数字化变电站过程层网络通信流量计算.doc

过程层网络流量分析

1． 采样值网络流量分析
1.1 采样值网络概述
采样值传输采用IEC61850-9-2标准，合并单元和二次设备均连在交换机网络上。220kv线路间隔配置成一个独立的网段，考虑采用独立的交换机。主变三侧作为一个大间隔，配置成一个独立的网段，采用独立的交换机。每一个电压等级配一台公共交换机，连接该电压等级对应的母线保护、PT合并单元，各间隔对应的交换机也通过级联端口连到该公共交换机。
采用组播过滤技术来解决网络阻塞的问题，接收端口只收到预订的MAC地址对应的9-2报文，降低了网络的流量。
PT并列考虑在PT合并器实现，PT切换在间隔合并器实现。因此，对于主变保护和线路保护而言，不需要在网路上预订PT合并器的9-2报文，但母线保护需要预订PT合并器的报文。
1.2 IEC61850-9-2帧格式说明
1.2.1 ISO/IEC 8802-3以太网帧结构
IEC 61850-9-2LE采样值报文在链路层传输都是基于ISO/IEC 8802-3的以太网帧结构。帧结构定义如下图所示：

字节

27
26
25
24
23
22
21
20
1

前导字段
Preamble
2
3
4
5
6
7
8

帧起始分隔符字段Start-of-Frame Delimiter（SFD）
9
MAC报头
Header MAC
目的地址
Destination address
10
11
12
13
14
15
源地址
Source address
16
17
18
19
20
21
优先级标记
Priority
tagged
TPID
22
23
TCI
24
25

以太网类型Ethertype
26
27
以太网类型PDU
Ether-type
PDU
APPID
28
29
长度 Length
30
31
保留1 reserved1
32
33
保留2 reserved2
34
35

APDU

可选填充字节

帧校验序列
Frame check sequence

帧格式说明：
（1） 前导字节（Preamble）
前导字段，7字节。Preamble字段中1和0交互使用，接收站通过该字段知道导入帧，并且该字段提供了同步化接收物理层帧接收部分和导入比特流的方法。
（2） 帧起始分隔符字段（Start-of-Frame Delimiter）
帧起始分隔符字段，1字节。字段中1和0交互使用。
（3） 以太网mac地址报头
以太网mac地址报头包括目的地址（6个字节）和源地址（6个字节）。目的地址可以是广播或者多播以太网地址。源地址应使用唯一的以太网地址。
IEC 61850-9-2 多点传送采样值，建议目的地址为01-0C-CD-04-00-00 到 01-0C-CD-04-01-FF。
（4） 优先级标记 （Priority tagged）
为了区分和保护应用相关的强实时高优先级的总线负载和低优先级的总线负载，采用了符合IEEE 802.1Q 的优先级标记。
优先级标记头的结构：
字节

27
26
25
24
23
22
21
20

TPID
0x8100

TCI
User priority
CFI
VID

VID

TPID值：0x8100
User priority：用户优先级，用来区分采样值，实时的保护相关的GOOSE报文和低优先级的总线负载。高优先级帧应设置其优先级为4～7，低优先级帧则为1～3，优先级1 为未标记的帧，应避免采用优先级0，因为这会引起正常通信下不可预见的传输时延。
采样值传输优先级设置建议为最高级7。
CFI：若值为1，则表明在ISO/IEC 8802-3 标记帧中，Length/Type 域后接着内嵌的路由信息域(RIF)，否则应置0。
VID：虚拟局域网标识，VLAN ID。
（5） 以太网类型Ethertype
由IEEE著作权注册机构进行注册，可以区分不同应用。

应用
以太网类型码（16进制）
IEC 61850-8-1 GOOSE
88-B8
IEC 61850-9-1 采样值
88-BA
IEC 61850-9-2 采样值
88-BA

（6） 以太网类型PDU
APPID：应用标识，建议在同一系统中采用唯一标识，面向数据源的标识。
为采样值保留的APPID值范围是0x4000-0x7fff。可以根据报文中的APPID来确定唯一的采样值控制块。
长度Length：从APPID开始的字节数。
保留4个字节
（7） 应用协议数据单元APDU
APDU格式说明请参考下一部分。
（8） 帧校验序列
4个字节。该序列包括32位的循环冗余校验（CRC）值，由发送 MAC方生成，通过接收MAC方进行计算得出，以校验被破坏的帧。
1.2.2 IEC 61850-9-2 采样值报文帧格式
（1） IEC 61850-9-2 采样值报文 APDU部分
一个APDU可以由多个ASDU链接而成。

Tag
Length
ASDU数目n（U16）
ASDU1
ASDU2
…………
ASDUn

采用和基本编码规则(BER)相关的ASN.1 语法对通过ISO/IEC 8802-3 传输的采样值信息进行编码。
基本编码规则的转换语法具有T-L-V(类型-长度-值Type-Length-Value)或者是(标记-长度-值Tag-Length-Value)三个一组的格式.所有域(T、L 或V)都是一系列的8 位位组。值V 可以构造为T-L-V 组合本身。
（2）IEC 61850-9-2 采样值报文 APDU结构
内容
说明
savPdu tag
APDU 标记（=0x60）
savPdu length
APDU长度
noASDU tag
ASDU数目 标记（=0x80）
noASDU length
ASDU数目 长度
noASDU value
ASDU数目 值
类型 INT16U
Sequence of ASDU tag
ASDU序列 标记（=0xA2）
Sequence of ASDU length
Sequence of ASDU 长度
ASDU
ASDU内容（参考（3）部分）

（3）IEC 61850-9-2 采样值报文 ASDU结构
内容
说明
ASDU tag
ASDU 标记（=0x30）
ASDU length
ASDU 长度
svID tag
采样值控制块ID 标记（=0x80）
svID length
采样值控制块ID 长度
svID value
采样值控制块ID 值
类型：VISBLE STRING（35 Bytes）
smpCnt tag
采样计数器 标记（=0x82）
smpCnt length
采样计数器 长度
smpCnt value
采样计数器 值
类型 INT16U
confRev tag
配置版本号 标记（=0x83）
confRev length
配置版本号 长度
confRev value
配置版本号 值
类型 INT32U
smpSynch tag
采样同步 标记（=0x85）
smpSynch length
采样同步 长度
smpSynch value
采样同步 值
类型 BOOLEAN
smpRate tag
采样速率 标记（=0x86）
smpRate length
采样速率 长度
smpRate value
采样速率 值
类型 INT16U
Sequence of data tag
采样值序列标记（=0x87）
Sequence of data length
采样值序列 长度
Sequence of data value
采样值序列 值（参考（4）部分）

（4）IEC 61850-9-2 采样值报文采样值序列结构，这部分内容是根据配置来确定的，下面以一个标准间隔的情况为例。
保护A相电流
类型 INT32
编码为32 Bit Big Endian
保护A相电流品质
类型为quality，8-1中映射为BITSTRING
编码为32 Bit Big Endian
（参考（5）部分）
保护B相电流

保护B相电流品质

保护C相电流

保护C相电流品质

中线电流

中线电流品质

测量A相电流

测量A相电流品质

测量B相电流

测量B相电流品质

测量C相电流

测量C相电流品质

A相电压

A相电压品质

B相电压

B相电压品质

C相电压

C相电压品质

零序电压

零序电压品质

母线电压

母线电压品质

如果是PT合并器，则采样值序列只包含电压量。
（5）数据品质
8
7
6
5
4
3
2
1

OpB
Test
Source
DetailQual
DetailQual
Validity

1.3 IEC 61850-9-2 采样值报文帧长度计算公式
IEC 61850-9-2采样值报文帧中存在一些不确定的长度，其具体值有配置和编码来决定： TLV格式中的长度L采用ASN1编码，具体的编码长度可能不同，但由于以太网帧长度限制为1522字节，所以长度L最大占3个字节，最小占1个字节；还有svID的长度不确定，最少占用2字节，最多占用39字节；每个数据占4个字节的数据值和4个字节的数据品质。从以上分析可以看出，按照IEC60044-7/8提供的标准数据集，假设采样值报文帧中有n个ASDU，每帧数据的长度为（48+ n×121）～（54+ n×172）字节。
1.4 220kV试点站变采样值网络流量分析
为了便于分析，下面所有的数据流量分析都以每周波48点采样，每帧1个ASDU计算，从上面的计算公式可以计算出，根据不同的配置和编码风格，每帧数据的长度为169～226字节。
1.4.1 主变网段：
主变网段中采样值主要包括：高、中、低三侧间隔合并器单元采集的电流值， 35kV PT合并单元、110kV PT合并单元、220kV PT合并单元采集的电压值。数据报文流向为：①220kvPT合并单元-〉220kv高压侧合并单元；②110kvPT合并单元-〉110kv中压侧合并单元；③35kvPT合并单元-〉35kv低压侧合并单元；④220kv高压侧合并单元-〉主变保护或测控；⑤110kv中压侧合并单元-〉主变保护或测控；⑥35kv低压侧合并单元-〉主变保护或测控；⑦220kv高压侧合并单元-〉级联端口到220kv公共交换机；⑧110kv中压侧合并单元-〉级联端口到110kv公共交换机；⑨35kv低压侧合并单元-〉级联端口到35kv公共交换机。

从上面分析可知，最大的数据流量出现在主变保护或测控装置的端口上，有3个合并单元的IEC61850-9-2数据在传输，每秒数据吞吐总量为3×（169～226）byte/APDU×8bits/byte×48APDU/周波×50周波/s=~bits，最大约为13M，100M交换机可以满足要求。
1.4.2 220kV间隔网段：
220kV网段中采样值主要包括：220kV间隔合并器单元采集的电流值，220kV母线PT合并单元、220kV 间隔出线PT合并单元采集的电压值。之所以有220kV 间隔出线PT合并单元，是因为该间隔是选用3相线路PT。如果只需要单相线路抽取电压，则不需要考虑出线PT合并单元。

数据流向为：①220kv母线PT合并单元-〉220kv间隔合并单元；②220kv间隔合并单元-〉线路保护或测控；③220kv出线PT合并单元-〉线路保护或测控；④220kv间隔合并单元-〉级联端口到220kv公共交换机。
由上面分析可知，最大的数据流量出现在线路保护或测控装置的端口上220kV网段有2个合并单元的IEC61850-9-2数据在传输，220kV网段每秒数据吞吐总量为2×（169～226）byte/APDU×8bits/byte×48APDU/周波×50周波/s =～ bits，最大为8.6M。
1.4.3 110kV间隔网段：
110kV网段中采样值主要包括：110kV间隔合并器单元采集的电流值，110kV PT合并单元采集的电压值。这些采样值通过交换机到110kV网段的保护和测控设备。

从上图可以看出，110kV网段分为面向单间隔和面向双间隔两种。
单间隔情况，数据流向为：①110kv母线PT合并单元-〉110kv间隔合并单元；②110kv间隔合并单元-〉线路保护或测控；③110kv间隔合并单元-〉级联端口到220kv公共交换机。端口数据流量只需要考虑1个合并单元的9-2报文，1×（169～226）byte/APDU×8bits/byte×48APDU/周波×50周波/s =～4339200，4.3M。
双间隔情况：数据流向同但间隔类似，只不过最大数据流量出现在级联端口上，有两个合并单元的9-2报文通过该端口送到110kv公共交换机，2×（169～226）byte/APDU×8bits/byte×48APDU/周波×50周波/s =～ bits，最大为8.6M
1.4.4 35kV（20kV）网段：
35kV（20kV）网段根据站点实际情况作具体考虑，可根据以上的分析来确定其网络数据的流量。
1.4.5母线保护端口数据流量：
母线保护挂在交换机上，属于跨网段设备，我们可以通过诸多措施（比如VLAN+HASH算法、组播过滤技术等），使其只接收需要的数据。假设单元数为N，最简单的双母线配置还需要加上PT合并单元和母联合并单元，则吞吐量为（Ｎ+2）×（169～226）byte/APDU×8bits/byte×48APDU/周波×50周波/s =（N+2）× （~）。西泾变，220kv本期规划4回，吞吐量最大为26Mbits/s，110kv本期8回，吞吐量最大为43Mbits/s。晨港变， 220kv本期规划4回，吞吐量最大为26Mbits/s，110kv本期12回，吞吐量最大为60Mbits/s。百M交换机的带宽已经不够，需要考虑千M交换机作为公共交换机。
1.4.6计量：
以上分析都是基于每周波48点的，如果计量采用集中式工作的形式，则需要将采样点数提升到96点甚至192点，才能保证计算精度。而过高的采样点数又会造成网络数据流量的大幅增加，不仅仅降低了采样网络的可靠性，而且带来成本的增加，因此不建议采用计量工作站。合并单元和电能表可以通过点对点的形式进行连接。

2． GOOSE网络流量分析
2.1 Goose网络概述
在当前进行的数字化变电站项目中，GOOSE服务网络一般用来进行开关量的传输。国电南自的解决方案中，采取两层网络交换的拓扑结构，即每一个间隔配置一台交换机，每一个电压等级配置一台公共交换机。各间隔交换机通过uplink端口（一般为千M端口）和对应电压等级的公共交换机相连。
采用组播过滤技术来解决网络阻塞的问题，接收端口只收到预订的MAC地址对应的GOOSE报文，降低了网络的流量。
2.2 Goose报文分析
2.2.1 间隔内Goose报文流量分析：
本部分指线路、母联等单间隔的goose报文分析，以线路间隔为例。
线路间隔通常包括开关智能终端、测控、线路保护装置，按保护保护双重化原则，每套保护分别配置独立交换机（其中第一套交换机连接测控装置）。
以第一套保护为例，交换机内GOOSE数据流主要包括：
1）线路保护到智能终端：三相跳闸命令，每包GOOSE报文最大200字节；
2) 线路保护到级联端口（去母差保护）：启动失灵，每包GOOSE报文最大200字节；
3) 智能终端到线路保护：开关状态及闭重信号，每包GOOSE报文最大200字节；
4) 智能终端到测控装置：各种开关量和模拟量信号，每包GOOSE报文最大300字节；
5) 测控装置到智能终端：遥控命令，每包GOOSE报文在200字节以内。
6) 级联端口（自母差保护）到线路智能终端:：母差保护跳闸命令，每包GOOSE报文一般低于200字节；
7) 智能终端到级联端口（去母差保护）：开关状态及闭重信号，每包GOOSE报文最大200字节；
8) 测控装置到级联端口：联闭锁信息等，每包GOOSE报文在200字节以内。
9) 级联端口到测控装置：联闭锁信息等，每包GOOSE报文在200字节以内。
在正常情况下，以上GOOSE通信只维持心跳报文，网络流量可以忽略不计。当发生开关量变位时，考虑极端情况，最大数据吞吐量发生在智能单元连接的端口上（母差保护、线路保护、测控对其都有操作），共3个goose报文，发送最快间隔按2ms计算，端口流量为300字节/毫秒，占用交换机带宽大约为2.4Mb/秒。
级联端口考虑极端情况，线路保护起失灵时，刚好智能终端有开关量变位，考虑2个goose报文，占用交换机带宽大约为1.6Mb/秒。
2.2.2 主变大间隔Goose报文流量分析
主变间隔通常包括主变保护、主变开关智能终端（三侧分开）、主变测控和主变本体智能终端，按双重化配置原则，每套配独立的主变间隔交换机。
以第一套保护为例，交换机内GOOSE数据流主要包括：
1） 主变保护到级联端口（去母差保护）：启动失灵，每包GOOSE报文一般低于200字节；
2） 级联端口（自母差保护）到主变保护：三相跳令，每包GOOSE报文一般低于200字节；
3） 主变保护到三侧开关智能终端：跳闸命令，每包GOOSE报文一般低于200字节；
4） 三侧开关智能终端到测控装置：开关量和模拟量信号，每包GOOSE报文一般低于300字节；
5） 本体智能终端到测控装置：开关量和模拟量信号，每包GOOSE报文一般低于600字节；
6） 测控装置到三侧开关智能终端：遥控命令，每包GOOSE报文在200字节以内。
7) 三侧开关智能终端到主变保护：开关状态，每包GOOSE报文最大200字节；
8）三侧开关智能终端到级联端口（去母差保护）：开关状态，每包GOOSE报文最大200字节
在正常情况下，以上GOOSE通信只维持心跳报文，网络流量可以忽略不计。当发生开关量变位时，考虑极端情况，最大的数据流量应该出现在测控装置对应的端口上（本体智能终端+三侧开关智能终端），（600+3*300）字节/ 2ms=750字节/ms，占用交换机带宽大约为6Mb/秒。
级联端口考虑极端情况，主变保护起失灵时，刚好三侧开关智能终端都有开关量变位，考虑4个goose报文，占用交换机带宽大约为3.2Mb/秒。。
2.2.3 母线保护goose报文流量分析
母差间隔通常设置专门的母差交换机，和母线所有的线路间隔和主变间隔交换机级联，因此，母差交换机是全站数据流量最大的交换机，若母线上连接m台主变，n回出线，则母差交换机最大数据流量为给间隔交换机级联端口流量的累加，即
m*3.2+(n+1)*1.6
考虑双母线接线方式下的母联间隔，所以用n+1。
西泾变本期一台主变，220kv四条出现，110kv八条出线。因此，110kv母线保护端口数据流量为：1*3.2+(8+1)*1.6=17.6Mb/s。220kv母线保护端口数据流量为：1*3.2+(4+1)*1.6=11.2Mb/s。
西泾变远期三台主变，220kv八条出现，110kv十二条出线。因此，110kv母线保护端口数据流量为：3*3.2+(12+1)*1.6=30.4Mb/s。220kv母线保护端口数据流量为：3*3.2+(8+1)*1.6=24Mb/s。
晨港变本期二台主变，220kv四条出现，110kv十二条出线。因此，110kv母线保护端口数据流量为：2*3.2+(12+1)*1.6=27.2Mb/s。220kv母线保护端口数据流量为：2*3.2+(4+1)*1.6=14.4Mb/s。
晨港变远期三台主变，220kv八条出现，110kv十二条出线。因此，110kv母线保护端口数据流量为：3*3.2+(12+1)*1.6=30.4Mb/s。220kv母线保护端口数据流量为：3*3.2+(8+1)*1.6=24Mb/s。
从上面的分析可以看到，考虑到远期规划，各电压等级对应的公共交换机最好考虑千M交换机。
20 / 20