110kV智能变电站过程层网络实时性分析

周翔 袁章 朱金龙

摘 要：智能变电站已在我国全面投入电网建设多年，目前站内过程层总线采用的以太网络普遍采用点对点拓扑结构，但其结构复杂，对硬件接口要求多。本文从协议报文的解析角度，分析了过程层网络一些具体应用的典型配置场景，对星形拓扑结构的过程层网络的时延、抖动进行了试算，初步得出以上参数的性能边界并分析了对继电保护装置的影响，具备一定的工程参考价值。

关键词：智能变电站；过程层网络；IEC61850；时延；抖动

中图分类号：TM762 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）20-0128-04

我国从2004年开始对智能变电站的前身数字变电站开始有了试点和广泛研究，从2009年起，基于IEC61850标准的智能化变电站已开始大规模应用于国内变电站中，而IEC61850标准的传输标准则采用以太网协议，传统以太网协议一般指ISO/IEC8802-3（IEEE 802.3）即CSMA/CD（带冲突检测的载波侦听多路访问）以太网（Ethernet）标准，该标准及其扩展标准（802.3u、802.3z、802.3ae）涵盖了10Mbps～10Gbps等各种网络速率与介质类型。802.3标准主要在以下三个方面做出了规定：物理介质，介质访问控制规则和以太网帧格式。802.3标准定义了OSI 7层参考模型中的数据链路层和物理层的实现方式，即媒体介质访问控制子层（MAC）和802.3物理层。MAC子层的作用是规范数据封装和介质访问控制，如帧封装、地址标示、差错（冲突）检测和延时过程。物理层的作用是规范电光信号，时钟基准，数据编码规则（Manchester、4B/5B）等。802.3以太网的传输介质是主要包括同轴电缆、双绞线电缆以及光纤。

1 映射至IEC8033-2的IEC 61850 SV与GOOSE报文

1.1 802.3 SCSM映射

从IEC 61850协议的特点中可以了解，为了实现硬件无关性，IEC61850协议定义了ACSI抽象通信服务接口，利用客户/服务器（client/server）及发布/订阅（publisher/subscribe）模型对逻辑设备（节点）之间的通信进行了建模。同时，为了工程上的实现，IEC61850-9-2描述了一种映射到IEC8033-2（即以太网）协议的SCSM（Specific Communication Service Mapping）规范，对使用以太网传输SV报文进行了说明。如图1所示。

从协议中可以看出，采样值SV模型和GOOSE模型的报文的传输映射简化了会话、传输和网络层，通过协议数据单元经表示层编码后，不经过TCP/IP协议，直接映射到数据链路和物理层直接映射到MAC层。

1.2 SV采样值报文结构

在IEC61850-9-2（LE）协议中，SV采样值通过ASN.1编码规则以T-L-V形式被封装至一个ASDU中，而若干ASDU连成1个APDU，封装至1个802.3以太网帧中进行发送。根据协议分析我们可以确定1个8路模拟量SV报文和1个4路开关量GOOSE报文的结构：

图2：1个典型IEC61850-9-2（LE）帧结构（8路模拟量采样值SV报文）结构。

图3：1个典型GOOSE/GSE帧结构（4路DPC开关量GOOSE报文）。

需要注意的是，SV报文和GOOSE报文由于包含多个模拟量和开关量通道，其具体长度跟具体工程应用的Dataset配置有关。IEC61850-9-2（LE）标准规定，对于SV报文，采样率80点/周波的保护用报文一般配置为1个ASDU，而采样率256点/周波的计量（测量）用报文一般位置为8个ASDU。而GOOSE报文长度理论上只受到以太网帧大小的限制。本文的对SV和GOOSE报文的时延分析暂按以上两种典型报文长度进行。

2 典型110kV智能变电站过程层网络结构与配置

使用点对点拓扑结构进行保护用SV、GOOSE报文传输的智能变电站已经在国家电网系统内普遍得到应用和实施。这种结构避免了报文传输时延的不确定性和抖动，可靠性可以得到保证，但工程实施和调试较为复杂。对于110kV智能变电站，其过程层网络结构通常较为简单清晰，元件数量较少，影响网络报文传输时延的因素较少。本文考虑在110kV变电站过程层设备中采用SV和GOOSE组网方式进行保护、计量（测量）开关量报文传输，并针对这种配置对SV报文和GOOSE报文传输的时延和抖动进行简单试算。

2.1 典型110kV智能变电站配置

110kV一次接线形式为单母线分段接线，4个进出线间隔、2个主变进线间隔，1个分段进线间隔，2个母线设备间隔。为了考虑最不利情况的时延，设备配置上多采用分立设备以尽量增加交换机的转发数量。

2.2 具体网络拓扑方案（图3）

如图3。

2.3 SV报文和GOOSE报文传输路由如图4

3 简单网络SV报文与GOOSE报文传输时延与抖动时间计算

网络报文的传输过程时延主要包括以下几个方面：

（1）设备的内部通信处理时延，由于这个时间非常小且相对固定，本文计算中暂不考虑。

（2）介质传输时延Tfl，目前用于过程层网络的传输介质多为光缆，光信号在光缆中的传输速度为2/3倍的真空光速，Tfl=L/（2/3*C）。对于200米长的光缆，这个时间约为1us。

（3）存储-转发时延Tsf，指交换机端口从开始接收以太网帧的第一个字节到最后一个字节接收完毕所需要的时间，该时延与以太网的速率有关，Tsf=FS（帧大小）/br（转发速率），br=100Mbps。

（4）交换设备时延Tsw，现代工业用以太网交换机一般采用存储-转发方式进行报文传输，交换设备时延即交换机在收到报文最后一个字节后，进行CRC校验、查表、执行转发策略后，至目的端口第一个字节的时延，这个时延跟具体设备有关，本文中以罗杰康（RUGGEDCOM）RSG2100NC交換机厂家提供的参数为例，选择为7us。

（5）帧队列时延Tq，当一种最不利情况出现，即交换机所有N-1个端口同时向N个进行报文传输时，该端口将出现帧排队现象，由于交换机的队列调度方法和策略较为复杂，延迟时间很难精确计算，我们参照前文假设交换机采用FQ队列调度方式公平转发同时到达的每个报文。依据以上假设，可以得出平均队列时延为Tsf*（N-1）/2，最不利的队列时延为Tsf*（N-1）。

综上，对于SV报文和GOOSE报文传输时延，可以得出以下结论：

Ttl（传输时延）=Tfl（线路时延）+Tsf（存储-转发时延）+Tsw（交换延时）+Tq（帧队列时延）

考虑到交换机级联则有：

Ttl=Tfl+N*（Tsf+Tsw+Tq）；N为报文所经过的交换机数量。（注：Tq的值应视具体情况进行取值）

ΔTj（抖动时间）=Ttlworst（最坏情况）-Ttl（最好情况）

以前文典型智能变电站为例，可以计算出正常运行转改下各装置网络端口在最好（不排队）和最坏情况下（队列末尾）的的典型SV、GOOSE报文传输时延。

最好情况下：

110kV线路、主变、分段保护：

SV报文：Ttl=Tfl+Tsf+Tsw+Tq=1+（100Mbps/173*8）+7+0≈22us

GOOSE报文：Ttl=Tfl+Tsf+Tsw+Tq=1+（100Mbps/363*8）+7+0≈37us

110kV母线、分段保护、备自投：

SV报文：Ttl=Tfl+N*（Tsf+Tsw+Tq）=1+2*（（100Mbps/173*8）+7+0） ≈43us

GOOSE报文：Ttl=Tfl+N*（Tsf+Tsw+Tq）=1+2*（（100Mbps/363*8）+7+0） ≈73us

110kV线路、主变、分段测量计量：

SV报文：Ttl=Tfl+Tsf+Tsw+Tq=1+（100Mbps/971*8）+7+0≈86us

最坏情况下：

110kV线路、主变、分段保护：

SV报文：Ttlworst=Tfl+Tsf+Tsw+Tq=1+（100Mbps/173*8）+7+100Mbps/1542*8≈153us。

（同一个间隔SV报文和GOOSE报文同时到达的情况，GOOSE报文按理论最大值考虑的情况）

ΔTj= Ttlworst-Ttl=153-22=131us

GOOSE报文：Ttlworst=Tfl+Tsf+Tsw+Tq=1+（100Mbps/363*8）+7+100Mbps/173*8≈51us

（同一个间隔SV报文和GOOSE报文同时到达的情况，SV报文典型报文长度考虑的情况）

ΔTj= Ttlworst-Ttl=51-37=14us

110kV母线保护：

SV报文：Ttlworst=Tfl+N*（Tsf+Tsw+Tq）=1+2*（（100Mbps/173*8）+7）+2*（100Mbps/173*8）+3*（100Mbps/1542*8）+4*（（100Mbps/173*8）+ （100Mbps/1542*8）） ≈967us

（I、II两端母线所有合并单元智能终端同时向母线保护端口发送典型SV报文和最大GOOSE报文，SV报文在队列末尾的情况）

ΔTj= Ttlworst-Ttl=967-43=924us

GOOSE报文：

Ttlworst=Tfl+N*（Tsf+Tsw+Tq）=1+2*（（100Mbps/363*8）+7）+2*（100Mbps/173*8）+3*（100Mbps/1542*8）+4*（（100Mbps/173*8）+ （100Mbps/1542*8）） ≈981us

（I、II两端母线所有合并单元智能终端同时向母线保护端口发送典型SV报文和最大GOOSE报文，GOOSE报文在队列末尾的情况）

ΔTj= Ttlworst-Ttl=981-73=908us

110kV线路、主变、分段测量计量：

SV报文：Ttlworst=Tfl+Tsf+Tsw+Tq=1+（100Mbps/971*8）+7+100Mbps/1542*8≈209us

ΔTj= Ttlworst-Ttl=209-86=123us

根据IEC61850标准的规定，电流电压采样、跳闸、状态信息变化、解闭锁等均属于快速报文的范畴，其中P1级对时延的要求为10ms，P2/3级为3ms。可以看出，对于一般110kV智能变电站采用SV+GOOSE组网方式进行保护、测量、计量报文传输，完全可以满足标准对报文传输时延的要求。

4 结语

对于SV和GOOSE组网传输的变电站，过程层网络端口流量和时延最为严苛的是集中式母线保护装置。根据网络环境的不同，前后报文抵达的时间可能相差接近1-2ms，按50Hz频率换算，将有18-36度的电流相角差。在這种组网模式下，继电保护、合并单元、智能终端的报文可考虑采取固定时延同步，否则可能会致使差动原理的继电保护产生一定差流影响。

从以太网结构的特点可以看出，每经过一台交换机的级联，报文时延就要增加一个固定值，因此，交换机的级联数不易过多，国网公司要求任意两个装置之间报文传输经过的交换机数量不超过4台，是考虑了交换式以太网的这种特点的。同时，单一交换接入的装置数量也不宜过多，国网公司要求单一交换机接入的装置数量不超过16台，如果其中15个端口向第16个端口同时进行全尺寸以太网帧报文转发，最不利的时延将达到1.8ms，如果此时再经过级联，将有可能出现超过IEC61850规定的P2/3级报文时延要求。

作为一种简单网络的分析计算，本文考虑了很多假设情况。目前工程应用中，以太网交换机以使用了802.1q VLAN，802.1p CoS服务质量等技术，可以有效减少实时报文的传输时间和抖动，同时1000Mbps工业以太网交换机也逐步实用，是的过程层组网技术日趋完善，未来将得到更加广泛的应用。