具有业务感知能力的智能变电站交换机——技术白皮书

1、具有业务感知能力的智能变电站交换机？技术白皮书广州思唯奇电力科技有限公司目录1继电保护的采样同步21.1继电保护端的采样同步21.2MU端的采样同步31.3基于GPS的采样同步法41.4MU与保护协作同步61.5交换机功能在采样同步中的需求分析81.6交换机延时测量功能91.7总结162网络拓扑自动识别182.1ISIS协议报文分类182.2ISIS协议工作原理202.3ISIS应用分析212.4报文多路径转发223流量控制技术263.1令牌桶流量控制263.2动态缓存分配283.3多级子队列281 智能变电站继电保护的采样同步继电保护的采样同步问题在分布信号处理过程中尤为突出，如输电线的纵联

2、差动保护，母线差动保护等。它们所比较的是来自线路各端或不同线路的电流值，但是这些电流信号的采样是分开进行的，为了保证保护算法的正确性，保护必须比较同一时刻的电流值。因此，交流信号采样的同步处理对于输电线的纵联保护，母线差动保护等的可靠性非常重要。IEC 61850规定用于输电线间隔的保护与控制功能的采样最高同步精度需达到1s。根据实现采样同步的位置不同，可以将传统微机保护采样同步的方式分为三类，第一类是在保护的算法端实现同步，如采样数据修正法；第二类是在保护的采样端实现同步，如采样时刻调整法，GPS对时同步法；第三类是在保护的采样端进行时间同步，在保护算法端进行采样值补偿实现同步，如时钟校正法

3、。智能变电站引入网络实现数据的传输与共享，相对于传统微机保护，二次交流信号的采样功能从继电保护设备分离开来，由合并单元（MU）独立负责，继电保护设备只处理数字信号。因此，在采样的同步方式上也与传统继电保护不尽相同。同样根据实现采样同步的位置不同，智能变电站中的采样同步方法也可以分为三类。第一类是在保护端实现采样同步，如采样数据修正法，这一类方法的核心在于通过记录采样值到达的时刻并获取采样值在网络中的延时来对接收到的采样值进行补偿。第二类是在MU端实现采样同步，如采样时刻调整法和GPS对时同步法，这一类方法的核心在于选择一个时间基准，通过使各MU和统一基准校准，实现各MU的采样脉冲同步。第三类是

4、在MU端进行时间同步，在保护端进行补偿的同步方式，即MU和保护装置协作实现同步，如基于IEEE 1588协议的时钟校正法。1.1 继电保护端的采样同步 以线路纵联差动保护为例来阐述采样数据修正法的基本思路。图1-1 采样数据修正法原理如图1-1所示，线路两端的MU都在各自本端的采样时刻开始向本端和对端的继电保护装置发送各端对应本次采样时刻的电流采样值，图1-1中只显示了本端的保护装置。由于线路两端的MU采样脉冲并不同步，因此，其发送采样值的时刻相差t1。假设本端的采样值在t1时刻到达保护装置，对端的采样值在t2时刻到达保护装置，t2为采样值到达保护装置的时刻差。 （1-1）由于链路存在延时，则

5、如图1所示 （1-2）其中，Td表示对端采样值和本端采样值到达保护装置的时间差。若通过某种技术手段获取Td，则可通过式（1-3）获得MU1和MU2的采样时刻差t1。 （1-3）若t10说明对端落后于本端，若t10说明本端落后于对端。将对端的采样值根据t1进行修正，经过修正处理后就可以进行差动保护的计算。这种采样同步方法允许各MU独立采样，由保护装置来对采样进行同步化修正，因此加大了保护装置的数据处理延时，不利于提高保护的速动性。同时该方法需要一种能够计算采样值传输延时的技术手段支撑。1.2 MU端的采样同步1) 采样时刻调整法 采样时刻调整法需要选择一个MU的采样时刻作为基准，以线路纵联差动保

6、护为例，选择本端MU的采样时刻为基准，对端MU通过与本段MU交互报文来实现采样时刻的一致性。调整原理如图1-2所示。图1-2 采样时刻调整法原理本端和对端以采样间隔Ts进行采样，本端MU在采样时刻Mi向对端MU发送调整报文，SR为对端MU收到该报文的时刻，Si为SR之前的某一个采样时刻，Tr为两者之间的时间长度，Td为调整报文在传输过程中的延时，则本端MU和对端MU的采样时刻差为 （1-4）若t0说明对端落后于本端，若t0说明本端落后于对端。根据采样时刻差，将对端MU的下次采样间隔Tk调整为Tk=Ts-t。为了保证调整的稳定性，显然，采样时刻的调整不可能一次到位，应该按照上述的方法多次调整，直

7、到每次t1的计算结果足够小且趋于稳定。利用本方法，可以降低保护装置的数据处理负担，由于采样时刻的晶振一般稳定性较好，精度高，采样时刻的调整完成后，在正常情况下采样的同步能够保持较长时间。但是此种方法比较适用于点对点的传输模式，对于组网传输模式，虽然各MU的采样时刻相同，但可能由于网络延时或传输链路的改变导致继电保护接收到的采样值乱序的情况，易引起继电保护误动。1.3 基于GPS的采样同步法基于GPS的采样同步方案采用专用的GPS接收机来接收GPS卫星发送的时间信息。通过对接收到的信息进行解码、运算和处理后，可以从中获取到两种信息：（1）秒脉冲信息号1pps。该脉冲信号的上升沿与UTC（国际标准

8、时间）的同步误差不超过1s；（2）通过串口通信口输出的与1PPS对应的UTC时间编码，如图1-3所示。图1-3 基于GPS的采样同步法接受GPS对时的MU的采样脉冲每秒钟被1PPS信号同步一次，同时MU的采样时钟由高稳晶振构成，能产生满足采样频率要求的采样脉冲信号。如此就能保证各MU的采样脉冲信号的上升沿之间是同步的，误差不会超过2s。同时MU还会与UTC时间进行对时，用作采样值的时间标签。在进行差动保护算法时，只要对齐采样值的时间标签即可。B码是一种能够利用GPS信号实现对MU精确对时的技术手段。 IRIG时间编码序列是由美国国防部下属的靶场仪器组（IRIG）提出的并被普遍应用的时间信息传输

9、系统。该时码序列分为 G, A, B, E, H, D 共六种编码格式， 应用最广泛的是IRIG-B格式，简称B码。GPS接收机接收卫星时间信号, 可以每秒输出一次IRIG-B直流电平码序列, B码以 RS422/485接口输出。智能变电站各MU和IED设备可以挂在统一的对时总线上，如图1-4所示，各设备内安装的B码解码器，通过B码解码器，接收 1PPS 脉冲和时间 BCD 码完成对时工作，对时精度可达到微秒级。图1-4 B码对时示意图基于GPS对时的同步法的优点非常明显，就是不需要测量采样在传输过程中的延时。但是对时同步法依赖于GPS接收器等重要对时设备，若设备出现问题，则会直接影响到采样的

10、对时，可靠性上值得注意。1.4 MU与保护协作同步IEEE 1588精密时钟同步协议让测量以及用于实施网络通信、本地计算和分布式对象的控制系统的时钟精确同步成为可能。时钟之间的通信是通过通信网络进行的。协议在系统中设立了时钟之间的主从关系。所有的时钟都要最终从主时钟的时间上派生出它们自己的时间。将IEEE 1588协议应用于MU的时钟校正，首先就需要通过最优时钟算法推选出时钟最为准确的MU作为时钟校正的基准，称该MU的时钟为主时钟，以其为基准进行时钟校正的其中MU的时钟称之为从时钟。推选出主时钟后，主时钟向从时钟发送sync报文，并记录发送的时间t1，从时钟收到sync报文之后记录时间t2，在

11、主时钟发送sync报文后，紧跟着发送follow-up报文，里面记录了t1。然后从时钟发起delay-request报文，记录发送时间t3，当主时钟收到的时候记录时间t4，并将t4通过delay-response发送给从时钟。如此，从时钟便获知了t1，t2，t3，t4四个时刻信息。如图1-5所示。图1-5 1588同步原理想要将从时钟向主时钟校正，最重要的就是知道它与主时钟的时间差值。设主时钟的时间为tm，从时钟的时间为ts，则时间差offset为 （1-5）由图1-4可知， （1-6） （1-7）D1和D2分别为对时报文在上行下行的传输延时。1588v1假设D1=D2，这样，可以通过式（1-

12、8）计算出offset。 （1-8）根据offset，从时钟就可以向主时钟校正。上述各报文发送的频率可以选择2的n次幂的任意一个频率进行规定的，最小为1s，因此，主从时钟的校正频率也可选择2的n次幂的任意一个频率。但是实际情况并非如此，在采用点对点传输模式时可以保证对时报文上下行的延时相同，但是如果采用组网传输模式，对时报文在往返传输过程中的延时与网络实时状态有关，很难保证上下行延时相等。为解决上述问题，IEEE 1588定义并应用了边界时钟和透明时钟的概念。1） 基于边界时钟的时钟校正原理所谓的边界时钟就是指它对上一级的主时钟来说是从时钟，而对于下一级从时钟而言则充当主时钟。在采用组网传输模

13、式下边界时钟由交换机充当，如图1-6所示。图1-6 边界时钟同步示意图与主时钟直接相连的交换机与主时钟是一对主从时钟关系，它们之间发送同步报文校准时间，在两者之间的报文传输可以保证D1=D2。通过多级交换机时间校正使得各MU之间同步。但采用边界时钟有一个较大的缺点，就是虽然每一对主从时钟之间的对时较精准，但是却并不是100%准确的，在多级交换机级联的情况下就会将误差累计，最终造成不被允许的对时误差。透明时钟的提出就是为了解决边界时钟的这一缺点。2） 基于透明时钟的时钟校正原理透明时钟的对时原理如图1-7所示。透明时钟通过对进出交换机的对时报文打时间戳的方式计算出报文在交换机中的延时，然后写入对

14、时报文的修正域CF里面，每经过一个次交换机都会进行一次修正，则： （1-9） （1-10）由于线路上的上下行延时D1=D2，且CF1和CF2已知，所以就可以通过式（1-8）计算得出offset。图1-7 透明时钟同步示意图当各MU之间的之间同步之后，可以分别进行采样，在发出的采样值报文中带上时钟标签。保护装置在进行保护算法前，根据采样的时间标签进行修正计算，即可保证保护算法的正确性。采用基于IEEE 1588协议的采样同步法，虽然可以以其中的一台MU作为时间基准，但在工程实际当中通常设置独立的主时钟，主时钟与GPS信号进行对时，进而同步各MU。 1.5 交换机功能在采样同步中的需求分析智能变电

15、站的采样同步方法多种多样，但是究其核心，无外乎就是采取手段获取并消除MU之间的采样时刻差t。智能变电站中，合并单元到保护装置的采样值传输方式可采用点对点传输模式或组网传输模式。当过程层采用点对点传输模式时，合并单元输出的数字量采样值通过光纤直接发送至保护装置，报文在光纤上的传输延时为传输线路的长度与2/3光速的比值，可在组网初期通过测量计算即可获得，链路延时固定且传输环节不存在延时不稳定因素。因此，上述三类采样同步方式都可以很好的在采用点对点传输模式的情况下实现。当采用组网传输模式时合并单元输出的数字量采样值信号经以太网交换机共享至过程层总线。报文在网络中的传输延时主要由交换机延时和线路传输延

16、时两部分组成。 （1-11）式中，为线路延时，为交换机延时，即交换机中的总驻留时间，其中线路延时固定且可测量，但是采样报文在交换机中的传输延时存在不确定性。基于GPS的采样同步法，由于对时采样独立的串行总线，因此，在组网传输模式下依旧适用。基于边界时钟的时钟校正法在组网传输模式下采用的依旧是点对点的对时模式，因此也适用，但是要求交换机能够面向主时钟作为从时钟，在面向下级从时钟时能够发挥主时钟的功能。对于其他的采样对时方法，无论是实现采样数据修正法和采样时刻调整法，还是基于透明时钟的时钟校正法，都需要交换机能够测量并记录每条报文在其内部驻留的时间，最后计算出报文在网络中的总的传输延时，供保护算法

17、或者装置时钟解析并利用。1.6 交换机延时测量功能交换机是电力通信网络的核心设备之一，承担通信网络数据存储、交换、转发功能，因此交换机性能是评价电力系统通信网络可靠性的重要因素，交换机能否可靠工作直接影响电力系统安全稳定运行。交换机延时是电力系统通信网络数据传输延时的主要组成部分。研究交换机延时测量方法，在通信网络中实现合理、有效、精确地获得交换机延时，为通信网络中设备同步对时、报文延时控制、网络状态监控等技术提供支撑，对提升电力通信网络数据传输实时、可靠性具有重要意义。1.6.1 交换机的延时分析普通交换机报文存储转发过程如图1-8所示。报文在交换机中工作过程主要包括报文映射至缓存、报文解析

18、、查找地址表、输出端口队列排队等几个环节。将报文的第一比特从到达交换机接收端口至离开交换机发送端口所经历的时间称为交换机驻留延时，交换机驻留延时主要包括报文帧接收延时T3-T1、寻址延时tsearch、其他开销延时tsp、以及报文在输出端口队列中排队延时T2-T4。寻址延时及其他开销延时受交换机CPU处理速率以及报文长度等因素影响，而报文输出端口队列排队时间与实时网络工况有关，因此报文在交换机中转发各环节延时难以分割计算，给报文交换机驻留延时获取带来困难。因此交换机驻留延时无法事先计算，只能通过实时测量的方式获得。图1-8 普通交换机报文转发过程1.6.2 基于时间戳技术的智能交换机延时为精确

19、获取报文传输过程中的交换机延时，可采用基于时间戳技术的智能交换机延时测量方案。基于时间戳技术的交换机延时测量的总体思路为：在组网初期，选用配备延时测量组件的智能交换机及IED设备；报文进入智能交换机时，交换机记录、计算报文在本交换机内驻留延时，同时使用时间戳技术读取、更替报文规定延时字段信息，报文的交换机延时信息随报文传输；报文到达目的设备时其规定延时字段信息即为报文传输过程中总交换机延时。本节首先介绍时间戳技术，其次对单台交换机及组网方式下多台交换机级联工作过程进行分析，从微观和宏观两个层面分析报文传输延时测量的技术细节，并给出具有延时测量功能交换机装置构架，最后讨论基于时间戳技术交换机延时

20、测量方案的优缺点。1) 时间戳技术时间戳技术是一种在原有报文帧结构基础上加入时间信息，交换机及IED设备能够通过解析报文获取时间信息并更改时间字段信息，利用报文传输携带时间信息的技术手段。为测量交换机总驻留延时，可分别测量报文所在各交换机驻留时间，并通过时间戳技术将时延信息附加于报文，经过各交换机的延时叠加最终获得交换机总驻留时间。如图1-9所示，智能变电站采样值（Sample Value）报文采用以太网帧格式承载。其中，SV以太网帧格式有4个字节的保留字段，该保留字段用在特殊场合保留使用，时间戳技术可以使用该保留字段存储报文时间信息。同样的，GOOSE报文帧结构中也有4字节的保留字段，时间戳

21、技术同样适用于GOOSE报文图1-9 SV报文帧结构2) 多台交换机级联驻留延时如图1-10所示为组网传输方式下多台交换机级联总驻留延时计算方法示意图。交换机记录报文第一bit内容进入端口时刻Tr，以及报文第一bit内容离开交换机时刻Tt，根据式（1-12）获得报文在此交换机驻留时间，并将与报文保留位中原有时延信息叠加重新封装于报文保留位中。当报文到达目的设备后，报文保留字段中信息即为报文在交换机中总驻留时间 （1-12）图1-10 多台交换机的延时记录方法交换机总驻留延时测量具体工作流程如图1-11所示，这种交换机延时测量方法优势在于：避免对交换机各工作环节延时进行分别计算，从而避免报文长度

22、及交换机工作性能对传输延时计算影响，过程简单且有较宽拓展应用价值。图1-11 网络延时计算方法流程图3) 智能交换机驻留延时构成图1-12 单台交换机工作过程如图1-12所示为基于时间戳交换机延时测量方案中单台交换机工作过程示意图。SV报文第一bit进入交换机端口时，首先由交换机硬件时间戳记录模块记录报文进入时刻T1；取决于报文长度及端口速率，报文于T3时刻完全进入交换机缓存区；随后交换机对报文进行解析，获取报文类型、报文保留字段内容及目的地址等信息，并根据地址表查询结果将报文发送到对应端口；报文于T4时刻进入输出端口队列进行排队等候发送；经过输出端口排队时间tpd，报文于T5时刻进入输出端口

23、延长段，此时交换机利用式（1-13）计算交换机总驻留延时，根据报文类型将封装于对应字段；经过延长队列传输时间tfifo，报文第一bit于T2时刻离开交换机。 （1-13）式中，为报文进入交换机前报文保留位中时间信息、为报文保留位更新后时间，T5+tfifo即为报文离开交换机时刻T2、延长队列传输时间tfifo与报文保留位之前字段长度及端口传输速率有关，具体计算测量方法在下一节分析。4) 延长端口队列报文进入输出端口队列后，智能交换机需根据报文类型确定报文保留字段位置，报文第一bit内容到达端口后，智能交换机需要调用交换机延时计算程序获得保留字段更新信息，并将交换机延时信息封装在报文保留位中。这

24、一系列工作需要在报文保留位到达交换机端口前完成，存在报文发送过快而未及时进行处理的风险。因此智能交换机需在输出端口队列增加一段端口延长队列，人为延长报文驻留延时，避免因报文转发过快而来不及打时间戳的情况。图1-13 无延长队列图1-14 加入延长队列 如图1-13所示为无端口延长队列情况，当报文第一bit离开交换机端口时，交换机需要记录报文离开时刻T2，根据式（1-12）计算交换机延时并根据报文类型查找报文保留位所在位置，最后将计算所得结果封装于报文内容中。而交换机这一系列工作需要处理时间，因此在极端情况下会出现在交换机延时计算或报文保留位置查找工作还未结束报文保留位已经离开交换机端口情况。这

25、种情况将给交换机驻留延时测量带来误差，进而影响电力系统可靠动作。如图1-14所示，在交换机输出端口增加一段延长端口队列，当报文到达端口输出端口队列队尾时，进入延长队列并记录时间T5，交换机使用T5与报文第一bit进入交换机端口时间T1计算交换机延时，并对端口延长队列时间tfifo按式（1-13）进行补偿。通过引入端口延长队列，为交换机处理延时预留下足够的时间，解决图1-13中漏打时戳问题。 （1-14）式中，lfifo为端口延长队列深度，v为报文传输速度。其中，端口队列长度lfifo需根据报文最大允许延时及报文发送速率进行整定，其整定值直接影响报文延时及延时测量可靠性。5) 交换机驻留延时应用

26、分析采用时间戳技术测量智能交换机驻留延时，能够实现报文交换机驻留延时随报文内容同步传输，及交换机驻留延时信息在各环节的方便取用，具有较高的应用价值和拓展空间。交换机驻留延时测量可应用于智能设备同步对时、网络状况实时监控与控制等领域，对提高电力通信系统实时可靠性有重要意义。1) 智能设备同步对时。电力系统通信网络中不同设备间同步对时是信号处理的关键，如输电线差动保护、母线差动保护等需要比对同一时刻不同设备的信号，以此为依据进行控制决策，设备间的异步运行直接导致电力系统保护控制的准确性。交换机驻留延时可用于IED设备同步对时。报文传输过程中，采用时间戳技术将交换机总驻留延时封装于报文内容，报文到达

27、目的设备后，设备解析报文获取时延信息并对报文传输时延进行补偿，从而实现不同设备间采集信号的同步对时。补偿交换机驻留延时进行设备同步对时的方法，与IEEE1588协议相比不依赖于外部统一时钟，也不需要对时上行报文与下行报文延时相同的基本假设，从而避免IEEE1588对时系统中因外部时钟故障造成的通信系统失稳及上、下行报文延时不同造成的同步对时失败。2) 网络状况实时监视与控制电力系统对通信网络性能要求较高，IEC61850标准对变电站通信网络传输时延、丢包率、带宽等性能指标做了详尽的要求，为满足报文各性能指标、保证通信网络报文传输实时可靠性，需要对网络状况进行实时监视控制。交换机驻留延时测量可用

28、于网络状况实时监视，时间戳技术在报文帧结构中封装交换机驻留延时信息，方便交换机或第三方侦听设备获取交换机驻留延时信息，其优势在于不需要增加额外的网络流量，通过简单的抓包解析即可获得网络实时状况，实现网络延时的实时监视。报文延时很大程度上决定报文的可用性，交换机或第三方设备可进行报文延时整定并设置保护方式，对交换机驻留延时过长报文进行丢包、重发等操作。1.7 总结基于时间戳技术的交换机延时测量方法主要优势在于：1) 时间戳不改变帧格式，兼容目前IEC61850国际规范，国家电网、南方电网规范，适用于SV采样值和GOOSE报文；2) 使用硬件时间戳记录装置记录报文接收和发送的时间戳，其速度可以超过

29、端口线速，满足快速捕捉的需求。具体实现时，该硬件装置可以集成到交换机，亦可放在物理层PHY；3) 不增加网络流量。延时信息附加于报文帧内容中，无需在装置间发送对时报文，因此不增加网络流量；4) 具有多种拓展用途。基于时间戳技术的交换机延时测量方法，可用于装置间同步对时、采样同步监视与告警、网络流量监控与保护等多种技术实现。基于时间戳技术的交换机延时测量依赖交换机对报文转发及排队延时测量，因此具有受限于交换机晶振误差、基建费用开销等局限性。1) 交换机晶振误差。各交换机内部利用晶振对报文驻留时间进行计时，无法避免由于各交换机晶振精准度造成的误差，因此在报文通过到达目的设备后，交换机总驻留时间内包

30、括各交换机晶振误差的累积，很大程度上冲击了报文传输延时的精确测量。为减少晶振误差带来的影响，需要在通信网络设计初期，对交换机晶振性能做出要求，并合理整定误差边界、优化通信网络拓扑结构；2) 基建费用开销。利用精确测量报文传输延时进行报文对时的方案，要求通信网络中所有交换机都有支持报文驻留时间测量功能，因此需要对原有交换机进行更换。此外为进一步提高同步精确程度，需在网络建设初期对报文链路延时进行测量统计，存在不可避免的基建费用开销。2 网络拓扑自动识别目前数字化变电站过程网络和站级网络均采用以太网进行组网。以太网优势在于技术开放、传输速度快、组网简单灵活、设备易于互操作。但同时以太网媒体访问交换

31、（MAC）也带来交换路径透明、交换延时无法预测等问题。针对数字化变电站通信网络性能要求和运行特点，可以使用ISIS协议相关原理实现变电站通信网络拓扑自动识别，为变电站信息网络拓扑结构可视以及信息流的确定性交换等应用提供技术基础。2.1 ISIS协议报文分类ISIS（Intermediate System-to-Intermediate System：中间系统到中间系统）协议是由国际化标准组织制定的ISO/IEC 10589所规范的内部网关协议，ISIS是一种链路状态协议，基于SPF算法进行网络最短路径计算，该协议具有抵抗网络环路的能力。ISIS协议包括四种报文：Hello报文、链路状态报文LS

32、P、完全序列号报文CSNP、部分序列号报文PSNP。Hello报文用于维护邻接关系。链路初始化时，交换机发送Hello报文用于邻接关系询问，初始化邻接；交换机收到Hello报文时，同样返回Hello报文，用于答复邻接关系询问，并建立双向连接关系。链路状态报文LSP用于在区域中传播链路状态信息。LSP报文包括交换设备的所有邻接信息，通过交换LSP最终完成邻居链路状态数据库同步。完全序列号报文CSNP用于邻接状态数据库的实时同步。为防止邻接链路状态发生变化，DIS（领袖交换设备）每10s广播一次CSNP,CSNP中包含DIS中LSP的完整列表。部分序列号报文PSNP用于邻接状态数据库的实时更新。设

33、备接收到CSNP后，如果发现CSNP丢失了部分数据库，路由器发送PSNP请求更新LSP。图2-1 Hello报文帧结构图2-2 LSP报文帧结构图2-4 PSNP报文帧结构图2-3 SCNP报文帧结构 图2-1到2-4为ISIS报文的帧结构。报文帧结构中TLV字段由ISO 10589和RFC 1195标准定义，包含大量区域地址、邻接关系、支持协议等信息。2.2 ISIS协议工作原理如图2-5所示ISIS协议原理框图，ISIS协议主要由接收模块、更新模块和决策模块、链路信息模块组成，其中更新模块负责构建、接收和发送LSP报文，决策模块负责根据全网链路状态数据运行SPF算法获得最短路径以及无环网络

34、、链路信息模块用于存储整合网络所有设备邻接信息。图2-5 ISIS协议原理框图智能交换机利用ISIS协议建立邻居关系流程如图2-6所示。图2-6 邻居关系建立及链路状态更新流程具体流程为： 交换机A在级联口启用ISIS，以广播方式发送Hello报文，此时交换机A没有发现任何邻居，链路信息模块为空； 交换机B接收到A发送的HELLO报文后，在链路信息模块中为交换机A建立一个邻居数据结构，并且将邻居的状态设置就为init,交换机B发送一个HELLO报文给交换机A，报文中包含交换机A的MAC地址，表明交换机B收到A发送过来的HELLO报文； 交换机A收到B的HELLO报文后，同样为B创建邻居数据结构

35、，并将邻居状态设置为init，交换机A再发送一个HELLO报文给B,报文中包含B的MAC地址，表明交换机A收到B发送的HELLO报文；此时A、B两台交换机将邻居状态设置为UP,两者建立起邻接关系，并按照优先级大小从两者间选举其中一个作为DIS（领袖交换设备） A、B交换机建立起邻接关系后，两者互相发送本地的链路状态报文LSP，更新链路信息模块内容。为保证邻居链路状态数据库的同步性及减少网络报文流量，每个交换机并不与广播网上的每一台交换机同步数据库，而是采用DIS同步数据库的方式，既每个路由器只与DIS同步链路状态数据库，这样广播网上同步的次数将从N*N减少到（N1）。 经过一段时间的数据链路报

36、文交换后，DIS将广播发送CSNP报文，该报文只包括本地数据库中LSP的摘要信息（并不包含实际的LSP）,每一条摘要信息用LSPID来唯一标识一条LSP。 其他非DIS设备收到CSNP报文后将CSNP报文中的LSP与本地的数据库中的LSP进行比较。如果发现本地缺少相应的LSP，本地将发送PSNP报文用来请求更新该LSP，PSNP中包括所缺少的LSP摘要描述，如果发现本地有更多的LSP信息，则直接发送该LSP给DIS进行同步。2.3 ISIS应用分析ISIS技术在数字化变电站通信网络中具有广阔的应用前景，其收敛迅速、分层分级、拓扑可视等特性为数字化变电站站内、站间通信实时可靠性能的提升提供了新的

37、研究方向。ISIS技术在数字化变电站中应用的主要优势在于： ISIS的拓扑自动识别功能为构建数字化变电站通信网络拓扑可视化平台，简化通信网络运维管理操作提供技术基础； ISIS的拓扑自动识别功能推动通信网络组网方式改变，为构建经济、可靠的全站统一电网提供技术支撑； ISIS通过PSNP、CSNP报文实现网络拓扑结构变化后链路状态数据库实时更新，其通信网络快速收敛的性能为变电站二次系统信息流实时调度及异常保护提供了新的思路； ISIS协议使用SPF最优路径算法，能够实现最短路径以及等价多路径转发，有效解决二层网络中生成树（STP）协议带来的链路资源浪费、网络拥塞等问题； ISIS在三层路由协议中

38、的分层分级以及DIS相关理念，有利于实现不同变电站间IED设备相互通信，为构建变电站间通信网络提供新的思路。2.4 报文多路径转发目前数字化变电站采用以太网组网方式，为避免通信网络环路造成的网络风暴，需要运行STP生成树协议。STP协议通过阻断冗余链路来消除桥接网络中的环路，有效避免环网风暴，但同时STP协议也带来设备资源浪费、链路阻塞、收敛时间长、中心交换机流量较大等问题。为提高数字化变电站通信网络实时可靠性，需要在通信网络中实现报文多路径转发，使通信网络同时具备最短路径转发和等价多路径转发能力。基于此在二层通信网络引入多链路透明互联技术和SPF算法。2.4.1 TRILL技术原理目前数字化

39、变电站通信网络使用MAC表进行转发，而MAC表是一个单播表项，MAC地址与出端口时唯一对应的，因此MAC转发表天生不具备报文多路径转发能力。因此需要在二层网路中引入多链路透明协议，通过构建TRILL网络，为报文多路径转发搭建支撑平台。TRILL (Transparent Interconnection of Lots of Links,多链路透明协议)是IETF为实现数据中心大二层扩展制定的一个标准。该协议的中心思想是将二层交换机拓展成支持路由协议的三层交换机。如图2-7所示，构建一种简单的TRILL网络模型。从组网方式上看，TRILL网络中并不需要所有交换机都支持TRILL协议，而将部分运行

40、TRILL协议的交换机称为路由桥（RB），TRILL网络边缘需要设立入口路由桥（Ingress RB）和出口路由桥（Egress RB）。图2-7 简单TRILL网络模型TRLL网络具体工作步骤为： 组网初期，RB间通过ISIS路由协议实现相互间最短路径和等价多路径的计算； 工作过程中，以太网帧通过Ingress RB进入TRILL网络，Ingress RB将原先的L2报文加一个如图2-8所示的封装（隧道封装），使新的数据帧具备路由属性。图2-8 TRILL封装帧结构图2-8中Next-hop头用来指导下一跳目的RB，Outer DA MAC为目的RB的MAC地址，Outer SA MAC为源

41、RB的MAC地址；TRILL头字段用于标示报文生存时间TT L以及入口、目的RB的Nickname。Nickname为RB在TRILL中的唯一标识，类似IP地址是RB节点路由计算的基础。 根据Next-hop头中信息，报文在TRILL网络中在RB间交换。交换过程中，Next-hop头中信息实时更新，而TRILL头中仅TTL字段发生变化； 报文到达目的RB后，报文被去除TRILL封装还原成以太网帧，并被送出TRILL网。2.4.2 SPF算法通过搭建TRILL网络，数字化变电站通信网络具备三层网络路由能力,结合ISIS协议获取的网络拓扑信息，可运行SPF算法在每个节点计算最短路径和多条等价转发路

42、径。最短路径优先算法（SPF）由Dijkstra发明，也称为Dijkstra算法。SPF算法是路由表计算的依据，通过SPF算法可以得到有关网络节点的最短路径树，然后由最短路径优先树得到路由表。具体来说，SPF算法将每一个路由器作为根（root），并调用ISIS协议建立的链路状态数据库，形成如图2-9所示网络拓扑图。随后，SPF计算该路由器到每一个目的路由的距离，选择最短路径形成如图2-10所示最短路径树。如果存在等价最短路径，SPF算法则按照链路剩余带宽，根据平衡负载原则选择最短路径。图2-9 网络拓扑图图2-10 最短路径树2.4.3 应用分析“多路径转发”概念以往只用于IP转发，然而通过引

43、入TRILL技术构建应用平台，并结合使用ISIS协议网络拓扑发现功能，数字化变电站二层网络也能实现报文多路径转发功能。数字化变电站报文多路径转发主要优势在于： 每一个节点均运行SPF算法，以本节点为根节点形成最短路径树，也就是说网络中最短路径树并不是唯一的，与STP算法相比有了很大进步，很大程度上缓解了中心交换机的流量负载； 报文多路径转发技术不会因网络环路造成网络风暴，即便形成环路由于TRILL头中包含TTL字段，有效减少网络风暴的危害； 报文多路径转发主要作用在于最短路径转发和网络流量平衡，交换机能够根据相关整定算法，依据端口带宽利用程度自主选择其他交换路径，有效减缓链路拥塞问题。3 流量

44、控制技术信息流交换实时可靠性是数字化变电站最重要的性能指标。为保证在有限网络资源下站内报文的可靠交换，变电站通信网络采用各种控制策略和调度机制来减少报文延时和丢失，这些技术统称为流量控制技术。数字化变电站通信网络不同于通用数据网络。从交换业务上看，变电站通信网络中传输GOOSE报文、SV报文、IEEE1588对时报文等，业务类型较少；从服务机制上看，变电站通信网络对部分报文实时可靠性要求极高，网络需要优先满足这类报文需求；从组网方式上看，变电站通信网络采用以太网组网，其核心设备为交换机。因此，数字化变电站需采用满足通信网络特殊性要求的流量控制技术。如图3-1所示为数字化变电站通信网络流量控制技

45、术整体方案，依据报文交换物理过程，各流量控制技术按顺序依次为：令牌桶流量控制技术、动态缓存分配技术、报文多路径转发技术、多级子队列技术、流量整形技术。图3-1 流量控制整体方案其中，令牌桶流量控制技术用于在交换机入口控制报文的突发流量；动态缓存分配技术用于保证重要报文的优先存储转发；报文多路径转发技术用于根据网络负载情况自适应调整报文传输路径；多级子队列技术用于减少重要报文排队延时，保证重要报文优先交换；流量整形技术用于出口流量控制，避免突发流量进入网络。3.1 令牌桶流量控制3.1.1 令牌桶算法原理令牌桶流量控制是网络流量整形和速率限制中最常用的一种算法，通过改变令牌桶尺寸大小以及令牌注入

46、数量、速度等参数，可以有效控制通过流量并允许部分突发数据。如图3-2所示为简单令牌桶流量控制原理图。令牌桶工作的关键在于报文能否从令牌桶中获得token，当报文在输入队列中获得token时，报文可进入输出队列，否则直接丢弃。token根据不同业务流QoS要求以一定规则投放到令牌桶，其存储数量由令牌桶尺寸决定，溢出部分直接丢弃。图3-2 简单令牌桶流量控制原理根据令牌桶流量控制原则，token产生周期T和产生数量q决定了稳态情况下报文的交换速度，而令牌桶的尺寸S决定了报文允许突发流量。结合数字化变电站不同信息流传输特点，合理设定这些参数，可以有针对性的控制通信网络突发流量。3.1.2 令牌桶在数

47、字化变电站中应用IEC61850标准定义变电站内传送的主要有四类报文：用于传递一次设备状态信息的采样值SV报文；用于紧急跳闸、启动故障录波、启动闭锁、解锁等需要快速传递信息场合的GOOSE报文；用于报文传输监视，控制及管理的MMS报文；用于智能电子设备同步对时的对时报文。表3-1 变电站二次系统中主要报文特点比较特征GOOSESVMMS对时报文流量值较小很大一般较小流量波动周期/突发周期随机随机报文属性重要较重要次要较重要如表3-1所示，为变电站二次系统中主要报文特点对比。3.2 动态缓存分配如图3-3所示，报文通过令牌桶后进入交换机缓存等候转发，而传统交换原理中交换机缓存遵循报文“先进先出”原则，在缓存不足情况下对报文不加区分进行丢弃处理，这种工作机制直接限制了关键报文的实时可靠交换为保证关键报文的实时可靠传输，避免在网络拥塞、广播风暴等情况下由于缓存区不足引发丢包的问题，可将目前变电站交换机内缓存划分为独占区