技术与应用 智能变电站过程层交换机关键技术探讨 杨 贵 王兆强2 王文龙 刘 周旭峰 (1.南京南瑞继保电气有限公司,南京 211102;2.周口供电公司,河南周口466000) 摘要 智能变电站过程层采用IEC61850.9.2标准通过交换机组网实现保护、测控、合并单元 及智能装置的互联,交换机成为过程层网络的必须装置。交换机的性能指标直接影响到了保护、 测控等装置的可靠性。因此交换机必须符合过程层应用对环境、机械性能、EMC等指标要求,并 且在功能上要求交换机在吞吐量、帧丢失率、传输延时及组播管理等方面的性能指标符合过程层 的应用要求。本文通过对交换机数据交换原理、传输延时、组播管理、网络风暴抑制等功能的实 现原理进行分析,选择符合智能变电站过程层应用的交换机各项功能的实现方式 关键词:交换机;智能变电站;过程层;存储转发;延时;组播管理 Intelligent Substation Process Level Switch Key Technology Discussion Yang Guii Wang Zhaoqiang2 Wang Wenlongi Liu Minghui Zhou Xufengi (1.NR Electric Co.,Ltd,Nanj ing 2 1 1 1 02;2.Zhoukou Power Supply Company,Zhoukou,Henan 466000) Abstract Intelligent substation process level using the IEC6 1 850·-9--2 standard exchanges protection,measurement and control,merging unit and intelligent device interconnection with switch, switch become the necessary device of Process Layer Network.Switch performance directly affects the reliability of protection,measurement and control device.Therefore switch must be satisfy the requirement of Process Layer demand on environment,mechanical properties,EMC etc.and switch must satisfy process layer application requirements on the function in throughput,frame loss rate,time delay and multicast management and other aspects of the performance indicators.This article through to analysis the switchboard data exchange principle,transmission delay,group management,network storm suppression function to the realization of the principle,select the switch who satisfy the requirement of application of intelligent substation process leve1. Key words.switch;intelligent substation;process layer;S&F:delay;multicast management 随着智能变电站在国内大面积推广,过程层应 用交换机的数量越来越多,符合IEC61850标准[1] 要求的工业级以太网交换机在变电站中的重要性越 来越高,并成为变电站安全稳定运行不可或缺的重 2)由于过程层交换机采用光纤通信,本身发热 量较大且要求采用物理散热方式,因此,工作温度 范围应满足一40℃~+70℃,最好能够满足--40℃~ +85℃要求 J。 要组成部分。智能变电站在过程层采用交换机实现 保护、测控与合并单元、智能终端信息互联时,交 换机就成了保护可靠动作、遥控命令正确下发的关 键环节。SV和GOOSE数据帧在过程层交换机网络 3)机械性能应满足Cm级要求,即常规运输条 件下的振动要求。 4)交换机的吞吐量应能满足所有端口线速收发 要求,满足所有端口均可同时线速收发数据帧的要 求。 上传输而产生的传输延时、瞬时丢包等将直接影响 保护动作的可靠性。因此过程层交换机的性能指标 必须满足过程层应用的要求。针对智能变电站和 5)传输延时应满足保护等装置对传输延时的要 求。一般要求网络传输延时应小于lms。 6)具有符合智能变电站要求的组播管理功能, 如VLAN、静态组播管理、GMRP等,且应安全可靠。 IEC61850的要求,交换机必须满足如下指标要求: 1)在强EMC情况下的零丢包技术。 2012 ̄1期窀 技球l 51 技术与应用 7)具有端口镜像功能和网络风暴抑制功能,方 便网络数据帧分析和净化。 从上面的智能变电站对交换机的要求可知,过 程层交换机应具有组播管理功能、端口镜像、网络 风暴抑制等高级应用功能,基本性能应满足吞吐量、 帧丢失率、传输延时的要求,并应满足型式实验的 各项指标要求。智能变电站典型网络结构如图l所 不, 图1智能变电站典型组网图 l交换机分类 智能变电站中使用的交换机均为以太网交换 机,该类型交换机通过对MAC地址寻址来完成数 据帧转发、过滤的交换设备。根据交换机管理模式、 帧转发技术等,可将以太网交换机进行如下分类。 1.1依据管理模式划分 依据管理模式可划分为管理型交换机和非管理 型交换机两种。 管理型交换机开机后通过CPU对SWITCH、 PHY芯片等进行初始化配置完成交换机的初始化, 并可开发CPU参与的交换机高级应用功能,如 GMRP、IGMP、Web、Telnet、CLI、RSTP等。在 交换机工作时过程中可以实时对SWITCH芯片等提 供动态的管理,方便对交换机进行实时维护及功能 升级,非常适合智能变电站等高要求的场合应用。 非管理型交换机开机后SWITCH芯片通过读取 I2C芯片中的配置信息自行完成交换机的初始化配 置,工作时无需CPU参与且无法开发高级应用功能, 配置简单方便但是功能相对较少,无法适合高端应用 场合,只能应用于低电压等级的常规变电站等。 由于过程层需要采用网络风暴抑制、组播管理、 端口镜像等高级应用功能,需要实时进行功能配置, 因此必须选用管理型以太网交换机。 1.2根据数据帧转发模式划分 依据数据帧转发模式可将交换机划分为存储转 发、直通及碎片隔离等三种类型。 52 l电 技露c 2012 ̄1期 存储转发模式是目前以太网交换机采用最为广 泛的工作模式。首先需要完全接收数据帧并存储, 进行CRC校验后再对数据帧进行纠错等一系列处 理后才将数据帧进行转发。因此存储转发模式具有 传输延时大的缺点,但是具有数据帧错误检测的特 点,可有效地改善了网络性能。尤其重要的是可以 支持不同速度的端口间的数据帧转换,实现了高速 端口与低速端口问的协同工作。 直通模式的以太网交换机不需要完全接收整帧 数据,只需接收到数据帧的目的地址就可以此为依 据进行转发,因此具有传输延迟小优点。但是缺乏 数据帧的错误检测机制,不能确保网络数据帧传输 的可靠性。因为没有缓存能力也不能实现不同速率 端口的互联。过程层交换机需要不同速率端口协同 工作,直通模式无法满足该应用要求。并且无法满 足帧丢失率为0的要求,因此该方案不适合智能变 电站应用。 碎片隔离模式介于前两者之间的一种解决方案。 它检查数据包的长度是否够64个字节,如果小于64 字节则认为是虚假帧直接丢弃;如果大于64字节则 转发该数据帧。这种方式也不提供数据校验,它的数 据处理速度比存储转发方式快,但比直通式慢。 根据对三种实现方式的比较,过程层交换机应 采用存储转发模式来保证网络的可靠性及不同速率 端口的协同工作。 综合上述分析可知过程层交换机应采用L2层 管理型工业级以太网交换机,且数据转发模式应采 用存储转发模式。 2关键技术分析 过程层交换机需要具有组播管理、网络风暴抑 制、端口镜像等功能,并对吞吐量、传输延时提出 了具体要求,因此,下面分别对以上几点分别进行 分析。IEC61850对环境、温度、EMC等方面的要 求由于是硬件方面要求,这里不进行详细介绍。 2.1组播管理 · 目前过程层交换机普遍采用的组播管理方式主 要是802.1Q VLAN,还有个别站采用个GMRP动态 组播管理功能和静态组播管理功能。 1)IEEE802.1Q VLAN VLAN(Virtual Local Area Network,虚拟局域 网)功能丰要为了解决交换机在进行局域网互连时 无法广播的问题p J。这种技术可以把一个物理 上的LAN划分成多个逻辑上的LAN(即VLAN), 每个VLAN是一个广播域,VLAN内的主机问通信 与物理上的LAN相同,而各VLAN问则不能直接 互通,从而实现将广播帧在一个VLAN内。根 据判别数据帧中的关键字不同,可细分为端口 VLAN、IEEE802.1O VLAN、基于MAC VLAN、基 于协议VLAN等,目前智能变电站普遍采用的是 IEEE802.1 O VLAN。 图2划分VLAN前的广播域 图3划分VLAN后的广播域 IEEE802.1O VLAN通过在发送数据帧中加入 VLAN标签,在接收端通过对VLAN标签解析来确 定数据帧在指定的虚拟局域网中转发的一种方式。 从图4中可以看到带有802.1Q标签的以太网帧及其 中的TAG标签结构。 其中0X8l0O指示该帧是具有802.1Q标签的数 据帧;PRI是3bit的域,表示数据帧的优先级,共 有0~7共8种优先级可以设置;CFI表示以太网帧 结构;VLAN ID是12bit的域,指明VLAN的ID 值,共有4096个不同值可以设置,其中OXO和 OXFFF是两个特殊的VLAN ID,0X0表示该数据帧 没有设置VLAN ID,采用交换机默认的VLAN进行 数据帧转发,0XFFF依据不同的交换机处理方式不 同可以被认为是有效值或无效值。 以太 DA SA lY}】E DATA CR /\\带有8t)2. 标 以爪嘲 J DA SA TAG I'YPE l DAI。A j CRC 【, (}X81【J(】 I I“ f Vf AN¨) } J 图4以太网帧结构 IEEE802.1Q VLAN的划分从本质上讲是通过 技术与应用 给数据帧加标识,交换机通过对表示的识别来达到 链路层广播域的隔离,通过在交换机内部建立端口 与VLAN tag的映射关系实现。 具有802.1Q VLAN功能的交换机一般默认开启 VLANI,该VLAN默认包含所有端口(包括CPu), 且默认数据帧输出时不带标签。交换机VLAN划分规 则为每个端口可以属于多个VLAN,每个VLAN可 以包含多个端口,并且支持交叉VLAN的设置。 2)静态组播管理 通过手动配置交换机组播表的方式实现特定 MAC地址的组播帧向配置端口进行转发,其他端口 将不会出现该MAC地址的组播帧。 通过该方式在交换机内静态添加完组播表后, 适合过程层应用的交换机应支持通过内部控制字决 定其它未添加到组播表中的组播的处理方式,可根 据需要选择丢弃或转发。当选择丢弃时,未注册的 组播数据帧将在输入后直接被丢弃而不会转发到其 他端口;当选择转发时,未注册的组播数据帧在输 入后将在整个VLAN范围内进行转发,转发结果取 决于该VLAN包含的端口。 目前支持未注册组播处理方式的交换机只有南 瑞继保公司的PCS.9882系列以太网交换机,其他 厂家交换机均为开放该功能。 3)GMRP 通过GMRP(GARP组播注册协议,GARP Multicast Registration Protoco1)动态注册组播的转发 端口实现网络上组播帧的管理。通过该方式可以实 现注册组播地址的数据帧向已注册端口转发,其他 未注册组播地址的数据帧将被直接丢弃,从而达到 净化网络,提升网络效率的目的。 该方式具有动态学习的特点,整个组播的注册 过程均是智能装置和交换机自行交互完成,灵活性 较大。对于智能变电站过程层等要求网络稳定性很 高的应用场合需要慎重使用,这种应用方式需要在 确保交换机及智能装置的GMRP协议可靠性的前提 下才可考虑应用。 通过对VLAN、静态组播管理、GMRP等组播 管理方式分析,在表1中对列出了各种组播管理方 式的差异。 从表1中我们可以看出采用VLAN和静态组播 方式具有很高的可靠性,同时静态组播方式具有未配 置组播过滤功能和配置清晰的特点。采用GMRP具 有无需人工参与配置的特点,但是可靠性无法得到有 2012 ̄1期电孳麓撤I 53 技术与应用 效控制,因此,目前智能变电站过程层应用的组播管 理方式应首选静态组播管理方式,VLAN方式可作为 备选方案,GMRP在可以保证可靠性的前提下应该 免在智能变电站中应用。 能够成为将来过程层应用的最终实现方案。 表1各种组播管理的比较 项目 VLAN 静态组播 GMRP 而 j.L . 可靠性 高 高 由程序决定 可控性 结果可控 结果可控 不可控 有效范围 所有数据帧 所有组播 所有组播 判别数据帧 判别数据帧目 判别数据帧 原理 标签(VLAN) 的组播地址决 目的组播地 决定转发数 据帧范围 定其转发范围 址决定其转 发范围 较复杂,无法 较清晰,可设 不需配置,未 配置情况 区分组播是 置屏蔽未配置 注册组播帧 否有用 组播帧 被屏蔽 站内应用 较多 较少 较少 2.2网络风暴抑制 可能形成网络风暴的数据帧有广播(BC)、组 播(MC)、未知地址单播(Dlf)。它们的共同特 点是在整个网络上进行广播,这将大量占用网络带 宽从而降低网络性能,有可能因此而导致网络上的 装置接收到大量的无用数据帧而导致装置异常等, 因此,应严格避免网络风暴的产生。网络风暴抑制 功能可对每个端口的输入的BC、MC、Dlf帧进行 选择性抑制,即可设置抑制其中的一种、任意两种 或三种全部抑制 ]。网络风暴抑制机制根据交换机 的不同,可能是对输入端口进行抑制或对输出端口 进行抑制。采用输入端口抑制机制的交换机可在源 头上对网络风暴进行抑制,防止将网络风暴引入交 换机,从而影响交换机正常数据帧的交换,因此智 能变电站应采用输入端口抑制机制。 主流网络风暴抑制策略:颗粒为62.5kbps, 100Mbps以下的值均可设置。Burst颗粒(端口bucket 大小)为64kbit,最大可到8128kbit(该参数以 PCS一9882系列交换机为依据)。 在相同抑制策略下,由于交换机内部实现机制 的不同会导致网络风暴的抑制结果存在差异。 图5代表的抑制策略是在每秒的开始部分将设 置的抑制流量以线速全部输出,后面的1~△t的时 间内没有任何受抑制数据帧输出,以后每秒均按找 照该策略输出。该策略在每秒内均有一次明显的短 时网络风暴,对于网络上的装置均有一定的冲击作 用,会导致网络上的装置瞬时报文丢失或数据帧延 时加大,因此,该抑制策略存在明显的缺陷,应避 54 J电鼻|l技柬 2012 ̄1期 图5抑制结果1 图6代表的抑制策略是在每秒内均匀的输出受 抑制类型的数据帧,不会形成瞬时的网络风暴,对网 络上的装置影响最小,因此,适合在智能便电站中应 用,该策略的代表产品为PCS.9882系列交换机。 图6抑制结果2 其他网络风暴抑制策略还有在指定ms内允许 通过指定数量的帧数。该抑制策略无法准确的限定 端口受抑制数据流量。由于受抑制报文的帧长度可 能是动态变化的,因此输出的数据帧流量会随帧长 度的变化而变化,无法确定端口的抑制数据流量, 不利于智能变电站应用。 2.3传输延时 交换机采用两个指标来表示自身的延时情况: 存储转发延时(S&F)和直通延时(CT)。 S&F延时指输入帧的最后一位到达输入端口开 始计时,输出帧的第一位在输出端口上可见结束时 间间隔计时所得到的时间。 CT延时指当输入帧的第一位出现在输入端口 时,开始计时,当输出帧的第一位在输出端口上可 见时,结束时间间隔计时所得到的时间【 。 两者存在如下关系: CT时延=帧长度/接收端口速率+S&F时延 CT时延=每个字节传输时间X帧长度+s&F时延 CT用来统计帧在交换机内驻留的全部时间,而 S&F用来统计交换机处理该帧所花费的额外时间。 正常境况下交换机的S&F延时小于5gs(性能优越 的交换机可达2gs以下),CT延时随帧长度变化而 变化。具体数值如下表1所示。 当端口发生拥塞情况下,数据帧在交换机上的 驻留时间将大大增加,最大驻留时问( )可通过 下式计算得到 Ts=CT ̄P 其中,P 指n个端口同时向一个端口发送帧的端ISl 数量,CT指发送拥塞的帧在交换机上的驻留时间。 表2百兆端口延时 帧长度/byte CT/ ̄ts S&F/us 64 7.0 1.8 l28 12.1 1.9 256 22.4 1.9 512 42_8 1.9 1024 83.8 1.8 1280 k04.3 1.8 1518 123.5 2.】 当发送拥塞的端口数量越多,帧长度越长的情 况下,帧的最大驻留时问将变大 引。 为了减少过程层网络的传输延时,目前普遍采 用的组网方案是减少交换机的级联次数,采用千兆 端口级联,同时需要避免端口发生拥塞的情况发生。 上面提到的网络风暴抑制,组播管理等方式均能有 效的避免端口发生拥塞。从而达到减少数据帧在网 络上传输延时的目的。 2.4端口镜像 端口镜像功能把交换机一个或多个端口的数据 镜像到一个或多个端口,通过该方式实现对指定端 口的所有数据帧进行实时监视。可根据实际需要对 被监视端口的输入数据、输出数据或同时进行镜像。 各厂家交换机普遍支持一对一、一对多的端口镜像 功能,只有极个别厂家支持多对多的端口镜像功能, 如南瑞继保公司的PCS一9882系列交换机。 做镜像设置时需要注意镜像端口监视的报文流 量不能超过端口线速,否则会导致报文丢失,从而 无法达到监视实时报文的目的。 3 结论 智能变电站的过程层网络用来实现保护、测控、 合并单元和智能终端之问的信息交互,对组网交换 机提出了一些新的要求,本文针对过程层交换机需 要具备的各项技术进行了分析比较得出每项技术中 适合变电站应用的实现方式,并对交换机需要注意 技术与应用 的事项做了陈述,但是随着技术的不断发展进步, 必然会有新的技术引入到过程层交换机中,因此, 过程层交换机的关键技术也将随之变化。 参考文献 【1] 谭文恕.变电站通信网络和系统协议IEC61850介绍 [J].电网技术,2001,25(9):8-11. 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作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
杨贵, 王兆强, 王文龙, 刘, 周旭峰
杨贵,王文龙,刘,周旭峰(南京南瑞继保电气有限公司,南京,211102), 王兆强(周口供电公司,河南周口,466000)
电气技术
Electrical Engineering2012(1)
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