控层、间隔层、过程层，“两网”——站控层网络 (站总线)、过程层网络 (过程总线)。为了便于信息的分流和安全管理，“两网”应可靠隔离，站控层对外应通过1个共同的安全网关［4］。过程总线采用“发布/订阅”的方式进行信息传递，可分为只发不收 (仅发布)、收发双向 (发布/订阅)2种方式。在具体实现形式上，主要采取单播和多播的以太网报文，单播主要对应“收发双向”的信息传输方式，多播主要应用于“只发不收”的信息传输方式。根据IEC61850－9－2标准，SAV/SMV的多播地址范围为:01－0c－cd－04－00－00到01－0c－cd－04－01－ff;GSSE的多播地址范围为:01－0c－cd－02－00－00到01－0c－cd－02－01－ff;GOOSE的多播地址范围为:01－0c－cd－01－00－00到01－0c－cd－01－01－ff。单播和多播在MMS(制造报文规范)中通过数据控制块进行区分，如单播USVCB、多播MSVCB。

表1 以太网帧结构

2 过程总线网络流量计算及组网原则

2.1 以太网报文结构及传输时延计算公式

以太网报文结构如表1所示:

表中:Length=m+8，其中m为APDU的长度。PAD为报文不够最小长度 (1 521)时的填充字节，LPAD=1 521－38－m，一般 m＜1 480，即LPAD＞3。根据IEC61850－9－2标准，TPID固定为0x8100。TCI的第1个字节的前4位为优先级，4～7为高优先级，1～3为低优先级，优先级1为未标记的帧;第5位为CFI，由于过程总线无路由，故CFI=0;TCI的第1个字节的后3位及第2个字节为VID，用于标识VLAN，缺省值为1，取值范围为1～4 094。

由于过程总线的核心设备是二层以太网交换机，冲突域在交换机端口和IED设备之间，存在不确定时延问题和报文丢失的可能性，其关键影响因素是突发的报文流量。为了将时延降低到可忽略的程度，需要保证 SAV采样值的时延 ＜4 ms，GOOSE报文的时延＜2 ms。

交换机传输时延计算公式如下:

式中:Dq为等待时延;Nq为交换机缓冲区帧个数;96为最小间隙比特数;Lk为第k帧报文的长度;t为交换机时延。

2.2 采样值报文流量计算

对于百兆交换机，t=0.01 μs，由于1个SAV采样值APDU字节数＜64(通常为3相+中性点的电压、电流，即8种信号及7字节时标、采样频率、采样计数等数据)，1 521字节的以太网帧可打包每周波480采样点中的23组数据 (1 521/64，时间长度为23×20/480=0.96 ms)，因此Lk帧报文长度可取为1 521字节，由此得出1个合并单元的网络传输时延为Dq=16.17 μs，考虑SAV采样值时延 (＜4 ms)中还必须包含“合并单元的采样、滤波、组织报文、发送报文的时延 (约960 μs)”+网络传输时延 +“IED接收设备的解码、MAC过滤、二次采样、生数据处理 (计算)的时延 (约2 000 μs)”，在剩余的1 ms时间内，百兆交换机可传输60台 (1 000/16.17)合并单元的SAV数据。同样的分析也适用于SMV采样值传输，但SMV的时延要求＜100 ms，冻结和释放响应时延＜10 ms，因此对于百兆交换机完全可以满足要求。由于对时报文需要在ms级整点上出现，如果在SAV所在VLAN中传输对时报文，会不可避免地产生强冲突，且需要合并单元负责采样值传送任务的网络适配器同时还要负责对时报文的处理，这样会对实时性造成很大的不确定性，所以网络对时和SAV报文应分网传输。

2.3 GOOSE命令及GSSE状态信息流量计算

根据 IEC61850－5 附录 I［5］中的网络性能测算，对于T2－2大型变电站 (18个间隔、5条母线、2台变压器)发生严重故障的情况下，单网最大流量为1 748 kB/s，10/100M交换机4 ms内可传送100个报文。对于GOOSE的时延＜2 ms的要求，百兆交换机是完全胜任的，因此 GOOSE、GSSE(GSE)、联闭锁、装置自检及自描述配置文件等过程总线信息的传输可以在同1个VLAN中进行，但需要对不同类型的信息进行严格的优先级划分。考虑到几乎所有的过程层和间隔层IED设备均需接入GOOSE VLAN中，因此IEEE1588网络对时报文最适宜在这里传输。

2.4 过程总线VLAN划分

对于重要的或超过30个间隔的大型变电站，SAV和SMV采样值可分别划分独立的VLAN，以便母差等功能灵活实现;对于10～30个间隔的中型变电站，SAV和SMV采样值可合到1个VLAN中进行传输;对于小于10个间隔的小型变电站，所有信息按优先级和多播地址在1个VLAN中传输。

在1个VLAN中，需要对不同数据源进行单播或多播的配置。多播功能的实现靠IED的配置(多播MAC地址的绑定)，VLAN功能的实现靠交换机的配置 (VLAN的划分)，但它们的基本功能相同，均用于提高数据的传输效率和进行信息的有效隔离。根据IEC61850－9－2标准，过程总线主要采用单播、多播、优先级等设置进行信息的优化传输，VLAN的划分作为辅助手段。

3 过程总线的组网方案

3.1 集中组屏方案

过程总线按间隔分散组屏是目前智能变电站所采用的常见方式，其优点是实物层面上的间隔界线清晰，缺点是过程总线交换机之间需要通过光缆、隔纤盒、尾纤进行连接，施工量大且通信可靠性不如尾纤直接连接和采用屏蔽双绞线的连接。每台交换机需要对不同组端口进行VLAN划分，交换机配置工作复杂，如果出错还将对变电站的安全运行造成很大的影响，且在交换机更换、维修、扩容时需要作严格的网络测试才能将新交换机投入运行，即间隔交换机的维护技术复杂且危险因素多，因此供电公司的运行维护人员很难承担，势必造成依赖厂家的情况发生。为此过程总线应采用集中组屏，以简化交换机的配置，如每台光纤交换机设置为1种类型的VLAN，少数需要多VLAN划分的交换机宜在高性能的电口交换机上实现。考虑未来应用功能的扩展，按间隔组屏时每个间隔的交换机均需要预留一些光口，因此按集中组屏方式比间隔组屏的交换机需求数量相对要少。

集中组屏还能简化综合布线和灵活实现各种应用，在具体布置上可采取屏的下方为光纤终端盒，上方为光纤交换机，中间为电口交换机。将电口交换机用于保护室内IED设备的连接，可使网络在线监测功能、IED设备更换或检修时的试验工作容易进行。

3.1.1 重要或大型变电站的过程总线设计方案

根据上述分析及变电站的可靠性要求，对重要或大型变电站过程总线采用“双网双配”，中小型变电站采用“单网单配”。为了便于维护和使用，交换机按端口划分为3个VLAN:SAV(保护、自动装置等，VID设为1001)、SMV(测量、计量等，VID设为1002)和GOOSE(命令、状态、闭锁、文件传输等，VID 设为1 003)［6－7］，在每个VLAN中按电压等级和数据类型进行多播规划，通过VLAN和多播、单播相结合来保证双重的网络安全及信息的有效隔离，采用不同类型数据的优先级划分来保证重要数据的实时性。具体的设计方案如图4。

图4中虚线在没有SAV、SMV、GOOSE数据混合应用需求的情况下是可以断开的，这时过程总线变成分网并列运行的3条总线。如果保护和测量共用ECT、EVT的数据，如采用Pockels光学ECT，SAV VLAN和SMV VLAN的合并应用是可行且必要的，这样VLAN的划分就变成了2个，即SV VLAN和GOOSE VLAN，总线结构将大大简化。

3.1.2 小型变电站过程总线设计方案

对于小型变电站，所有信息均在同1个VLAN中传输，SAV/SMV采样值及装置自检等GSSE信息应合并在同1个合并单元中，由1个网络适配器按优先级6(SAV)/4(SMV)/3(GSSE)发送，SAV传送周期短、优先级高，传送时将被排在最前面，以保证其实时性和可靠性。具体的设计方案如图5。

3.2 按间隔分散组屏方案

对于按间隔组网的过程总线，端口的VLAN划分需要在1台交换机上进行。为了组网的方便，间隔内宜采用光纤交换机在公共信息网络中扩展电口交换机。但由于需要生成1个能够访问所有间隔数据的VLAN，以减少母差、故障录播等装置的网络适配器的数量，单纯依靠Trunk、Access 2种接口无法满足要求，而华为公司的Hybrid技术可以妥善解决这一问题，利用H3C 3610交换机进行实测，性能安全满足智能变电站过程总线的应用要求，且信息隔离效果很好，除了母差等IED设备需要硬件MAC地址自动过滤器外，在间隔交换机上直接连接的IED设备只需采用常规网络适配器。其缺点是交换机的配置较为复杂，光缆需要量大。

图4 重要或大型变电站的集中组屏网络方案

图5 小型变电站的过程总线设计方案

支持802.3q交换机的Trunk口能够根据配置要求将多个VLAN ID的数据转发至另1台交换机，但由于以太网帧带有VLAN tag标签，因此无法为IED设备的网络适配器所识别。交换机Access端口为终端接口，出口数据将自动被去除VLAN tag标记，入口数据将被自动打上该端口所属VLAN的tag标签，因此它通常用于连接IED设备，当然也可以接交换机 (相当于扩展端口)，但1个Access端口仅能属于1个VLAN。而Hybrid端口可实现1个VLAN和多个VLAN的互访或单向传输功能，即该端口可以根据配置将属于多个的VLAN出口数据去除tag标签，将入口数据打上Hybrid端口所在VLAN的tag标签，这样既能实现数据的隔离，又能满足信息共享的要求。具体的设计方案如图6。

图6 按间隔分散组屏的过程总线设计方案

图6中的间隔交换机采用16口光纤交换机，S－SW及G－SW等公共交换机可采用带有扩展千兆光口的24电口交换机，以节省成本及方便检修、调试与管理。其中合并单元SAV与SMV采样值信号通过合并单元的1个网络适配器进行传输，采样值由间隔至SV VLAN单向传输;合并单元的网络对时、状态信息及自描述文件的传输任务由合并单元的1个独立的网络适配器完成，对应于GOOSE VLAN，配置为双向传输。

4 交换机的管理

过程总线交换机的配置文件应妥善备份，纸质说明材料应在变电站留有1份。更换交换机时，首先应核对新老软件版本是否配套，如是否支持802.1p、802.3q、STP协议等;其次对新交换机按旧交换机的配置文件进行恢复;再次新交换机在接入IED设备前，应进行网络测试，如VLAN的隔离效果、聚合Trunk口的连通性、与在运交换机的通信速率和协商配合等。

交换机管理的1个最重要的任务是防止在日常运行维护中破坏过程总线数据的有序传输，如在采样值网络 (SAV/SMV)中采用高优先级装置进行配置文件的上传或下载，打乱了需精确同步传输的采样值的实时性和顺序性，甚至导致采样值的丢失;再如在GOOSE网络中接入未经严格测试的保护设备 (IED)，由于多播地址等配置错误而发生误跳闸事件，又如站总线和过程总线未经严格隔离，导致上层大量以太网报文涌入过程总线，而可能发生各种异常现象等。

过程总线二层网络交换机还要防范MAC泛洪和环网风暴的发生。MAC泛洪主要是指交换机的内容可寻址存储器 (CAM)被占满，导致多播失去选择性，交换机退化为集线器，交换性能急剧下降，这时信息传输将没有实时性。产生MAC泛洪的主要原因是过程总线遭受网络病毒和网络攻击;其次是使用不当或应用程序设计问题，如频繁改变网络接线，应用程序不断改变其通信程序的源MAC地址或目的MAC地址。环网风暴是指交换机之间存在环网连接，在没有启用快速生成树(STP)协议时，多播数据被大量重复传递，从而耗用大量的网络带宽，导致有效数据难以实时传送。产生环网风暴的主要原因是日常使用维护不当，如聚合口Trunk被错误地配置为2条独立的Trunk，交换机之间被错误级联而形成环网，需要环网运行时没有先启用快速生成树 (STP)协议等。

过程总线的网络安全是十分重要的，必须进行严格的身份认证、授权访问控制和有效的入侵检测，同时还要防范网络病毒和黑客的侵犯。通常不宜在过程总线上使用 Windows操作系统的 IED设备。

5 展望

智能变电站IED设备的MAC地址 (单播、多播)的统一规划是十分重要的［8］。由于过程总线除了要满足PDIS距离保护、PBDF母差等变电站内部通信要求，还要满足RCPW纵联保护、CPOW检零开关控制器等逻辑节点与对端变电站交换电流、电压信息等的需要，因此过程总线还需要考虑远程变电站过程总线的接口 (IF2)，所以至少应在1个省级电网范围内实现多播地址的规划，并严格体现在各变电站SCL配置文件和各IED设备的自描述文件中。

［1］ IEC 61850－9－2，Specific Communication Service Mapping(SCSM) －Sampled Values over ISO/IEC 8802－3［S］．

［2］ 邢立功．数字化变电站中保护装置与电子式互感器的接口方式 ［J］．电力系统自动化，2008，32(16):94－97．

［3］ 谢 黎．数字化变电站中高精度同步采样时钟的设计［J］．电力系统自动化．2009，33(1):61－64．

［4］ 王德文．数字化变电站中的通信网关［J］．电力系统自动化，2009，33(4):53－56．

［5］ IEC61850－5，Communication Requirements for Functions and Device Models ［S］

［6］ 王 松．数字化变电站继电保护的GOOSE网络方案 ［J］．电力系统自动化，2009，33(3):51－54．

［7］ 唐成虹．基于IEC61850标准的新型变电站防误系统［J］．电力系统自动化，2009，33(5):96－99．

［8］ 童晓阳．基于IEC61850标准的变电站二次系统精细化管理探讨 ［J］．电力系统自动化，2009，33(22):44－48．