智能变电站交换机及组网方案v3.ppt

胡俊&周佳华加拿大罗杰康公司2011-12,智能变电站交换机及组网方案,智能变电站与以太网交换机智能变电站自动化系统网络设计工程实例Q&A,主题,智能变电站与数字化变电站,智能化变电站与数字化变电站是智能电网的关键节点；数字化变电站的特征是一次设备数字化、二次设备网络化、通信规约标准化；智能变电站是采用先进、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。基于IEC61850标准的变电站网络通信是最大的共同点。,智能化变电站二次系统,站控层网络IEC61850-8-1,过程层网络IEC61850-9-2,智能化变电站交换机的作用,交换CT和VT的采样测量值；保护和控制I/O数据的快速交换；控制和跳闸信号；工程和配置；监控和管理；控制中心之间通信；时间同步，依同步精度要求不同分别采用NTP和PTP时钟同步协议；计量；故障记录和网络分析；其他功能，如资产管理等。以太网交换机所带来的高速的数据共享和数据交换使得IEC61850变电站中的智能电子设备(IED)可以集成更多更高级的功能，从而使得变电站的二次系统成为一个智能化分布式控制系统。,智能变电站对以太网交换机的要求,高可靠性（MTBF106hours）高可用性99.999%快速网络自愈（eRSTP、MSTP、HSR）GOOSE报文要求小于3ms的网络延时（包括IED的处理时间）精确时钟同步PTP（1000帧/s传输各种帧长数据时交换机固有时延应10s交换机在全线速转发条件下丢包（帧）率为零支持虚拟局域网VLAN，IEEE802.1p流量优先级控制标准，快速生成树协议RSTP或多生成树协议MSTP，网络风暴抑制，GMRP组播协议，简单网络管理协议SNMP，通信安全等,交换机主要网络性能要求,过程层网络：GOOSE与SMV,IEC61850建议的MAC地址取值范围,IEC61850标准中各种服务类型的报文均使用组播MAC地址。交换机在缺省情况下会将组播报文全网广播，这虽然能保证报文传输的实时性，但是这也造成装置收到大量与自身无关的报文，特别是网络中有SMV报文时，往往会造成装置过载。,以每周波80点采样为例，按照IEC61850-9-1传输方式，将采样值（SV）信号和开入开出信号并为一帧发送，其占用的网络带宽为：SRTLnMU其中SR为采样速率（Hz）TL为最大报文长度，即26个字节以太网报头+4个字节优先级标签+8个字节以太网型PDU+2个字节ASN.1标记/长度+2个字节块的数目+46个字节通用数据集+23个字节状态量=111个字节，111字节8位=888位，888位+96位帧间隔=984位nMU为所连接的合并单元（MU）的数目所以SRTLnMU=(8050Hz)984BitnMU=3.936nMUMbps对于一个100M的以太网络，一台MU做占用网带宽以达到4左右，而通常母差和变压器等保护装置需要多个MU，所占用的带宽往往需要会成倍增加。,过程层网络负荷,组播与MAC地址,报文的目的地址分为：单播：一对一广播：一对全部组播：一对多,MAC地址第一个字节的最后一位如果是“1”，即表示组播交换机缺省情况下会将组播报文广播到同一局域网的所有端口,VLAN1,VLAN2,T,T,R,R,什么可以限制组播?,VLAN可以限制组播，但装置可能还会收到无用的组播静态组播过滤GMRP或IGMP组播过滤,IED,IED,IED,IED,IED,MU,GOOSE,SMV,VLAN标签,DataVariableLength46-1500Bytes,Type2Bytes,SourceMAC6Bytes,Dest.MAC6Bytes,Preamble8Byes,FCS4Bytes,Type4Bytes,TPID,TCI,UserPriority3bit,TagProtocolID0 x810016bit,CFI1bit,VLANID12bit,TPID=TagProtocolIdentifierTCI=TagControlInformationCFI=CanonicalFormatIndicator,带优先级的以太网帧最大帧长度-1522字节（增加了4个字节）,为报文指定VLANID的方式有两种：设置交换机端口的PVID，使装置发出的VLANID=0的报文关联上PVID在装置中设置报文的VLANID，即装置发出的报文中已经包含了一个非零的VLANID，而交换机所有端口的PVID一般保留缺省值1；随后通过在交换机中设置静态VLAN的FORBIDDEN规则，实现组播报文的隔离。以上两种方法通常可以达到相同的组播报文隔离效果。第一种方法实施简单，因为无需对装置做VLAN配置。但在实际应用中，第二种方法是适应性更好。因为智能变电站中越来越多地使用IEC61588对时技术，而根据标准，要求对时装置间发出的PTP报文应在一个同一个VLAN中。如果采用上述方案二，即端口的PVID不同，会使PTP报文不能正常交互。另外在实际应用中也发现，方法一会增加交换机的CPU负载，对PTP对时精度稍有影响。,VLANID,什么是VLAN？VirtualLAN:一个独立的以太网，它与其它网络共用相同的硬件允许不同位置的多个设备同时工作，就象在不同的局域网上一样每个VLAN作为一个独立的广播域IEEE802.1Q标准定义了tagged帧格式，允许多个VLAN在一个主干上传输VLAN之间的数据通信需要采用路由器,为什么需要VLAN？大量的广播数据浪费了大量带宽VLAN减少了广播流量隔离带有关键实时数据的IEDs这些设备不需要处理无关的数据包隔离产生大量数据输出的设备61850-9-2过程总线和视频监控设备可能产生大量的数据流VLAN将他们隔离安全VLANs将数据流限制在需要它的工作站上不能被监听一般来讲，每个VLAN有自己的IP子网,VLAN(802.1Q),VLAN举例,1,2,3,4,5,13,14,15,16,1,2,3,4,5,13,14,15,16,VLAN1,VLAN2,VLAN3,VLAN2,VLAN3,VLAN1,VLANTRUNK,VLANTRUNK,静态组播过滤,静态地址表是通用性最好的隔离组播的方法，但填写MAC地址是很繁琐事情，一般只在智能装置不支持VLAN时使用。,动态组播过滤GMRP,GMRP是GARPMulticastRegistrationProtocol（GARP组播注册协议）的缩写，是一种数据链路层的组播过滤协议，非常适合变电站过程层GOOSE和SV等组播报文的过滤在支持GMRP的交换机和装置间传输组播注册信息，动态维护组播地址表GMRP可以大大简化智能变电站内交换机配置,动态组播过滤GMRP,为了适应智能变电站故障录波、报文记录仪等设备，需要对GMRP协议做以下的优化：交换机的全局GMRP=off-组播被广播到交换机的所有端口交换机的全局GMRP=on，且端口的GMRP=on-组播只发送到“member”端口交换机的全局GMRP=on，且端口的GMRP=off-组播也会被广播到该端口,MC,A,B,C,GMRP=off,GMRP=on,GMRP=on,PortGMRP=onregistered,IED,MU,IED,IED,IED,PortGMRP=offregistered,DL/T860.5一200613.4传输时间定义：时间计时从发送方把数据内容置于其传输栈顶时刻开始，直到接受方从其传输栈中取走数据时结束。13.7报文类型和性能类：跳闸是变电站中最重要的快速报文。总传输时间应小于1/4周期，规定3ms。,网络延时传输时间定义,网络延时交换机的延时计算,交换机以太网的延时由以下4部分组成帧收发延时（LSF）交换延时（LSW）线路传输延时（LWL）帧队列延时（LQ）总的网络延时=LSF+LSW+LWL+LQ通常，提高帧收发速度和降低网络负载（帧排队时间），是减小网络延时的主要手段,网络延时帧收发延时LSF,10Mbit/s以太网帧收发延时:64字节数据包=51.2s1522字节数据包=1217.6s100Mbit/s以太网帧收发延时:64字节数据包=5.12s1522字节数据包=121.76s1000Mbit/s以太网帧收发延时:64字节数据包=0.512s1522字节数据包=12.176s,网络延时交换延时LSW,RuggedCom交换机的交换延时小于7s,网络延时线路传输延时LWL,数据在线路上的传输的速度按2/3的光速计算,如果传输距离较长，比如说100KM，延时LWL计算如下LWL=1x105m/(0.663108m/s)500s,平均帧队列延时可以按以下公式估算：LQ=(网络负载)LSF(max)网络负载是当前网络负载占网络带宽的百分比LSF(max)存储转发最大数据帧(1500byte)的收发时间网络负载在25%的情况下平均帧排队延时为：LQ=0.2512000bits/100Mbps=30s,网络延时帧队列延时LQ,网络延时实际案例,对于采样值网络，线路上的时延可以忽略不计，排队时延按上述平均排队时延考虑。则总时延等于报文通过每台交换机的时延的总和。总时延（L_Total）(us)=LSF1+LSW1+LQ1+LSF2+LSW2+LQ2+LSF3+LSW3+LQ3+LSF4对于大侣110KV变电站的网络延时，网络负载分别为38%和45%，即38M和45M。对132个字节的采样值数据，经过3台交换机的总延时，理论分析57.82us，实验测得58us。,IEC61588时钟同步,PTP的基本构思是通过硬件和软件将网络设备（客户机）的内部时钟与主控机的主时钟实现同步，提供同步建立时间小于10s的运用，与未执行IEEC61588协议的以太网延迟时间1ms相比，整个网络的定时同步指标有显著的改善PTP对时三个主要环节：最佳主时钟算法BMC主从时钟偏差计算主从时钟传输延时计算,两步法PTP对时原理,主时钟和从时钟的时间偏差,主时钟和从时钟的传输延时,透明时钟（TC）工作原理,透明时钟（TC）工作原理,P2P延时计算,TC的传输延时计算,P2P延时计算,TC的传输延时计算,P2P中TC依次累计前端的传输延时，作为其下一个节点的修正时间（correction),T1(t4-t1)-(t3-t2)/2,IEEE1588时钟同步,IEEE1588v2测试,经过三台RSG2288交换机测得主钟与从钟之间的偏差100ns,智能变电站与以太网交换机智能变电站自动化系统网络设计工程实例Q&A,总线分布式拓扑结构,多台交换机的简单串接易于布线就象RS485一样没有冗余任一电缆/交换机的故障可能导致多个IED与站控级断开,星形分布式拓扑结构,最小延迟从IED到IED之间只有三跳全部连接到中心交换机通常成本高且不易实现冗余能力与总线形一样,环形分布式拓扑结构,N+1网络冗余容错能力采用RSTP自动重新组态多环连接可以组成网格形拓扑结构,需要采用RSTP实现备用连接,IED冗余接线增强网络弹性,双星形集中式拓扑结构,双星形分布式拓扑结构,双倍的设备和线路,双环形分布式拓扑结构,案例：青岛午山220KV变电站,相切环形分布式拓扑结构,案例：浙江外陈220KV变电站,网状分布式拓扑结构,SV,GOOSE,案例：唐山郭家屯220KV变电站,智能变电站自动化系统网络,直采直跳的组网方式,网络设计原则,站控层/间隔层网络可传输MMS报文和GOOSE报文；220kV及以上变电站站控层/间隔层网络宜采用双重化星形以太网络，110kV（66kV）变电站站控层/间隔层网络宜采用单星形以太网络。过程层网络可传输GOOSE报文和SV报文；双重化配置的保护装置应分别接入各自GOOSE和SV网络，单套配置的测控装置；等宜通过独立的数据接口控制器接入双重化网络，对于相量测量装置、电度表等仅需接入SV采样值单网。介质与传输距离限制过程层交换机与交换机之间，交换机与装置之间采用多模光纤（MMF）；如果1000M传输距离超过275米时，应采用50/125um多模光纤或者单模光纤；站控层交换机与交换机之间采用光纤级联，交换机与装置之间（如果无GOOSE等关键任务）可采用双绞线，注意双绞线的传输距离一般不宜超过1020米。,站控层及间隔层网络配置示意,过程层网络配置示意图,网络设计建议,220kV变电站当保护、测控装置下放布置时，SV报文宜统一采用点对点方式，除保护跳闸外GOOSE报文宜采用网络方式，220kV、110kV应按电压等级配置过程层网络。220kV过程层网络宜采用星形双网结构。110kV过程层网络宜采用星形双网结构，也可采用星型单网结构。当间隔数量较多时，经技术经济比较后110kV可不设置间隔内过程层交换机，间隔内同一智能控制柜中的过程层、间隔层设备间SV、GOOSE报文采用点对点方式连接，跨间隔间GOOSE通信通过过程层中心交换机完成。,网络设计建议,220kV变电站当间隔层保护、测控装置集中布置时，除保护装置外SV报文、除保护跳闸外GOOSE报文宜统一采用网络方式、共网传输（SV报文也可统一采用点对点方式），220kV、110kV应按电压等级配置过程层网络。220kV过程层网络宜采用星形双网结构，110kV过程层网络宜采用星形双网结构，也可采用星型单网结构。,网络设计建议,220kV变电站220kV、110kV宜按照电压等级配置过程层中心交换机，用于同一电压等级过程层跨间隔数据的汇总与通信。母线保护、故障录波及网络记录分析一体化装置等装置宜通过中心交换机收发过程层数据。当220kV采用线变组或扩大内桥接线时，可不配置过程层中心交换机。中心交换机端口总数量应与之相级联的间隔过程层交换机端口数量相匹配，并保留一定备用端口。当过程层采用双网时，中心交换机也应按双网配置。,网络设计建议,220kV变电站35kV及以下电压等级不配置独立过程层网络，SV报文可采用点对点方式传输，GOOSE报文可利用站控层网络传输。主变不配置独立过程层网络，主变保护、测控等装置宜接入高、中压侧过程层网络，主变低压侧过程层SV报文、GOOSE报文可接入中压侧过程层网络。变压保护、测控等装置接入不同电压等级的过程层网络时，应采用相互独立的数据接口控制器。,网络设计建议,110kV变电站对于单母线或双母线接线，当间隔层保护、测控装置集中布置时，110kV过程层宜设置单星形以太网络，GOOSE及SV报文宜采用网络方式传输，GOOSE网与SV网共网设置；当保护、测控装置下放布置时，GOOSE及SV均不组网，采用点对点方式传输。对于桥式接线、线变组接线，110kVGOOSE报文及SV报文宜采用点对点方式传输，不宜组建过程层网络。35kV、10kV不宜设置过程层网络，GOOSE报文通过站控层传输。,智能变电站与以太网交换机智能变电站自动化系统网络设计工程实例Q&A,上海南桥变电站,Source:SiemensPresentation,浙江外陈220KV数字化变电站,浙江兰溪500KV变电站,大侣110KV智能化变电站,220kV纪南变电站-220kVSV网,A网3台RSG2100全光口交换机，并留有相应的冗余端口，B网结构与上图类似；RSG2100交换机之间通过1000M光口级联，装置与交换机之间通过100M光口接入；SV网所需要的端口数取决于间隔的数量，一个间隔要接入的装置通常包括测控及合并单元，另外还需要考虑的有：主变、母联、PT、公用测控、备自投、网络分析、故障录波等。,220kV纪南变电站-220kVGOOSE网,A网4台RSG2100全光口交换机，并留有相应的冗余端口，B网结