刘洪兵，宋源渊

（云南电网有限责任公司昆明供电局，云南 昆明 650011）

0 引言

随着智能变电站运维技术的发展和新一代智能变电站在电力系统的应用，变电站综合自动化对二层以太网交换机提出了新要求：对SV报文传输的实时性，可还原性要求比较严格。经过过程层交换机的传输通道，要能保留并恢复发送端的原始时间信息，供后端处理设备实时还原。

而在智能变电站二次设备中，关键的MU单元由于各个厂家技术的差异，尚存在不稳定和兼容性问题，MU设备进行抽样值SV数据传输，需要依赖外部时钟同步，由于基于1588的时钟同步在电力中的应用尚不成熟，MU时钟同步多采用基于B码的硬同步技术，这并不符合智能变电站信息交互和互操作的原则[1]。

安全问题一直是智能变电站最关注的问题，过去关键业务通过专用电缆直接传输，随着智能变电站的发展，已经逐渐不能满足信息共享和互操作的要求，特别是信息处理就地化和“三层一网”、“共网共口”的提出，信息交汇频繁，各种信息的安全隔离也就成为了必须要考虑的问题。目前变电站所采用的工业以太网交换机只能通过VLAN的方式进行间隔和业务的区分，并不能实现精确的业务区分[2]。

同时，目前继电保护通信网络信息流划分依靠人工划分，存在划分工作复杂、可靠性低、无法实现信息流最优控制等问题，并因此增加了智能变电站的调试、运维难度，且随着变电站规模扩大，这一问题将表现得更为突出，阻碍了智能化变电站技术发展的速度。

1 关键技术

网络化的通信系统是智能变电站重要特征，智能变电站中的各种控制信号和管理信息通过网络化的通信系统传输，因此网络通信平台在智能变电站中的重要性不言而喻。智能变电站和新一代智能变电站通信平台需要适应大数据时代业务的智能化，能够支持智能变电站继电保护网络业务配置自动规划生成。解决目前智能变电站虚拟专线的配置、修改依赖手工方式的被动局面，实现二次系统故障或隐患的快速定位，提高电网的运行灵活性、供电可靠性。

作为业务支撑的保护数据智能传输与管理平台，需要满足以下技术要求：自动业务感知和自动配置：可以自动感知变电站业务，能够自动配置业务。

动态延时追踪和传递：精确追踪智能变电站中的业务（特别是SV等关键业务）经过每一层通信设备的网络延时，并能够将该延时精确传送到控制设备；对于SV业务应能够不依赖外部时钟进行自同步，实现网络化直采直跳。

业务安全隔离：安全隔离，实现对智能变电站业务数据路径的追踪，并能够对业务实现端到端的管控，提供端到端的业务QOS保障。

多业务承载能力：能够承载智能变电站的各类保护和调度业务，并满足不断发展的各类应用业务，能够方便的进行各项业务迁移和扩容。

传输路径可控和故障定位，能够对业务传输路径进行追踪可控制，并在业务故障时候能够准确定位故障，并迅速实现故障点隔离。

2 业务感知和自动化配置

由电力专用交换机构建的保护数据智能传输与管理平台通过查找包头APPPID即可感知IED设备通信状态，通过专用管理软件对SCD文件进行解析，形成业务和端口的通信映射表，通过CPU将该映射表下发存放于交换机的内存中，在业务进行通信时候，CPU进行查表对比，自动配置业务，实现IED设备在任何物理端口的“即插即用”，并以虚拟专线的方式可视化地展现整个变电站通信网络的运行状态，实时报告每一条SV/GOOSE等报文的流量、延时、抖动等信息，还能够根据网络的运行状况提前预警网络的薄弱环节，在异常时发出告警信息，支持保护业务信息交互的在线分析，方便维护和管理[3]。

图1 SCD解析实现示意图Fig.1 Sketch map of SCD analytic implementation

3 动态延时追踪

电力专用交换机在满足SV数据报文传输延时的前提下，能够精确量化SV报文经过每一层通信设备的延时，并能将该延时反馈给后端保护等设备。电力专用交换机能够精确测量SV经过交换机的传输时延，并将时延信息传递给保护设备。通过精确计算SV报文在交换机内的驻留延时ΔT并写入SV报文内，保护装置依赖本地时间基准，利用MU固有延时和链路驻留总延时ΔT还原收到的多个间隔的采样数据的发生时刻，完成采样值的同步处理，其原理等效“直采”模式，体现了采样数据“谁使用谁同步”的基本原则[4]。

某个接口来的SV报文，经过数据专用处理器A处理后，后进入专用以太网交换芯片B，由B根据数据转发规则进行交换处理后，从不同的通道转回到A中，A计算出该帧SV报文在交换机中的延时时间，然后把其填充到指定位置，再从指定接口输出。

动态延时追踪技术使得MU设备不需要依赖于外部时钟即可实现同步，解决国内智能变电站继电保护采用“网采网跳”模式的问题，从而简化了智能变电站系统的组网结构，大大减少光接口和光缆数量。

4 传输路径追踪和安全隔离

图2 动态延时追踪原理图Fig.2 Dynamic delay tracking schematic diagram

电力专用交换机采用基于MPLS面向连接的信息传输技术，可以在同一个物理端口提供多个虚拟端口，各个虚拟端口之间是逻辑隔离的，在变电站网络应用融合和就地化处理的应用场景下，GOOSE、SV等多种类型报文在同一物理网络中传输，“非IP”化的虚拟专线不但实现不同业务间的类似物理的安全隔离，而且还对同一业务的参与者间的交互方式进行限制，局部的错误被局限在错误发生的业务范围内，甚至端口处，不会影响其他业务，甚至不会影响本业务内的其他成员，有效避免了广播风暴的影响并极大提高业务传送的安全性和便捷性[5]。

5 实验验证

图3 实验拓扑Fig.3 Experimental topology

实验通过加载测试SCD文件，MU设备和智能接口发送真实SV和GOOSE报文，通过保护设备和故障录波装置分析经过电力专用交换机后的报文的相位、延时等数据，分析保护动作时间和SV报文均匀性，验证电力专用交换的安全隔离能力、业务感知和自动配置可靠性，并验证通过电力专用交换机传递的动态延时精度。

5.1 业务感知和自动化感知测试

图4 电力专用交换机解析SCDFig.4 Power private switch analytic SCD

基于电力专用交换机的变电站网络通信平台正确解析了SCD信息并成功建立业务映射关系，当IED设备进入时候，平台立刻感知了IED设备信息，并正确为IED设备进行业务配置，自动将业务按照SCD面试的业务逻辑进行转发[6]。

5.2 动态延时精度和SV均匀性

通过SV报文传送的动态延时测算的精度将直接影响保护和测控终端统计到的SV报文的均匀性，并将直接影响SV报文的可用性和保护、测控设备的动作响应。基于电力专用交换机构建的保护数据智能传输与管理平台动态延时的测算精度达到100 ns,可以满足网络化直采直跳的应用[7]。

图5 SV报文均匀性测试数据Fig.5 SV message uniformity test data

图6 SV均匀性测试对照组（光纤直连）Fig.6 SV Uniformity Test Control Group (optical fiber direct connection)

图7 SV均匀性测试Fig.7 SV Uniformity Test

图8 SV动态延时测算精度（单位：纳秒）Fig.8 SV dynamic delay measurement accuracy (in nanoseconds)

6 结论

本文针对智能变电站网络通信存在的问题，提出了基于电力专用交换机的新一代保护数据智能传输与管理平台，该平台能够有效降低变电站建设和运维成本，提升智能变电站通信运维效率，提高智能变电站网络的安全性和可靠性，为智能变电站继电保护通信网络提供可靠的技术支撑。

基于MPLS技术和IEC 61850的电力专用交换机，不仅能够主动向监控平台报告网络通信状态，也能够根据智能变电站内业务和数据流向，自动进行业务配置；在满足SV数据报文传输延时的前提下，能够精确量化SV报文经过每一层通信设备的延时，并能将该延时反馈给后端保护等设备，达到网络化直采直跳的效果；提供类似于物理隔离的安全隔离，并能够对业务实现端到端的管控，在网络发生故障时候，能够迅速定位故障，并隔离故障点。解决智能变电站运维复杂的难题，提高变电站运行效率，提高智能变电站运行的安安全性和可靠性，并将大大推动智能变电站建设和发展，降低智能变电站运维成本。