黃  毅1，張永伍1，楊  暢1，蔣  曄2

　　（1.天津市電力公司電力調度控制中心，天津300010；2.深圳市國電南思系統控制有限公司，廣東 深圳518057）

　　摘  要： 在智能變電站中，間隔層和過程層的信號傳輸問題一直是智能變電站建設過程中需要面臨的首要問題。文章結合行業的相關要求，總結了該問題的現狀，并比較、分析了點對點和網絡化兩種主要應用方案的優缺點，提出了網絡化點對點的解決方案。該方案對交換機在智能變電站中的應用進行了重新定義，同時針對幾個關鍵問題介紹了該方案的具體實現方式和實現邏輯，同時提出了具體的產品實施方案。最后結合該方案特點，針對現場工程應用提出了建議。

　　關鍵詞： 回路交換機；網絡化點對點；采樣同步

0 引言

　　智能變電站是建設統一堅強智能電網的重要基礎和支撐[1]，因此對智能變電站的建設也在信息化、集成化、可視化、快速性、可靠性以及擴展和升級維護等方面提出了嚴格的要求[1-2]。

　　在智能變電站的三層架構中，間隔層和過程層之間及內部的信息傳輸采用快速報文——采樣值(Sampled Values，SV)及通用面向對象變電站事件(Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE)來保證信息傳輸的實時性和快速性[3]。

　　在智能變電站實施的初期間隔層和過程層設備大都是以組網方式來傳遞SV信號和GOOSE信號的，即保護設備、測控設備、合并單元以及智能終端等通過工業交換機進行連接，所有信息在進行傳輸的同時實現了共享。

　　隨著智能變電站建設規模的逐漸擴大，間隔層和過程層信號的組網傳輸所存在的問題已不斷暴露出來[4]。為保證智能變電站設備的可靠運行，逐漸大量采用了點對點方式即“直采直跳”的方式來在間隔層和過程層之間及內部進行信息傳輸，并以行業標準或規范的方式對上述信息傳輸進行了規定[1，2，5]。

　　但是對于間隔層和過程層的點對點應用和組網應用的研究和討論從來沒有停止過[4，6，7]。主要原因是二者之間存在著具有互補特征的矛盾。

　　對于點對點應用方案，其主要特點是：

　　(1)采樣值SV信息可不依賴外同步時鐘而實現精確同步，由于從電子互感器到保護裝置之間的所有環節的延時固定，因此可根據該固定延時通過補償的方式實現采樣值同步[4，6]。

　　(2)傳輸安全可靠，在保護裝置之間、保護裝置和合并單元之間以及保護裝置與智能終端之間均通過光纖直接連接，通信通道獨占，任何干擾信息、攻擊信息以及非法信息被物理隔離，保證信息的傳輸過程不受任何干擾。

　　(3)快速傳輸，基于同樣原因，設備之間由于通過光纖直接連接，且信息傳輸不受任何干擾，因此可完全保證信息能夠快速傳輸。這一點對于智能終端動作時間的保證尤為重要[2]。

　　(4)施工問題，設備之間的點對點直接連接，需要大量地鋪設長距離光纖，大大增加了施工和維護的難度。

　　(5)信息共享問題，設備之間通過光纖直接連接，在以通道獨占的方式保證信息傳輸安全和可靠的同時，使得信息無法共享，從而直接影響了智能變電站的信息應用。

　　對于組網應用方案，其主要特點是：

　　(1)信息可完全共享，由于所有設備通過交換機連接，從理論上使不同設備之間、不同系統之間共享變電站運行信息成為可能。

　　(2)施工方便，由于所有設備均需與交換機相連，大部分光纖是屏柜內連接或小室內跨屏柜連接，從而明顯減少了長距離光纖的數量，大大簡化了施工和維護強度。

　　(3)采樣值信息同步性難以保證，由于信息需要通過交換機轉發，甚至還有可能進行多級轉發，所以傳輸延時未知，需要借助外部同步時鐘才能保證采樣值信息的同步性[4]。

　　(4)網絡不可預知因素導致信息丟失和延遲，所有設備組網后，由于網絡負荷變化、路由選擇等因素導致傳輸延遲，使得信息傳輸的快速性不能完全保證。

　　(5)網絡風暴風險，由于網絡連接錯誤或設備問題，導致網絡風暴，從而使網絡完全或局部癱瘓，對智能變電站的安全穩定運行造成巨大影響。

　　(6)網絡攻擊報文，在調試過程中，非法設備接入網絡，可能導致網絡攻擊的產生，影響系統運行。

　　從以上比較可以發現，智能變電站間隔層和過程層的點對點應用方案和組網應用方案互為補充，前者能夠保證智能變電站的安全穩定運行，而后者則為智能變電站的進一步發展提供了空間。

　　隨著“占地少、造價省、效率高”的新一代智能變電站的提出，對間隔層和過程層“三網合一”（IEEE 1588、SV、GOOSE）的要求也被提及[7]，對間隔層和過程層組網方案(及“網采網跳”)的應用需求又重新擺在了各級用戶的面前。

1 基本構想

　　1.1 主要問題

　　從現場應用需求的角度來講，智能變電站網絡化點對點技術研究將結合點對點應用方案和網絡應用方案的主要優勢，主要面向以下問題：

　　(1)采樣值同步性的解決，使采樣值通過網絡傳輸后，在保護裝置里可進行精確同步，精確測量每幀報文的精確傳輸延時。

　　(2)跳閘信號快速傳輸要求的滿足，保證所有跳閘信號均能在網絡中快速傳輸。

　　(3)網絡安全的保證，信息能正確、完整傳輸，能完全避免網絡攻擊和干擾。

　　(4)廣播風暴的避免，能絕對避免廣播風暴的產生。

　　1.2 技術形態

　　從現場應用需求的角度來講，需要將點對點應用方案和組網應用方案的優勢結合起來，即在保證智能變電站設備安全穩定運行的前提條件下，實現對智能變電站信息共享的支持。

　　該構想主要包含以下兩個方面的內容：

　　(1)從現場工程應用的角度來講，采用組網的物理形式，即所有的設備都需與交換機相連接。

　　(2)從間隔成和過程層信息傳送的角度來講，仍然采用點對點的信息傳輸，即信號傳輸獨占物理通道。

　　也就是在智能變電站的間隔層和過程層以組網的形式，采用點對點傳輸。因此智能變電站網絡化點對點的實現，從實質上來講是研究開發一種能實現點對點信息傳輸的交換機及網絡。

　　基本原理是，在交換機網絡中，根據配置，動態地為所有信號傳輸關系分配獨立的傳輸電路，該電路從物理形態上是獨立的，各傳輸電路直接連接固定的物理端口，只允許指定報文傳輸，基本技術構想示意圖見圖 1。

　　假設A、B、C和D四個裝置分別連接在交換機網絡的四個端口上，各裝置之間的信號傳輸關系如下：

　　(1)裝置A發送信號到裝置B，標識為AB。

　　(2)裝置A發送信號到裝置C，標識為AC。

　　(3)裝置B發送信號到裝置A，標識為BA。

　　(4)裝置C發送信號到裝置D，標識為CD。

　　依照上述配置，可以分別為AB、AC、BA以及CD在交換機網絡中根據配置動態產生獨立的物理傳輸電路，各物理電路不允許其他任何報文使用，即被所指定的信號連接所獨占，從而在交換機網絡內部實現了信號的點對點傳輸。

2 技術方案

　　2.1 回路交換

　　2.1.1 定義

　　回路交換為實現網絡化點對點傳輸的核心。在整個技術方案中，均是圍繞著以虛回路交換的方式實現智能變電站內部的信息交換。虛回路采用虛擬點對點的方式在網絡中進行信息傳輸。在網絡化點對點傳輸中，虛回路指的是以下信息：

　　(1)站控層MMS通信連接關系，每一對連接關系均是涉及兩條獨立的回路(服務端—客戶端，客戶端—服務端)；

　　(2)間隔層和過程層GOOSE信息傳送，以GOOSE控制塊為單位，每一組傳遞關系均為一條獨立的回路(同一控制塊發往不同裝置，則視為不同的回路)；

　　(3)過程層SV信息傳送，以SV控制塊為單位，每一組傳遞關系均為一條獨立的回路(同一控制塊發往不同裝置，則視為不同的回路)。

　　虛回路示意圖如圖2所示。所有定義虛回路信息之外的信息無法在網絡中傳輸。

　　虛回路采用虛擬點對點的方式實現信息傳輸，每條虛回路均只向指定地址所連接的交換機端口傳輸信息。

　　該地址為預先配置內容，所有未配置的地址將接收不到虛回路信息。

　　2.1.2 傳輸機制

　　網絡化的點對點傳輸采用主動分發機制，主要通過以下手段實現：

　　(1)交換機通過回路配置或自動識別獲取各回路目的設備所連接的位置，如圖 3所示。

　　(2)交換機接收到回路源業務報文之后，將報文直接傳輸到目的設備所連接的端口，如圖 4所示。

　　(4)對于回路外的業務報文(源不在回路配置中或目的不在回路配置中)以及源未連接上交換機的回路報文均予以丟棄。

　　2.2 采樣值同步

　　2.2.1 基本原理

　　按照標準的要求[2，5]，將每一幀采樣值報文在網絡中的傳輸延時保存到采樣值報文第一通道中，在保護裝置中實現同步，如圖 5所示。

　　在圖 5中各采樣值的額定延時包含了電子互感器采集模塊處理時間、電子互感器與合并單元之間的傳輸時間、合并單元處理時間，為固定值[6]。Tdst為各自在交換機及網絡中的傳輸時間，每一幀均不完全相同，需要交換機測出該時間，并累加到額定延時之上。

　　2.2.2 延時計算

　　按照標準定義，報文在交換機中的傳輸延時指的是報文第一位進入交換機到報文第一位從交換機發出之間的時間[8]。由于采樣值的傳輸所涉及的是整個網絡，而不一定是單臺交換機，因此對采樣值而言，其傳輸延時特指采樣值報文第一位進入網絡到采樣值報文第一位從網絡發出之間的時間。

　　具體的計算方式是：接收到報文第一位時，即保存第一位的接收時間，該事件隨報文在網絡中傳送，在第一位發出時，取出發送時間t2并與接收時間t1計算出傳輸延時，然后寫入報文。如圖 6所示。

　　2.3 快速傳輸

　　對于需要快速傳輸的跳閘信號，除通過回路單獨占用固定傳輸通道的方式以保證回路報文傳輸不受干擾外，還采用了快速優先級策略來保證報文的快速優先傳輸。

　　在傳輸過程中其獨享的固定傳輸通道保證了報文在交換機中的快速傳輸。

　　高優先級信號通過配置指定，在傳輸過程中使用單獨的高優先級緩存，當報文從交換機端口發出時，如果有其他報文需要從同一端口發出，則高優先級緩存中的報文優先發送，保證高優先級報文能快速從網絡中發出。

　　2.4 安全性

　　基于回路交換的網絡化點對點傳輸，除通過回路獨享單獨傳輸通道的方式來保證報文傳輸安全以及必要的校驗策略來保證報文傳輸完整性之外，還通過報文抑制技術來保證報文的傳輸環境的安全。

　　交換機不允許以下報文進入交換機交換：

　　(1)非MMS、ARP、SV、GOOSE以及IEEE 1588報文。

　　(2)回路外報文。

　　(3)超過入口流控值的報文。

　　(4)錯誤報文(校驗錯)。

　　(5)超長度限制報文。

　　(6)過短（小于64字節）報文。

　　上述報文將不允許在交換機及網絡中進入交換，從而避免了無關甚至惡意報文以及異常大流量報文(風暴)進入網絡，浪費網絡資源，影響正常業務報文的傳輸。

　　2.5 廣播風暴

　　廣播風暴的產生是由于廣播報文環回并被大量復制而產生瞬間快速增長的網絡流量。而環回的主要原因就是當某交換機發出的網絡報文回到該交換機時，又被當作新的廣播報文發出。

　　為避免這種情況，在網絡化點對點的傳輸方案中，對網絡中的每一臺交換機進行單獨標識，所發出的報文攜帶該標識，當發現接收到的報文與本交換機一致時，則予以丟棄。如圖 7所示。

　　該方式從根本上避免了廣播風暴的產生，使得網絡可以采用任何拓撲方式。

　　2.6 設備實現

　　2.6.1 硬件平臺

　　硬件采用FPGA(現場可編程邏輯整列)和CPU相結合的技術，其中FPGA負責網絡業務報文的傳輸，CPU負責配置管理和網絡管理等工作。

　　FPGA是一種新型高性能可編程邏輯器件，它集成度高，器件密度可高達數千萬系統門，可以完成極其復雜的時序與組合邏輯電路功能，適用于高速、高密度的高端數字邏輯電路設計[9]。利用FPGA的這個特征可以實現大量信號傳輸從發送端到接收端的固定電路，從而在微觀上實現點對點傳輸，因此主要用來負責網絡業務傳輸。

　　CPU采用傳統低功耗器件，充分利用軟件處理靈活性大的特點，負責諸如配置管理、存儲管理以及設備管理等靈活性比較大、處理時間要求不高的功能。

　　硬件結構示意圖如圖 8所示。

　　2.6.2 功能模塊

　　為實現網絡化的點對點傳輸，從功能上設置圖9所示的幾個模塊。

　　(1)傳輸及傳輸管理，該模塊為實現網絡化點對點傳輸的核心模塊，負責處理智能變電站內部的所有虛回路關系，并為每條虛回路生成專用傳輸電路，同時負責所有虛回路相關的報文傳輸、統計、安全性保證以及異常處理。

　　(2)配置管理，該模塊負責對智能變電站內所有的虛回路進行管理和識別，并將這些信息傳遞給傳輸及傳輸管理模塊，同時負責對配置信息進行修改。

　　(3)數據統計，該模塊為輔助功能，負責統一處理交換機及網絡運行過程中的各種統計信息，包括流量分類統計、丟包分類統計。

　　(4)運行監視和維護，一方面負責整個交換機及網絡的運行狀態監視和報警，另一方面負責監視所有信號傳輸情況的實時監視，并實現與外部維護終端的信息交互。

3 工程應用建議

　　智能變電站網絡化點對點傳輸技術的研究，主要是針對智能變電站在實施過程中所面對的各種問題而進行的解決方案研究。由于在研究過程中采用了一系列新的概念和方法，并在具體的交換機中進行了體現，因此在實際的工程應用中具有不同與傳統交換機的特殊要求。在使用過程中需要注意以下幾點：

　　(1)由于整個方案是基于虛回路交換的點對點傳輸，對回路源和目的有著嚴格的要求。特別是回路的目的，即接收端設備，由于是首次提出的概念，因此需要二次設備廠家配合，各裝置的網絡接口采用明確、唯一的MAC地址，作為回路接收端設備的唯一標識，以便于在交換機中為虛回路產生獨立的傳輸通道。

　　(2)由于交換機支持SCD文件的導入，同時兼顧虛回路交換的特征，支持為每個SV或GOOSE報文指定多個接收端設備MAC地址，對于IP報文則支持制定多個接收端的IP地址。因此在SCD文件的制作時，可以將相關的接收端信息添加進去。

　　(3)對于回路接收端所連接端口，除可以靜態配置外，交換機還具有自動偵測功能，該偵測功能要求所連接的裝置在與交換機連接之初主動發送包含有網絡端口MAC地址的報文。對于需要頻繁更換交換機連接口的裝置，需要能配合交換機的偵測功能，能在裝置以太接口具備物理連接時主動發送符合要求的報文。

　　(4)由于交換機嚴格按照虛回路進行交換，未被配置的虛回路或與虛回路無關的報文被完全禁止進入交換機及網絡進行交換，因此任何需要接入網絡的設備均需先根據其地址進行回路配置，才能在允許的范圍內使用網絡。這種情況可能會由于在調試過程中配置了大量在正常運行過程中不使用的回路。因此建議最好能在正式運行之前，對無關回路進行清理。

參考文獻

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