配网自动化交换机研制

刘筱萍 杨贵 彭安 潘磊 李莉

摘 要：从配网自动化网络传输报文的特点出发，对交换机的传输带宽、存储转发延时、强电磁干扰下的零丢包、环网自愈时间、网络安全控制、流量分类控制、机箱结构等方面进行需求分析，提出了一种适用于配网自动化网络的交换机研制方案。

关键词：配网自动化;卡轨式;交换机

中图分类号：TM769：TP393

文献标志码：A

随着配网自动化系统的不断推广应用，针对配网自动化终端接入的通信网络也随之得到发展。目前，配网通信网络有三种通信模式可供选择：PON网络、以太网交换机网络、GPRS（ LTE）无线网络[1]。

PON网络在国网推广比较普遍，由于采用分光器实现各级ONU设备的接入，具有ONU退出不影响其他设备通信的天然优势。但OLT设备成本较高，当接入配网终端数量较少的时候，性价比不高。同时PON技术在OLT、ONU设备实现上面各厂家不兼容、无法实现环形网络架构、通过OLT双变电站通道热备成本增加等问题，导致上海、浙江等发达地区采用以太网交换机组网方式实现配网终端设备接入。

以太网交换机是目前规范性最好的通信设备，各厂家产品互联互通性好。用于实现配网终端接入采用环型或者串型网络结构，不存在两个变电站接入问题和单台设备成本过高的问题，因此具有结构清晰、成本可控的优势，与PON组网结构比较不足之处在于单台交换机故障会导致环网解链，无法抵御第二台交换机故障的问题。

GPRS（LTE）无线接入方案的优势在于无需考虑光纤布线的问题，采用无线接入投资成本低，建设周期短。但是采用无线接入不可避免的易受外界电磁干扰等情况的影响，同时由于无线传输的通道开放性，导致信息传输安全性无法得到保证，根据《电力监控系统安全防护规定》要求，采用无线通信方式不能传输遥控命令等信息，因此，在具有遥控功能的配网应用场景下，GPRS（LTE）无线组网方案的使用受到了限制。

1 配网自动化的网络架构

采用交换机构成配网通信网络结构[2]示意图如下所示。

汇集交换机放置在110 kV变电站中，与卡轨交换机一起构成配电终端交换机网络，对上接入配网主站，对下接入配电终端设备DTU、FTU。当具备环网组网条件时，卡轨交换机与汇聚交换机一起构成环网结构。当不具备条件的时候，采用串行网络架构。对于个别分叉引出的支线配电设备，通过环网交换机的一个端口直接接入。2配网自动化网络报文分析

配網自动化系统传输104规约报文和GOOSE报文。104规约报文用于与配网终端与配网主站之间进行。GOOSE报文用于传输DTU/FTU之间的信号量等信息

2.1 104规约报文分析

104规约属于问答式异步通信方式[3]。104规约的核心部分ASDU引用服务数据单元直接从101规约继承得到。报文采用TCP/IP应答方式进行数据传输，采用了ISO模型的1、2、3、4、7层协议。

配网主站与DTU/FTU之间传输的报文种类包括遥控、遥信和遥测命令[4]。通过电力专用传输网开通的El通道进行传输，每个DTU/FTU与主站之间的通信带宽只有几十kbps的数据流量。但是，当配网自动化传输遥控命令时，需要再配网终端设备和配网主站之间增加电力专用加密装置进行遥控命令加密。

2.2 GOOSE报文分析

GOOSE报文主要用来传输状态变位信息或控制命令等信息。平时在网络上的报文流量很小，基本可以忽略，但是当发生故障时将出现短暂的流量徒增，最大总流量可达到30Mbps的突发流量，每路GOOSE报文流量小于2Mbps。GOOSE报文本身没有时序的要求，因此，对组网带来的延时抖动并不敏感。为了确保GOOSE突发时报文能够有效的传输到接收端，需要确保网络具有足够的带宽能够传输报文而不应产生报文丢失。

为了确保GOOSE报文突发流量的可靠传输，在组网时应保证网络预留足够的带宽来确保突发时的流量要求。

2.3 小结

从上面分析可以看出，104规约报文和GOOSE报文流量均不大，当发生故障时GOOSE报文会有突发性的流量增大。采用无线通信方式时无法满足GOOSE报文传输带宽、时延等方面的需求，同时根于《电力监控系统安全防护规定》规定，无线通信方式不得进行遥控等命令传输，因此，无线通信模式智能进行遥信和遥测等信息的传输。采用PON技术进行传输时可以满足104规约报文和GOOSE报文的传输，在国网领域获得了广泛的推广应用，但是由于成本等其他问题，个别重点配网区域，例如，浦东新区A+配网等采用交换机进行配网终端网络建设。与PON技术相比，交换机同样可以满足配网组网要求，具有组网灵活，成本可控的有点，同时，目前的交换机无法达到两台及以上交换设备退出而不影响信息传输的问题，需在配网交换机设计时考虑解决。

3 配网自动化对交换机需求

配网自动化交换机主要安装于户外就地柜内，因此，运行环境比较恶劣，对于交换机的电源、存储转发时延、工作温度范围、吞吐量、EMC性能、无源光切换等指标提出了新的需求。

3.1 电源

配网自动化中一般采用直流电源，交换机需要适应配网自动化的电源供电方式，由于在配网自动化中一台交换机要连接开关柜本地的多个设备，一台交换机的电源故障将导致环网断链和设备通信中断，所以交换机需要考虑双电源供电，双电源热备用方式同时工作，要保证任何一路电源掉电交换机不间断的正常运行。

3.2 环网恢复时间

配网自动化多个开关柜或柱上开关的交换机构成环网网络结构，由于环网规模较大，会导致交换机的级联次数较多，采用RSTP环网协议组网时，需要尽量降低每级交换机的环网恢复时间，实现快速从故障中恢复。

3.3 工作温度范围

配网自动化交换机一般安装于开关柜或柱上开关中，运行环境与当地的温度环境一致，因此，要求交换机既要适合热带高温运行环境，同时也要适应极寒的低温运行环境。交换机在高温下运行时，其相关元器件的老化速度加快，将严重影响其性能和使用寿命，因此，交换机必须采用适当的无风扇自冷散热技术，使得交换机能够在-40℃～+70℃的温度范围内长期可靠的工作。

3.4 吞吐量

配网自动化网络报文具有长度不固定，具有突发大流量的特点。要求交换机对任何字节长度的报文的吞吐量需要都能达到100%。有些交换技术对某一字节长度的报文的吞吐量达不到100%，从而导致这个长度的报文的传输的可靠性下降，影响变电站的正常运行。

3.5 强电磁干扰下的零丢包技术

配网自动化交换机直接安装在开关柜内或柱上开关中，运行状况下会产生和遭受各种电磁干扰，例如高压电气设备的操作，低压交直流回路内电气设备的操作，短路故障等所产生的瞬变过程，电气设备周围的静电场和磁场、雷电、电磁波辐射、人体与物休的静电放电等。这些电磁干扰会对交换机的通信数据的转发产生影响，导致交换机转发的报文中某些字节出错，使得链路层的FCS校验出错，从而丢失整帧报文。报文的丢失会导致开关量丢失、跳闸延时，严重影响配电网的可靠安全运行。在强电磁干扰的情况下交换机必须实现零丢包技术，以满足配网自动化的需求。

3.6 无源光路切换

为了解决两台及以上的交换机故障退出导致环路通信中断，在交换机环网端口设计时采用无源光路切换电路实现。当交换机正常工作时，开启RSTP环网功能;当交换机异常闭锁或直接掉电，光开关切换将输入和输出光纤直接互联，实现光纤的直接对接，将故障交换机旁路，实现故障交换机退出情况下依然处于环路工作状态。

4 交换机的整体方案

4.1 硬件方案

交换机的硬件架构由CPU管理模块、数据交换模块、延时累加模块、物理接口模块、电源模块和复位模块及其他一些外围电路构成。基本框架如下图所示：

1）CPU管理模块

CPU管理部分是管理型以太网交换机不可缺少的部分。CPU通过数据交换模块的PCIe（或SPI）接口完成对数据交换模块的初始化配置和后续管理。存储芯片采用64MB存储空间的并行FLASH和2MB的串行FLASH构成。DDR由多片DDR芯片并行工作构成32bit的数据宽度。使用CPU芯片自带的网口和UART串口构成交换机的CONSOLE维护口。RTC模块与CPU之间通过I2C总线进行通信，为交换机提供时间信息。

CPU：CPU具有高速的处理速度并提供了丰富的外围接口，提供32位的DDR存储器控制器、PCIe接口、I2C接口、MII接口、外部擴展总线接口、SPI接口、GPIO等。

存储：CPU管理部分包含三种存储芯片：DDR、NOR flash（串行闪存）和NAND flash（并行闪存）。DDR为系统运行内存，flash芯片存放固化的软件系统和Boot启动系统，其中，NOR flash存放系统的引导代码，系统从这里启动;并行闪存存放系统的主程序，同时存放系统配置文件、日志文件等。

CONSOLE： CPU芯片集成了MII接口和UART接口，UART接口通过外接串口芯片实现RS232接口，为交换机通过串口管理端口，MII接口通过外接物理接口模块实现交换机的带外管理网口。

RTC：RTC通过I2C总线方式与CPU进行通信，为交换机提供时间值，用于事件记录，信息上送打时标等。

2）数据交换模块

数据交换模块一般称为数据交换模块，是构成交换机的核心器件，报文转发、转发规则、VLAN、静态组播、镜像、优先级、端口管理等等功能均有该模块实现。数据交换模块为了达到全部端口线速转发的要求，全部采用硬件电路实现，数据交换模块与CPU管理模块配合实现RSTP、GMRP、GVRP、IGMP Snooping、LLDP、端口安全等等高级功能。数据交换模块的性能直接影响到交换机性能，选型时必须特别注意。

3）物理接口模块

用于实现交换机内部的数字信号到物理链路模拟信号转换，同时用于实现RJ45电口和光纤口，百兆/千兆口。同时根据需要进行无源光路切换功能，当装置失电后，光开关自动联通入口和出口的光纤，将失电装置隔离开的同时，保证环网拓扑结构不变。

4）电源模块

为交换机提供供电电源，实现外部220VDC/AC、24VDC或48VDC电源向内部芯片和电路使用的5V、3.3 V、2.5 V、1.8 V等电压的转换，同时，提供电压监视电路，方便电压检测管理。

5）复位模块

为交换机提供内部电路复位电路，确保交换机在冷启动、软件复位、硬件复位等情况下实现交换机的复位功能。

4.2 软件方案

1）软件架构

该交换机的软件整体结构分为操作系统、SAL（系统抽象层）、API（交换模块的操作接口层）、基本功能模块、高级功能模块、配置管理模块、日志告警模块等几部分，如图3所示。

2）操作系统、SAL、API模块

综合考虑系统稳定性、高效性和可扩展性等因素，交换机的操作系统采用了Linux。

SAL为系统抽象层，提供通用的系统函数封装接口，使得上层的应用程序与操作系统无关，确保程序具有良好的可移植性，为今后CPU或操作系统升级提供了良好的可扩展性。

Switch API层封装了应用功能对交换模块的操作，包括修改端口属性、读写交换芯片各寄存器等，为上层应用提供了简明清晰的操作手段。增加API层使得上层应用程序独立于交换芯片存在，便于上层应用程序的改进和移植，提高了本方案的可扩展性，也便于在今后开发同类产品时应用模块和代码复用。

3）配置管理模块

该模块负责所有参数的显示、配置，可以通过Web、telnet、CLI对交换机进行访问和维护，以满足在不同场合和条件下用户对交换机配置和管理的需要。

4）基本功能模块

该模块主要包括对端口模式、属性的控制管理等。通过改变SWITCH和物理接口模块上相关寄存器的内容设置端口的各项属性，以适应应用需求。

该模块接收来自配置管理模块的功能控制命令，对物理接口模块和数据交换模块的工作模式做设置。同时该模块与日志告警模块接口，对常规配置操作和系统运行异常等情况进行记录。

该模块内部各子模块之间为平行关系，独立运行，可分为以下模块：

（1） PHY模式控制：控制PHY工作模式，包括端口的工作速率、全双工/半双工模式、自动协商模式控制和网线自动交叉识别等。

（2）端口属性控制：控制端口属性，包括端口使能，网络报文控制等。

（3）端口镜像设置：用于将某一个或几个端口上的所有流量复制到另外一个或几个端口上，用于侦测或调试。

（4）端口聚合设置（trunk）：用于将多个端口聚合成一个数据通道，该通道被视作单个逻辑连接，以便扩展交换机级联带宽或增加级联冗余度。

（5）端口速率限制：控制每个端口输入、输出流量速率，可同时对端口速率和端口瞬时风暴进行设置。

（6）网络风暴抑制：用于抑制广播、多播或未知单播的网络风暴。

（7） 802.10 VLAN：用于实现虚拟局域网功能，将交换机划分为多了虚拟交换机。

（8） 802.1P优先级：控制报文在交换机中的发送顺序，支持严格优先级和权重优先级两种模式，高优先级报文具有优先发送的权利。

（9）静态组播：在交换机上设置指定组播地址报文的转发路径。

5）高级应用模块

该模块提供管理型交换机的各项高级应用功能，包括流量远程监控和统计、对时、组播报文管理等。

该模块接收来自配置管理模块的功能控制命令，对物理接口模块和数据交换模块的工作模式做设置。同时该模块与日志告警模块接口，对常规配置操作和各项高级功能在运行过程中的异常情况或重要事件进行记录。

该模块内部各模块为平行关系，独立运行，可以独立打开和关闭，为用户提供了灵活的应用方式，如图3所示，可分为以下模块：

（1） RSTP（快速生成树协议）：RSTP是一种二层管理协议，它通过有选择性地阻塞网络冗余链路来达到消除网络二层环路的目的，同时具备链路的备份功能。采用RSTP技术组成环网，可以在网络投资较少的情况下获取更高的可靠性。

（2）网络安全控制：该模块包括802.lx和基于静态mac的端口安全两种安全控制策略，为网络安全管理提供了优良的策略和手段。用户可以对站内交换机端口进行严格的接入控制管理，杜绝了网络安全隐患。

（3） SNMP（简单网路管理协议）和RMON（远程监视）：该模块可以通过响应管理站查询提供整个网络的拓扑、交换机端口各项流量統计指标、端口状态、历史数据统计、通过预设条件产生的告警和日志，并且可以主动上送trap信息。该项功能为智能变电站通讯网络的监控和分析提供了丰富的数据来源，在智能变电站内有着广阔的应用前景，并且目前已经在示范站中开始采用，使得用户可以在后台机（管理站）实时了解站内各交换机的工作情况和网络状态。

（4）GMRP（动态组播管理协议）和GVRP（动态VLAN管理协议）：GMRP是一种基于以太网链路帧的自动多播配置方案，由于VLAN和多播管理信息未能在IEC61850模型文件中进行规范表达，为了解决此问题，建议通过GMRP或者GVRP实现IED和交换机的互动，由装置告诉交换机多播报文的转发范围，达到动态优化网络流量的目的，省去了配置静态VLAN的繁琐，并且可以动态应对网络结构的改变。

（4） SNTP（简单网络时间协议）：通过SNTP客户端模块访问时钟源以便同步内部时钟。

5 结语

配网自动化交换机作为配网自动化网络的核心设备，其电源的可靠性、存储转发性能、强电磁干扰下的零丢包能力、-40℃～+70℃温度范围内长期可靠运行能力是其必须达到的关键指标，为了满足配网自动化网络对交换机的特殊需求，交换机必须支持RSTP环网协议，为提高可靠性应支持无源光网络切换功能。目前配网自动化已经逐步推广，配网自动化交换机的推广应用将急剧增加。

参考文献

[1] 毛弋，蒋盈，李宝玉，等，多种通信方式并存的配网自动化通信系统的研究[J]，湖南师范大学自然科学学报，2013， 36（4）：31-36.

[2]韩国政，徐丙垠，索南加乐，等.基于IEC 61850的配网自动化通信技术研究[J]，电力系统保护与控制，2013，41（2）：62-66.

[3]唐明，胡勇，何霄鹏，等，配电自动化设备通信协议的一致性测试系统设计与实现[J]，电气技术，2014，8：24-27.

[4]陈小军，郑文杰，李波，等.配网自动化终端参数统一配置方法研究[J]，电气技术，2015，12：106-109.