延时可控交换机在智能变电站中的应用和测试分析

张 文，张保善，左群业

(许继电气股份有限公司，河南许昌 461000)

延时可控交换机在智能变电站中的应用和测试分析

张 文，张保善，左群业

(许继电气股份有限公司，河南许昌 461000)

0 引 言

智能变电站发展过程中，已经经历了数字化变电站、智能变电站和新一代智能变电站3个阶段。新一代智能变电站建设中要满足《智能变电站技术导则》[1]的要求，即采用先进、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。

智能变电站建设中常用的组网方案参见文献[2-4]，新一代智能变电站采用的方案是SV和GOOSE共口直连，不经过交换机，该种方式下可以不依赖对时保证数据传输的可靠性，但是采样值数据无法实现共享。采用SV和GOOSE共网模式时，可以实现数据的共享，GOOSE跳闸的可靠性已经在实际工程得到验证，但是由于延时的不确定性，SV数据的同步必须依赖对时系统，不满足保护装置应不依赖于外部对时系统实现其保护功能的要求。采用延时可控交换机后，可以解决SV组网模式下依赖外部对时的问题，既保证了数据传输的可靠性，又可以实现采样数据的共享。

目前智能变电站遵循IEC 61850标准的“三层两网”通信体系[5]，其中由过程层网络负责传输智能开关相关的状态量、 控制量以及电子式互感器采集的模拟量。站控层网络主要传输 IEC 61850 服务映射的MMS报文、网络对时报文。 “三层两网”已经在实际工程中普遍得到应用，本文重点对“三层一网”(过程层、间隔层和站控层统一组网)模式下数据传输可靠性、主要性能指标和各种异常进行了应用和测试分析。

1 采样数据同步分析

1.1 数据隔离分析

智能变电站网络报文中大体可以分为单播、多播和广播，单播报文包含有MMS、SNTP等，多播报文包含有SV、GOOSE、1588等，广播报文主要是ARP。工程应用中常采用VLAN、静态组播和GMRP进行不同数据的分组和过滤[6]。报文进行分组过滤后，可以将SV数据进行对应端口转发和隔离，但是由于交换机数据转发和通信协议栈传输延时的不确定性，当SV采样数据的传输延时未在报文中进行标记时，保护装置无法进行精确的数据同步处理。

采用延时可控交换机进行组网后，交换机可以进行精确的延时控制和补偿，通过交换机精确计算SV报文在交换机内的驻留延时ΔT并写入SV报文内，保护装置利用MU固有延时和链路驻留总延时ΔT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。

1.2 延时标记方式

T1为收到以太网帧第1个bit时的时标，T2为发出以太网帧第1个bit时的时标，计算出的ΔT=T2-T1写入SV报文中。对于延时标记的信息在SV报文中的位置有两种做法：

①ΔT写入9-2报文的两个保留字段Reserved1、Reserved2[7]。

②ΔT写入9-2报文MU固有延时的品质位。

采用这两种标记方式时，都可以将MU固有延时和交换机转发延时分别进行考核和测试，不会影响原有SV数据。对比两种标记方式，当采用方式①时，进行标记的位置固定，交换机可以快速实现报文解码，不影响交换机的性能指标，但是Reserved字段在IEC/TS 62351-6[8]中已经作为安全性使用，推广应用时会与标准产生冲突。采用方式②进行延时标记时，交换机需要加载智能变电站中的全站SCD文件，根据SCD文件中配置的每组SV发送信息识别固有延时的品质位的位置，从而实现延时的准确标记，而又不影响交换机的性能。由于方式②不会与标准产生冲突，交换机性能与采用方式①标记时一样，因此进行应用测试时，交换机和保护装置都是按方式②进行测试和应用。

2 交换机主要性能测试

延时可控交换机的单网典型测试环境如图1，两台交换机通过千兆口级联，站域保护也是千兆口直接接入网络，母线保护间隔按小于9个间隔进行配合测试，单一端口有效SV流量小于100Mbit/s，使用百兆网口接入网络，其它保护装置和合智一体装置通过百兆网口接入网络。

图1 单网典型测试环境

2.1 延时标记精度测试

2.1.1 单端口延时精度

合智一体装置通过两个端口发送同样的SV数据，一端口接入交换机，另一端口接入高精度网络分析仪，网络测试仪通过交换机某一端口分别施加0～100Mbit/s背景SV数据流量，通过高精度网络分析仪测试交换机其他所有端口转出SV数据的延时标记精度，如表1所示。

表1 单级交换机时延精度

测试过程中，分别在常温和高低温下对于同一交换机、级联交换机和千兆交换机的延时标记精度均进行了详细测试，88字节(2通道)、152字节(10通道)、232字节(20通道)、584字节(64通道)长度的SV，交换机驻留时间精度最大为400ns；且在上述长度报文99%的网络带宽下，交换机驻留时间精度不大于400ns。除了测试正常运行过程中延时标记精度，还对交换机断电和上电过程中SV数据延时标记正确性进行测试，解决了交换机刚上电时延时标记不正确，导致保护装置误告警的问题。

2.1.2 多端口汇聚延时精度

6个合智一体装置接入同一个交换机，再施加80组GOOSE，测试汇聚到同一个端口转出后的延时标记精度和离散性。测试时，在启用绝对优先级模式下，网络延时最大值为300 μs，交换机延时标记精度最大为400 μs，与单端口延时标记精度一致。

2.2 配置文件识别

交换机的网络报文转发路由表根据全站SCD文件自动生成，所有报文按实际工程应用进行数据的转发和交换。

测试过程中，交换机各个端口转发的数据必须保证与SCD文件配置的GOOSE和SV数据一致，自动识别无效的GOOSE和SV信息，并进行丢弃处理，仅对有效数据进行延时标记和转发。根据SCD文件自动生成的内部配置文件，可以对网络中的数据流量进行更加精确的控制，保证了有效数据更快速和高效的转发处理，缩短交换机驻留时间，抑制无效数据，降低网络风暴下对正常网络传输的影响。

2.3 内部自检

智能变电站中采用网络进行采样数据传输和跳闸方式时，交换机作为智能变电站通信网络的核心元件，承担着数据汇集和交换的任务，其性能异常往往引起报文传输延迟标记不正确或报文丢失等，影响保护、测控和稳控等设备的正常工作。因此交换机应有完善的自检的机制，并按照IEC 61850标准建模[9]，能通过MMS报文上送到监控后台。交换机自检信息应包含如表2所示。

表2 延时可控交换机自检信息

3 组网模式分析

3.1 典型组网应用

新一代智能变电站建设中，上海叶塘智能变电站已经采用保护装置进行直采直跳，其他的测控、网络分析、录波和站控层MMS数据等均是通过共网方式实现。在该种组网模式下，将交换机更换成延时可控交换机后，如图2，可以精简直连部分的光纤连线，实现所有数据的共网，同时又不依赖外部对时。

图2 MMS、GOOSE和SV共网结构

在该种组网方式下，精简了二次设备的网络结构，保护、测控、录波等二次设备进行SV采样时，仅需一根光纤接入，根据合智一体装置的采样延时和交换机标注的延时进行数据的同步采样。对于跨间隔保护，如母线和站域保护，可以使用千兆网口进行数据接入，千兆数据接入在辽宁何家变电站中已经得到推广应用。

3.2 对保护影响分析

采用延时可控交换机进行SV采样和跳闸模式时，能够不依赖外部时钟实现数据的同步和共享。但仍需在实际应用中进行检验，主要存在如下隐患：

① 延时可控交换机采用PTN技术，该类型交换机均是刚研发，现场运行的稳定性和可靠性仍有待考验。

② 交换机在该种组网模式下会参与SV数据的传输和运算，当交换机出现异常后，会导致所有保护装置进行闭锁保护。

③ 保护装置对于该中应用需要进行各种异常处理，实际运行稳定性和合理性需在实际应用中进行检验。

④ 与直采直跳模式相比，保护动作时间会有所损失。

4 保护装置主要性能测试

采用延时可控交换机进行采样数据的传输过程中，每帧数据采样延时均是可变的，保护装置进行采样同步和数据调整时，需要实时解析SV报文中的延时标记进行数据的同步和重采样，跳闸GOOSE、互锁GOOSE和MMS均是通过共网传输，需重点测试在不同网络负荷下对保护动作时间的影响。搭建测试环境时，河北苏正220kV智能变电站的现场运行数据见表3，进行了仿真模拟，考核不同网络负荷下保护的动作时间和信息上送时间。

表3 河北苏正220kV智能变电站运行数据统计表

4.1 保护动作时间测试

分别按照大于表3中的数据流量，分别在网络中施加正常的SV、GOOSE和MMS流量，模拟区内故障，线路纵联保护、母线和主变差动保护和站域保护装置的整体动作时间均小于30ms。采用组网模式进行采样时，由于转发延时和网络延时的不确定性，保护装置需要实时计算链路延时和数据的均匀性，因此组网模式相较于直采直跳模式下，经过对比测试，保护整体平均动作时间会多出约3ms，仍满足电力系统相关标准的要求，保护动作时间数据见表4。

表4 保护动作时间

模拟网络中短时和长时间超过100Mbit的MMS流量数据，保护动作和跳闸功能和性能均正常，仅在施加长时间超过100Mbit的MMS流量时，保护装置会出现与后台通信中断的现象。

模拟SV和GOOSE短时超过100Mbit的数据流量时，保护装置均能正确动作和跳闸，只有长时间模拟SV和GOOSE超过100Mbit数据流量后，保护装置会出现无法正确动作和跳闸，同时提示采样异常。通过装置液晶面板可以实时浏览和查看到SV和GOOSE接收的状态如图3所示。

图3 双网测试环境

搭建双网测试时，双网数据完全独立，重点测试保护对双网冗余和切换的正确性和可靠性。对正常和异常网络情况下进行了如下模拟测试：

① 任一网络中SV或GOOSE数据异常、无效或中断

② 任一网络中交换机断电上电

③ 任一网络出现风暴

④ 时钟异常

进行上述异常模拟测试时，保护和测控装置采样均应正常，不应出现误动作或误告警，只有两个网络均同时出现异常时，保护装置才闭锁保护，同时进行告警提示。如测试过程中，由于保护装置对双网数据冗余处理存在缺陷，模拟某一网络数据的SV出现频繁丢帧，另一个网络数据一直正常，保护装置进行双网SV数据校验过程时，只要出现异常的网络SV数据均匀性大于保护装置重采样延时判定门槛，就导致采样异常，闭锁保护的现象，如图4所示。修正双网SV冗余处理逻辑，即双网SV数据校验时，采用正常网络的SV数据进行重采样，只有双网数据都超过延时判定门槛后才进行异常数据处理。按修改后的逻辑进行各种异常模拟，保护装置采样均正常，不会出现采样异常和误告警。

图4 采样数据异常波形

4.2 网络压力测试

对网络中的MMS、订阅和非订阅的SV和GOOSE报文进行了网络压力测试，在原有网络数据流量的基础上使用网络测试仪对网口施加如下网络风暴报文：

① 施加非订阅GOOSE、SV、ARP、PTP等类型的报文，注入流量100%进行测试，交换机可以将非订阅报文正确过滤，模拟区内故障及与各订阅GOOSE控制块报文相关的故障，保护均能正确动作，并正确上送后台。

② 施加单个或多个订阅GOOSE报文(StNum不变，SqNum不变)，注入流量为1%～100%进行测试，模拟区内故障，保护能正确动作，并正确上送后台。

③ 单端口施加广播报文(ARP、UDP、TCP)，注入流量为1%～100%，模拟区内故障，保护能正确动作，与后台通信会出现中断。

5 结束语

采用延时可控交换机后，可以精简网络机构，解决SV组网模式下依赖外部对时的问题，既保证了数据传输的可靠性，又可以实现采样数据的共享，经过测试和应用分析，能满足电力系统对继电保护的要求。本文重点从“三层一网”组网结构进行了应用和测试的分析，测试了延时可控交换机的最大标记精度为400ns，目前无相关的应用和标准要求，对以后的工程应用和标准制定具有参考意义，可以为以后新一代智能边站建设提供设计参考。交换机作为重要的数据中转单元，必须保证在电磁兼容和复杂工况下延时标记精度和传输速度的稳定性和可靠性，因此可以在110kV智能变电站中进行试点，待技术成熟后进行推广和应用。

[1] Q/GDW 383-2009 智能变电站技术导则[S].北京:国家电网公司，2009．

[2] 樊陈,倪益民,窦仁辉,等.智能变电站组网方案分析[J].电力系统自动化,2011,35(18):67-69.

[3] 邱智勇,陈健民.500kV数字化变电站组网方式及VLAN划分探讨[J].电工电能新技术,2009, 28(4):60-64.

[4] 邱智勇,陈健民,朱炳铨.基于IEC61850标准的500kV 三层结构数字化变电站建设[J].电力系统自动化,2009,33(12):103-107.

[5] DL/T 860.81 ( IEC 61850-8-1 ) 变电站通信网络和系统第 8-1 部分： 特定通信服务映射(SCSM)映射到制造报文规范MMS[S]. 北京：中国电力出版社， 2002.

[6] 王松, 黄晓明.GOOSE报文过滤方法研究[J].电力系统自动化,2008,32(19):54-57.

[7] IEC 61850- 9-2 Communication networks and systems in substation,Part 9-2:Specific communication service mapping ( SCSM )—sampled values over ISO /IEC 8802-3 [S].2004.

[8] IEC/TS 62351-7 Power systems management and associated information exchange-Data and communications security-Part 7: Network and system management (NSM) data object models [S].2010.

[9] 李峰,谢俊,赵银凤,等.基于IEC 61850的智能变电站交换机IED信息模型[J].电力系统自动化,2012,36(7):76-79.

(责任编辑：杨秋霞)

Application and Test Analysis on the Delay Controllable Switch in Smart Substation

ZHANG Wen，ZHANG Baoshan，ZUO Qunye

(XJ Electric Co., Ltd, Xuchang 461000, China)

网络延时的不确定性一直是智能变电站中使用网络采样和跳闸方案需要解决的技术难点，但是保护装置可以利用合并单元固有延时和延时可控交换机计算的链路驻留总延时ΔT还原收到的多个间隔的采样数据的发生时刻，完成采样的同步处理。为了验证延时可控交换机中精确延时算法和传输的精度和可靠性，搭建了组网测试系统，对延时补偿、数据流量精确控制、保护装置的处理等功能、性能和可靠性进行了测试应用分析。最后提出推荐的组网方案和主要的技术指标要求。

网络延时；智能变电站；延时补偿;交换机

The uncertainty of network delay is the technical difficulties in network sampling and trip scheme for smart substation. But the protection device can restore occurrence time of received sampling data at multiple intervals through merging unit inherent delay and the total delay ΔTof spaced link resides calculated by delay controllable switcher, then synchronized sampling is implemented. In order to verify the preciseness of time delay algorithm, transmission accuracy and reliability of delay controllable switcher, a network test system is built to compensate time delay, to precisely control data flow, to deal with such functions as protection device, and to testify and analyze its performance and reliability. In the end, the recommended network scheme and main requirements of technical index are put forward.

network delay; smart substation; time delay compensation; switcher

1007-2322(2015)04-0090-05

A

TM764

2014-09-17

张 文(1984—)，男，工程师，主要从事继电保护及自动化产品的研发测试工作，E-mail:electricwen@163.com;

张保善(1983—)，男，工程师，主要从事电力系统自动化产品开发与测试工作，E-mail:zhangbaoshan@xjgc.com;

左群业(1975—)，男，高级工程师，主要从事电力系统通信及变电站自动化产品开发与测试工作，E-mail: zuoqunye@xjgc.sgcc.com.cn。