一种智能变电站专用交换机的测试及应用研究.DOC

1、一种智能变电站专用交换机的测试及应用研究张保善，王龙飞，黄震，张育铭，张群玲，程克杰（许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000）摘要：智能变电站电力专用交换机采用逐级累加 SV 转发延时和链路传输延时，并标注在 SV 报文中的技术，解决了智能变电站 SV 点对点传输不能组网实现数据共享的问题。对交换机性能指标进行了详细测试，结合智能变电站系统分别在稳定运行工况下，雪崩极端工况下对电力系统可靠性进行了测试。使用专用网络测试仪闭环测试法及保护装置相位计算法测试 SV 标注延时精度，并对数据进行了详细的分析，为指导产品研发及工程应用提供了依据。关键词：电力专用交换机；延时标注；差动保护；闭环测

2、试中图分类号：TM76 文献标识码：B 文章编号：1001-1390（2018）10-0000-00Test and application of dedicated switch for intelligent substationZhang Baoshan, Wang Longfei, Huang Zhen, Zhang Yuming, Zhang Qunling, Chen Kejie（ (XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, Henan, China）)Abstract：Intelligent Substation substation Powe

3、r power Dedicated dedicated Switch switch accumulates SV forwarding delay and link transmission delay step by step, and marks in SV message, To which solve solves the the intelligent substation SV point-to-point transmission of the intelligent substation that cant be connected to achieve data sharin

4、g. The performance of the switch was tested in detail, and the power system reliability test is carried out Combined combined with the intelligent substation system in the stable operating conditions and, respectively, under the extreme conditions of avalanche respectivelypower system reliability te

5、st. Using aA dedicated network tester closed-loop test method and the protection device phase calculation method test are adopted to test SV mark delay accuracy, And and the data were are analyzed in detail, which provides the basis for Guiding guiding product development and engineering application

6、s. Keywords: The specialpower dedicated switch for electric power, delayed annotation, differential protection, closed-loop test0 引言已建设的智能变电站过程层 SV 传输主要采用组网传输和点对点传输两种方式。过程层采用交换机组网，网络性能满足电力系统的要求 1-4, 接线清晰，通信可靠性高。但差动保护接收的 SV 报文经现有网络传输时延未知 5，同步须在 SV 报文进入交换网络之前完成，全站 MU 接收外部同步时钟，任一 MU 外部时钟中断，基于该组 SV 判据的差

7、动保护就会退出。差动保护 SV 接收采用点对点接线方式时 6-7，解决了 MU 外部同步时钟中断差动保护退出的问题，但装置 CPU 需扩展更多的以太网接口，通信节点的增加不利于系统工作的可靠性，同时增加了保护装置及过程层装置的功耗，不利于装置的就地化安装。目前智能变电站过程层交换机工作于存储转发模式，拥塞排队导致时延抖动较大，为满足电力系统同步采样精度要求，全站采样同步须依赖外部对时，不利于二次继电保护系统的可靠性。一种智能变电站专用交换机，采用 SV 转发延时逐级标注的方法，同时具有 SV 组网传输和点对点传输的优势。接收多组 SV 的差动保护不依赖外部对时，保护装置依据报文中的延时字段后端

8、插值实现同步，同时减少通信节点数量，简化智能变电站二次接线，提高智能变电站保护可靠性。1 SV 报文转发延时计算原理本节介绍交换机转发SV报文时延时计算原理，交换机转发报文延时计算，光纤链路传输延时计算。1.1 交换机转发 SV 报文延时计算智能变电站专用交换机在现有交换机基础上采用 FPGA 生成高精度时间戳：接收时，交换机的以太网 PHY 芯片直接将报文发送给 FPGA 芯片，FPGA 打上高精度入口时戳；FPGA 将报文发送给交换芯片，与传统交换机一样，交换芯片依据MAC 地址表完成报文的转发；发送时，FPGA 接收到交换芯片转发的报文并打上高精度的发送时戳。交换机对智能变电站过程层报文

9、进行解码，根据以太网类型码 0x88BA 找出 SV 报文，将 SV穿越交换机的延时写入 SV 报文的延时字段中，交换机级联时该延时字段逐级累加。报文发送到交换机端口后，首先被 FPGA 捕获，FPGA 打上入口时戳 T1，然后转发给交换芯片，该帧 SV 在 FPGA发送时打上时间戳 T2, T=T2T1 填在 SV 报文的保留字段中，T 包含 SV 报文串行接收时延、排队时延、存储转发时延（见图 1） 。FPGA交换芯片FPGA接收识别以太网类型码为S V , F P G A在入口处打上时间戳 T1该帧 S V 在出口处F P G A 打上时间戳T2， 把在交换机中的驻留时间 T = T2

10、T1填在 S V报文中图 1 交换机对 SV 报文打时间戳的原理Fig.1 Switch marked timestamp principle of SV frame1.2 光纤链路传输延时计算1.1 中标注的延时不含光纤链路传输延时，智能变电站专用交换机采用 1588 对时方案计算光纤链路传输延时 8。交换机 FPGA 捕捉 Pdelay_Req与 Pdelay_Resq 事件报文，分别生成 t1t4 高精度时间戳（见图 2） ，并将计算的链路延时累加到 SV报文的保留字段中。链路延时计算不依赖于外部对时，在原理上保证了电力二次保护控制系统的可靠性。图 2 光纤链路传输延时计算Fig.2 O

11、ptical fiber transmission delay calculation2 交换机延时标注位置及时标单位交换机延时标注在保留字段中的技术优点，时标采用纳秒的必要性。2.1 标注延时写入SV报文保留字段有以下技术优点：(1)SV报文保留字段 9固定为第2327字节，交换机不需要解析SCD文件， FPGA程序处理流程简单，可靠性高（见表1） ；(2)除保留字段外，交换机不修改SV报文的其他内容，便于问题分析。表 1 SV 报文格式Tab.1 SV message format27 26 25 24 23 22 21 20MAC 目的地址（6 字节）=0x010CCD0400000x0

12、10CCD0401FFHeaderMACMAC 源地址（6 字节）TPID(2 字节标记)=0x8100Prioritytagged TCI(2 字节)=0x8000Ethertype Ethertype(2 字节)=0x88BAAPPID(2 字节)=0x40000x7FFFLength(2 字节)=8+mReserved 1(2 字节)=0x0000HeaderReserved 2(2 字节)=0x0000APDU(m 字节1493)MAC填充 （Pad bytes if necessary）(若干字节)MAC计算检验 CRC（4 字节）2.2 标注延时采用纳秒为单位合并单元检测规范要求同

13、步精度小于 1 s10，延时字段若选 s为单位，交换机为保证精度在转发 SV 报文时会等待，转发 SV 报文时速率达不到端口速率。选 ns 为单位，交换机 FPGA 芯片的最小时钟粒度一般小于 20 ns，交换机以端口速率转发 SV 报文时，经 1 级交换机延时字段的理论误差小于 20ns。使用 24 位无符号数表示延时大小，最大能表示 16 777 215 ns，网络传输延时及线路光纤通道传输延时均小于该值,不仅满足智能变电站内网络结构，也能满足未来广域网保护发展的需求。其余8 位可用来传输交换机状态：如延时溢出、闭锁标志、网络跳数等信息。3 交换机延时精度测试及误差分析通过智能变电站专用交

14、换机网络测试仪闭环测试法，保护装置重采样相位差计算法分别测试标注延时精度。测试使用的专用网络测试仪及保护装置均支持 1.2 中描述链路延时计算功能。本次测试交换机 24 个百兆光口，4 个千兆光口，在智能变电站工程应用中一般选型为主干交换机，网络负载最大。3.1 交换机基本性能测试测试智能变电站专用交换机的基本性能，主要考核关键技术指标能否满足标准要求 11。（1）依据 RFC2544，整机吞吐量、端口转发速率、存储转发延时、延时抖动、帧丢失率均满足智能变电站交换机技术规范的要求（见图3） ；（2）依据 RFC2889，MAC 缓存能力、MAC地址学习速率均满足智能变电站交换机技术规范的要求（

15、见图 3） 。智能变电站专用交换机 （ 2 4 百兆口 4 千兆口 ）I x i a X M 2 网络测试仪图 3 交换机基本性能测试Fig.3 Basic performance testing of switches3.2 基于专用网络测试仪闭环测试标注延时精度使用智能变电站交换机专用网络测试仪，模拟过程层网络的关键业务 -SV 报文，专用网络测试仪支持链路延时计算，同时从 SV 报文的保留字段中提取标注延时，形成闭环测试，测试误差小。交换机转发 100M 64/136/220/320/576 字节的SV，转发绝对时延与 SV 报文中标注的时延误差小于 100 ns。无丢帧，存储转发时延小

16、于 7 s，延时抖动小于 1 s（见图 4） ，满足智能变电站交换机技术规范中的要求，满足智能变电站同步精度要求。智能变电站专用网络测试仪光口 1S V _ 4 0 0 1 1 0 0 M b i t / s光口 2智能 变电站电力专用交换机3 m 光纤3 m 光纤S V _ 4 0 0 2 1 0 0 M b i t / s图 4 不同 长度 SV 穿越交换机延时精度Fig.4 Different lengths of SV traverses the switch delay accuracy交换机级通过千兆级联，交换机百兆口、千兆口转发无丢帧，转发绝对时延与 SV 报文中标注的时延误差小

17、于 100 ns（见图 5） ，满足智能变电站交换机技术规范中的要求，满足智能变电站同步精度要求。智能变电站网络测试仪12 m 光纤光口 1智能变电站电力专用交换机光口 2S V _ 4 0 0 1 1 0 0 M b i t / s光口 3光口 4光口 5光口 6光口 7光口 8S V _ 4 0 0 2 1 0 0 M b i t / sS V _ 4 0 0 3 1 0 0 M b i t / sS V _ 4 0 0 4 1 0 0 M b i t / s智能变电站网络测试仪22 m 光纤光口 1智能变电站电力专用交换机光口 2S V _ 4 0 0 9 1 0 0 M b i t /

18、 s光口 3光口 4光口 5光口 6光口 7光口 8S V _ 4 0 0 A 1 0 0 M b i t / sS V _ 4 0 0 B 1 0 0 M b i t / sS V _ 4 0 0 C 1 0 0 M b i t / sS V _ 4 0 0 5 1 0 0 M b i t / sS V _ 4 0 0 6 1 0 0 M b i t / sS V _ 4 0 0 7 1 0 0 M b i t / sS V _ 4 0 0 8 1 0 0 M b i t / sS V _ 4 0 0 D 1 0 0 M b i t / sS V _ 4 0 0 E 1 0 0 M b i

19、t / sS V _ 4 0 0 F 1 0 0 M b i t / sS V _ 4 0 1 0 1 0 0 M b i t / s2 m光纤千兆级联光口图 5 交换机千兆级联延时精度Fig.5 Switch gigabit cascade delay accuracy3.3 基于保护装置相位差计算法测试标注延时精度采用两组同源 SV，一组通过光纤直连接入保护装置，一组 SV 经过智能变电站专用交换机后接入保护装置（见图 6） 。数字继保测试仪1 m 光纤光口 1智能 变电站电力专用交换机光口 2S V _ 4 0 0 1 _ I A 1S V _ 4 0 0 2 _ I A 1支持 S V

20、 可变时延采样保护装置1 m 光纤 6 m 光纤图 6 不同长度 SV 穿越交换机延时精度Fig.6 Different lengths of SV traverses the switch delay accuracy图 6 基于保护装置相位差计算法测试 SV 延时精度，能实现高精度测量。（1）数字继保测试仪输出的是数字量，不引入模拟量放大、滤波、采样误差;（2）使用高精度网络分析仪测试光口 1、光口2 发送相同采样报文的时间差小于 20 ns；（3）保护装置支持链路延时计算，同时从SV 报文的保留字段中提取标注延时，然后将两组SV 依据保护装置 FPGA 的时间戳进行重采样；（4）光口 1

21、 到保护，光口 2 到交换机采用等长光纤。两组 SV 的 IA1 均映射到测试仪的同一个数字量通道。保护装置计算 SV_4001_IA1 与SV_4002_IA1 的相位差小于 0.0031，折算后标注延时误差小于 173 ns。该延时误差满足智能变电站系统要求。在图 6 中分别测试了交换机转发不同长度的SV 报文，每种长度的报文拷机 2 小时，表 2 为不同长度的 SV 穿越交换机后的标注延时精度。表 2 不同长度的 SV 穿越交换机后的标注延时精度Tab.2 Marked delay accuracy of different lengths of SV after riding thro

22、ugh the switchSV 通道个数 报文长度 标注时延误差（单位：ns）1 通道 64 字节 最大误差：161 最小误差：7010 通道 136 字节 最大误差：163 最小误差：7220 通道 220 字节 最大误差：157 最小误差：7532 通道 320 字节 最大误差：172 最小误差：6764 通道 576 字节 最大误差：169 最小误差：69模拟主变间隔交换机接收 7 组直采 SV，在交换机的百兆口汇聚，SV 报文在发送端口排队，单组 26 通道 SV 流量为 8.96 Mbit/s，8 组 SV 的 IA1均映射在数字继保测试仪的同一个通道（见图 7） 。拷机 24 小

23、时 4001_IA1 与其余 7 组 SV 的 IA1 的相位差小于 0.0035，折算后 7 组 SV 汇集穿越交换机标注延时误差小于 195 ns。该延时误差满足智能变电站系统要求。数字继保测试仪3 m 光纤光口 1智能变电站专用交换机光口 2S V _ 4 0 0 1 _ I A 1S V _ 4 0 0 2 _ I A 1支持 S V 延时标注采样保护装置光口 3光口 4光口 5光口 6光口 7光口 8S V _ 4 0 0 3 _ I A 1S V _ 4 0 0 4 _ I A 1S V _ 4 0 0 5 _ I A 1S V _ 4 0 0 6 _ I A 1S V _ 4 0

24、 0 7 _ I A 1S V _ 4 0 0 8 _ I A 13 m 光纤1 0 m 光纤图 7 7 组 SV 汇集穿越交换机延时精度Fig.7 7 sets of SV aggregation through the switch delay accuracy3.3 电力系统突发数据对标注延时精度的影响模拟变电站发生雪崩，智能变电站网络中存在大量短时突发数据，测试交换机所填延时精度，母差保护按 24 个元件接线，总数据流量近 210 Mbit/s，母差保护过程层网络接口速率为 1 Gbps（见图 8） 。交换机 1M U B U 合智一体装置 1M U B U 合智一体装置 1 2交换机

25、 2M U B U 合智一体装置 1 3M U B U 合智一体装置 2 4交换机 3母线保护高精度网络报文分析仪千兆接口图 8 24 个元件母线保护动作时延精度测试Fig.8 24Fig.8 Delay precision test of 24 components bus protection action delay precision test在图 8 的接线方式下，24 个合智一体装置均接同步信号，SV 报文发送时刻的同步精度在 200 ns 以内， SV 在交换机的千兆端口存在大量随机排队，模拟智能变电站雪崩，母差保护动作，同时跳开 24 个元件。使用基于 FPGA 打时标的高精度

26、网络报文分析仪，配合无源光分路器，分析各通信节点报文转发时延及流量突发。所有开关变位 GOOSE 报文上送离散度小于 1 ms，SV 转发延时抖动最大达 380 s，交换机标注时延误差小于 150 ns，极端模式下该交换机满足电力系统的要求 12-13。4 结束语（1）智能变电站交换机 SV 标注延时字段完整覆盖智能变电站网络延时的 4 个部分：存储转发延时、排队延时、报文串行接收/发送延时、光纤链路传输延时。每段时延均是相对时间差的计算，软件设计复杂度小，方案有利于保证电力系统的可靠性；（2）交换机整机吞吐量、端口转发速率、存储转发延时、延时抖动、帧丢失率、MAC 缓存能力、MAC 地址学习

27、速率等关键性能指标满足智能变电站交换机技术规范的要求；（3）通过对智能变电站电力专用交换机进行测试研究，使用该交换机进行过程层组网，同时具备网络数据共享及 SV 报文点对点传输的优点；（4）在交换机满负荷下及智能变电站雪崩极端情况下,SV 标注最大延时误差小于 170 ns，满足电力系统应用的要求；（5）交换机参与采样延时补偿这一关键环节，存在电力系统对通信设备依赖性更高的问题，如何提高交换机厂家产品质量，二次厂家如何进行异常数据识别需要做进一步研究。参考文献1 高翔, 张沛超. 数字化变电站的主要特征和关键技术J. 电网技术, 2006, 30(23): 67-71.Gao Xiang, Z

28、hang Peichao. Main features and keytechnologies of digital substationJ. Power System Technology, 2006, 30(23): 67-71.2 刘昊昱, 左群业, 张保善. 智能变电站过程层网络性能测试与分析J. 电力系统保护与控制, 2012, 40(18): 112-116.Liu Haoyu, Zuo Qunye, Zhang Baoshan. Process level network performance testing and analysis in smart substationJ.

29、 Power System Protection and Control, 2012, 40(18): 112-116. 3 李孟超, 王允平, 李献伟, 等. 智能变电站及技术特点分析J. 电力系统保护与控制, 2010, 38(18): 59-62.Li Mengchao, Wang Yunping, Li Xianwei, et al. Smart substation and technical characteristics analysisJ. Power System Protection and Control, 2010, 38(18): 59-62.4 易永辉, 王雷涛,

30、陶永健. 智能变电站过程层应用技术研究J. 电力系统保护与控制, 2010, 38(21): 1-5.Yi Yonghui, Wang Leitao, Tao Yongjian. Processlevel application scheme in smart substationJ. Power System Protection and Control, 2010, 38(21): 1-5.5 李宝伟, 倪传坤, 唐艳梅. 智能变电站组网传输采样值光纤差动保护同步方案研究J. 电力系统保护与控制, 2013, 41(9): 142-147.Li Baowei, Ni Chuankun, T

31、ang Yanmei. Research of the sample synchronization scheme for optical differential protection based on sampled value transmit by network in smart substationJ. Power System Protection and Control, 2013, 41(9): 142-147.6 李宝伟, 文明浩, 等. 新一代智能变电站 SV 直采和 GOOSE 共口传输方案研究J. 电力系统保护与控制, 2014, 42(1): 96-101.Li B

32、aowei, Wen Minghao, et al. Research of the scheme for SV direct sampling and GOOSE transmit in the same port in new generation smart substationJ. Power System Protection and Control, 2014, 42(1): 96-101.7 徐敏, 鲍有理, 等. 智能变电站中点对点传输采样值延迟及延迟校验方案J. 电力系统保护与控制, 2012, 40(17): 145-149.Xu Min, Bao Youli, et al

33、. Delay of point-to-point transmission ofsampled values in smart substation and its calibration schemeJ. Power System Protection and Control, 2012, 40(17): 145-149.8 IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems (TC-9)S.9 Q/GDW 1808-2012,

34、智能变电站继电保护通用技术条件S.10QGDW 11015-2013, 模拟量输入式合并单元检测规范S. 11QGDW 1845-2012, 智能变电站交换机技术规范S.12宋丽君, 王若醒, 等. GOOSE 机制分析、实现及其在数字化变电站中的应用J. 电力系统保护与控制, 2009, 37(14): 31-34.Song Lijun, Wang Ruoxing, et al. Analysis and implementation ofGOOSE mechanism and its application in digital substationJ.Power System Prote

35、ction and Control, 2009, 37(14): 31-34.13魏勇 , 罗思需, 施迪 , 等. 基于 IEC61850-9-2 及 GOOSE 共网传输的数字化变电站技术应用与分析J. 电力系统保护与控制, 2010, 38(24): 146-152.Wei Yong, Luo Sixu, Shi Di, et al. Research and application on digital substation based on IEC61850-9-2 and GOOSE communication in one networkJ. Power System Prote

36、ction and Control, 2010, 38(24): 146-152.作者简介：张保善（1983），男，本科，工程师，主要从事电力系统通信及变电站自动化产品开发与测试。Email:王龙飞（1989），男，本科，工程师，主要从事电力系统通信及变电站自动化产品开发与测试。黄震（ 1989），男，本科，工程师，主要从事电力系统通信及变电站自动化产品开发与测试。张育铭（1989），男，本科，工程师，主要从事电力系统通信及变电站自动化产品开发与测试。张群玲（1989），女，本科，工程师，主要从事电力系统通信及变电站自动化产品开发与测试。程克杰（1990），男，本科，工程师，主要从事电力系统通信及变电站自动化产品开发与测试。收稿日期：2017-09-12 ; 修回日期：2017-09-12 （田春雨 编发）