陳磊 ,林如忠 ,黃在朝 ,鄧輝 ,王向群 ,陶靜
(1.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院,江蘇 南京 210003;2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院,江蘇 南京 210003)
智能變電站采用網(wǎng)絡(luò)化的通信系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)信息的傳輸和共享。IEC61850將智能變電站分為3層,即站控層、間隔層和過程層。常見的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架為:三層兩網(wǎng)和三層共網(wǎng)。組網(wǎng)方式通常為星型或環(huán)型。通信協(xié)議采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。核心通信設(shè)備是工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī),符合IEC61850-3標(biāo)準(zhǔn)和公司相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)有工程中國產(chǎn)化設(shè)備已經(jīng)批量使用。總體來看,現(xiàn)有智能變電站通信解決方案基本可以滿足智能變電站的通信需求,但由于目前的智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信裝置——以太網(wǎng)交換機(jī)多采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式,在不同數(shù)據(jù)流量的情況下,造成數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延變化較大,傳輸實(shí)時(shí)性需要進(jìn)一步改善。
本文針對(duì)目前智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)存在的實(shí)時(shí)性問題進(jìn)行了研究,重點(diǎn)分析了實(shí)時(shí)性要求較高的過程層數(shù)據(jù)的特性,并提出相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案,提高智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。本文研究成果將為智能變電站可靠運(yùn)行和健康持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐,有力地推動(dòng)我國智能變電站產(chǎn)業(yè)升級(jí),帶動(dòng)智能電網(wǎng)建設(shè),保證國家能源經(jīng)濟(jì)安全。
廣義的通信系統(tǒng)通常包括發(fā)送終端、傳輸介質(zhì)、中繼/轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備及接收終端。智能變電站通信系統(tǒng)依據(jù)IEC61850要求,通信協(xié)議采用以太網(wǎng)技術(shù),組網(wǎng)方式根據(jù)變電站的實(shí)際情況可以是星型或環(huán)型,網(wǎng)絡(luò)冗余根據(jù)變電站的電壓等級(jí)進(jìn)行合理配置,最典型的(也是未來的終極目標(biāo))是全站統(tǒng)一組網(wǎng),即三層共網(wǎng)。通信設(shè)備主要為二層工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī),通信終端包括站內(nèi)所有聯(lián)網(wǎng)裝置:智能終端、保護(hù)測(cè)控裝置、合并單元、監(jiān)控后臺(tái)、電子互感器等。作為智能變電站二次系統(tǒng)的重要組成部分,通信系統(tǒng)承擔(dān)著保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量等站內(nèi)所有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的任務(wù),其中保護(hù)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性提出了極高的要求[1-3]。
智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)示意如圖1所示。
IEC 61850嚴(yán)格詳細(xì)規(guī)定了 SAS(變電站自動(dòng)化系統(tǒng))的報(bào)文性能,報(bào)文根據(jù)不同的時(shí)延要求被劃分為快/中/低速跳閘報(bào)文、命令報(bào)文、數(shù)據(jù)生成報(bào)文、傳輸文件報(bào)文、時(shí)間同步報(bào)文,共7類,其中“快速跳閘報(bào)文”和“數(shù)據(jù)生成報(bào)文”對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高,時(shí)延要求小于 3 ms。按周期性和實(shí)時(shí)性可將這些信息流分為4種類型:SMV、GOOSE、監(jiān)控和維護(hù),具體特性描述見表1[4,5]。
表1 智能變電站信息流特性
(1)SMV 信息流
用于傳送過程層合并單元與間隔層設(shè)備間的周期性采樣測(cè)量值,一般要求在 3~10 ms內(nèi)完成傳輸,與具體的采樣率有關(guān)。此類信息流采用基于 P/S(publisher/subscriber)機(jī)制的 SMV服務(wù)模型,由于傳輸時(shí)延的要求,為節(jié)省網(wǎng)絡(luò)協(xié)議拆封時(shí)間開銷,該類數(shù)據(jù)流通過 SCSM直接映射到以太網(wǎng) LLC層。
(2)GOOSE 信息流
用于傳送事件驅(qū)動(dòng)報(bào)文(如跳閘、聯(lián)鎖、運(yùn)行狀態(tài)等),包括過程層和間隔層、同一間隔內(nèi)或不同間隔設(shè)備間報(bào)文。具有突發(fā)性和硬實(shí)時(shí)性的該類信息流通常要求在 1~4 ms內(nèi)必須完成傳輸,具有最高優(yōu)先權(quán)。GOOSE采用基于P/S機(jī)制的GOOSE服務(wù)模型,直接映射到以太網(wǎng)的LLC層。
(3)監(jiān)控信息流
用于傳送間隔層與站控層設(shè)備間的一次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和控制信息,包括周期性的遙信/遙測(cè)信息和事件驅(qū)動(dòng)信息。由于并不是所有的主站都需要實(shí)時(shí)顯示保護(hù)數(shù)據(jù),為簡(jiǎn)化分析,只研究有較強(qiáng)的突發(fā)性且具有較高重要性的告警等事件驅(qū)動(dòng)信息。這類信息流的傳輸時(shí)間通常為100 ms左右,由于是軟實(shí)時(shí)信息,主要通過基于 C/S模式的報(bào)告和記錄服務(wù)模型實(shí)現(xiàn),SCSM將其映射到MMS/TCP/IP。
圖1 智能變電站三層共網(wǎng)示意
(4)維護(hù)信息流
主要用于傳送間隔層和站控層設(shè)備間的維護(hù)和診斷等信息以及站控層與過程層設(shè)備之間的配置信息,具有隨機(jī)性。該類信息流量大,實(shí)時(shí)性不高,通常采用基于TCP/IP的文件傳輸 (file transfer)服務(wù)模型實(shí)現(xiàn)。IEC61850規(guī)定,該模型應(yīng)該包含文件名、大小和最近訪問時(shí)間等屬性,提供讀取、修改、刪除和取文件屬性值等服務(wù)。
綜上,信息流的數(shù)據(jù)量及實(shí)時(shí)性統(tǒng)計(jì)見表2。
表2 信息流的數(shù)據(jù)量及實(shí)時(shí)性統(tǒng)計(jì)
圖2為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延示意。
智能變電站數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延是指輸出由源終端設(shè)備發(fā)出,到目的終端設(shè)備接收識(shí)別的整個(gè)過程所用時(shí)間[6],通常包括以下幾個(gè)部分。
(1)發(fā)送端處理器處理時(shí)延T1
指IED1的應(yīng)用程序1進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和協(xié)議封裝,并將報(bào)文從其數(shù)據(jù)緩沖區(qū)復(fù)制到 NIC發(fā)送緩沖區(qū)的時(shí)延以及數(shù)據(jù)在發(fā)送緩沖區(qū)暫存,等著被發(fā)送而產(chǎn)生的排隊(duì)時(shí)延。這部分時(shí)延通常和CPU的處理速度、數(shù)據(jù)分組的格式、數(shù)據(jù)分組的長(zhǎng)度、應(yīng)用功能間的相互協(xié)調(diào)配合相關(guān),可根據(jù)實(shí)際情況估算出來。
(2)網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延TN
指報(bào)文從IED1在物理端口經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)到達(dá)IED2的物理端口的總時(shí)延,包括3個(gè)部分。如圖2所示,T11是物理鏈路1上的數(shù)據(jù)時(shí)延,該時(shí)延小且基本固定,可估算;Ts是交換機(jī)的交換時(shí)延(如果是多級(jí)交換機(jī)級(jí)聯(lián)的話,則Ts包括了多級(jí)交換機(jī)的交換時(shí)延和交換機(jī)間級(jí)聯(lián)物理鏈路的時(shí)延),由交換機(jī)制導(dǎo)致的該時(shí)延具有不確定性;T12是交換機(jī)端口2到IED2設(shè)備的物理端口的物理鏈路2上的時(shí)延,該時(shí)延小且主要和鏈路長(zhǎng)度有關(guān),可估算。所以,TN=T11+Ts+T12。
(3)接收端通信處理時(shí)延T2
該時(shí)延和發(fā)送端的時(shí)延極其相似,是發(fā)送端的逆過程,主要包括數(shù)據(jù)在網(wǎng)卡緩存中的等待時(shí)間和接收節(jié)點(diǎn)IED2對(duì)報(bào)文進(jìn)行協(xié)議拆封并將重新拼裝后的報(bào)文復(fù)制到應(yīng)用功能2的數(shù)據(jù)空間的時(shí)延。該時(shí)延同樣和CPU的處理速度、數(shù)據(jù)分組的格式、數(shù)據(jù)分組的長(zhǎng)度、應(yīng)用功能間的相互協(xié)調(diào)配合相關(guān),可根據(jù)實(shí)際情況估算出來。
因此,報(bào)文傳輸所經(jīng)歷的總時(shí)延可以表示為:Td=T1+T11+Ts+T12+T2。
智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)實(shí)時(shí)性要求較高的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),通常要解決實(shí)時(shí)性問題,并非依靠單一技術(shù)就可完成,可通過虛擬局域網(wǎng)技術(shù)(VLAN)來隔離局域網(wǎng),減小網(wǎng)絡(luò)負(fù)載;采用服務(wù)質(zhì)量技術(shù)(QoS),將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按實(shí)時(shí)性高低分級(jí),優(yōu)先傳輸實(shí)時(shí)性高的報(bào)文;采用時(shí)延標(biāo)記技術(shù),將數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延部分的Ts告知終端設(shè)備,以確保傳輸時(shí)延可知。
圖2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延示意
(1)采用VLAN隔離,降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷
智能變電站通信系統(tǒng)中典型的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)類型GOOSE、SV均以多播的形式進(jìn)行傳輸,實(shí)際應(yīng)用中甚至采用廣播的方式。通常本間隔的數(shù)據(jù)也會(huì)在整個(gè)系統(tǒng)流竄,占用系統(tǒng)有限帶寬,增加了有效數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中排隊(duì)等待的時(shí)間。采用VLAN技術(shù),按間隔進(jìn)行合理劃分,將不需要跨間隔的數(shù)據(jù)隔離在本間隔內(nèi),對(duì)于需要跨間隔的數(shù)據(jù)另設(shè)單獨(dú)VLAN,從而有效降低系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。按間隔劃分VLAN示意如圖3所示。
(2)采用QoS技術(shù),優(yōu)先傳輸關(guān)鍵業(yè)務(wù)
智能變電站中需要傳遞的采樣值、跳閘、聯(lián)鎖、運(yùn)行狀態(tài)、控制等各種信息對(duì)時(shí)延的要求不同,可根據(jù)時(shí)延要求,將業(yè)務(wù)報(bào)文設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí),以便關(guān)鍵實(shí)時(shí)報(bào)文可以第一時(shí)間傳輸?shù)侥康牡豙7],如圖4所示。
(3)通過業(yè)務(wù)流識(shí)別,進(jìn)行時(shí)延標(biāo)記,交換資源分配、調(diào)度
采用網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延標(biāo)記技術(shù),保障繼電保護(hù)控制“網(wǎng)采網(wǎng)跳”可靠實(shí)施。繼電保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)化,即“網(wǎng)采網(wǎng)跳”,可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的共享,并且大大簡(jiǎn)化光纖接線,提高調(diào)試效率,節(jié)約建設(shè)成本。但要實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的“網(wǎng)采網(wǎng)跳”,還需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延確定性。通過采用網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延標(biāo)記技術(shù),在報(bào)文進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)時(shí)分別進(jìn)行時(shí)間標(biāo)記,精確計(jì)算報(bào)文在交換機(jī)內(nèi)的駐留時(shí)延ΔT并寫入傳輸報(bào)文內(nèi),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的確定性,為繼電保護(hù)控制“網(wǎng)采網(wǎng)跳”提供通信保證。時(shí)延標(biāo)記功能示意如圖5所示。
圖3 按間隔劃分VLAN示意
圖4 輸入數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)控制
圖5 時(shí)延標(biāo)記功能示意
本文在智能變電站通信系統(tǒng)全部采用網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)上,分析了業(yè)務(wù)信息流的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中時(shí)延特征及計(jì)算方法,并提出降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的實(shí)時(shí)策略及測(cè)量網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的方法,為智能變電站通信的網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)提供了參考依據(jù),具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。
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