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[摘 要]本文结合新一代智能变电站提出的“四网合一”技术方案，分析在MMS、GOOSE、SV、1588共网传输方式下，对变电站网络报文流量进行探讨，为新一代智能变电站设备配置及设计方案提供参考。
[关键词]四网合一；新一代智能变电站；报文；网络流量
中图分类号：TM411+.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）46-0145-02
1 智能变电站组网现状
智能变电站是智能电网的重要组成部分，目前智能变电站按照IEC61850标准，将变电站划分成站控层、间隔层、过程层三层。站控层与间隔层之间称为站控层网络，过程层与间隔层之间称为过程层网络，即通常所说的“三层两网”结构。站控层网络业务数据量不大，实时性要求不高，但拓扑结构较为灵活；过程层网络是智能变电站安全稳定运行的重要保障，对可靠性、实时性要求严格。智能变电站常用的几种组网方式如下：
（1）站控层MMS、过程层GOOSE及SV均单独组网；
（2）站控层MMS单独组网，过程层GOOSE及SV共网传输；
（3）站控层MMS单独组网，过程层GOOSE、SV及IEEE1588“三网合一”；
（4）混合组网：即结合以上几种组网方式，根据工程实际情况灵活调整的一种组网方式。
2 新一代智能变电站组网方式
新一代智能变电站围绕“安全可靠、配置优化、工艺一流、经济合理”的设计理念，结合新技术、新设备、新工艺的应用，要求优化变电站网络结构，减少网络交换机数量，降低通信网络建设成本。新一代智能站更加强调间隔的独立且简化，对站级网络来说，其交换机和设备均具备按需流量管理的能力，可根据需要配置百兆或千兆端口的交换机，并支持优先级。
110kV新一代智能变电站网络架构示意图如图1所示：
3 新一代智能变电站网络流量
3.1 站控层MMS报文流量
MMS（Manufacturing Message Specification，制造报文规范）是国际标准化组织制定的一套用于工业控制系统的通信协议，用于网络环境下计算机或智能电子设备之间交换实时数据和监控信息。国际标准化组织出台MMS的目的是为了规范工业领域具有通信能力的智能传感器、智能电子设备（IED）、智能控制设备的通信行为，使出自不同制造商的设备之间具有互操作性，使系统集成变得简单、方便。
MMS数据报文流量较小，发生故障时是MMS数据流量最大的情况，包含遥测及遥信量，理论计算值可取0.012Mbit/s。
3.2 过程层GOOSE报文流量
GOOSE报文采用具有信息优先级的交换式以太网技术，从通信协议栈的层面保证了报文传输的实时性，以发布者/订阅者模式进行通信。有完善的超时重传机制，GOOSE数据流量和占用的网络带宽比较小。
GOOSE报文一般只用于传输保护跳闸、闭锁等状态变化信息，内容比较单一，在正常情况下只维持心跳报文。在没有GOOSE事件发生时，报文发送时间较长，发送时间间隔固定。在某个事件发生时，数据发生了变化，发送时间间隔就会设置为最小，在此阶段，发送时间间隔会逐渐增大，直到事件状态稳定，GOOSE报文的发送又变为固定时间间隔。实际工程中GOOSE报文的最大长度为6016字节，假定固定发送时间为10s，那么GOOSE流量为：6016*8*（1/10）=0.048Mbit/s，可以明显地看出在网络中GOOSE报文的流量不大，基本不会对网络传输造成影响，可以忽略其占用的网络带宽。
3.3 过程层SV报文流量
SV采样值作为智能变电站内传送的重要信息，表征了一次侧电流、电压实时数值，是间隔层保护、测控、计量等智能设备进行动作判定和数据计算的重要信息来源，IEC61850为此描述了过程层与间隔层之间通过基于交换式以太网的串行通信网络取代并行电缆，实现采样值传输的实现方法。
IEC61850-9-2采样值报文长度存在一定的不确定性，其具体值由配置和编码来决定。TLV格式中的长度采用ASN1编码，具体的编码长度可能不同，一个APDU（application protocol data unit）可以由多个ASDU（application service data unit）链接而成，它的数目与采样速率有关，IEC61850-9-2中定义采样值报文的最大长度为：26字节以太网报头（含4字节优先级标记）+4字节CRC+8字节以太网型PDU+2字节ASN1标记/长度+2字节块的数目+APDU的编码（m个ASDU）数据；APDU的编码（n个点ASDU）长度=11字节+n个点ASDU的编码；ASDU编码的长度为：2字节+4字节svID+2字节+24字节DataSet路径+2字节+2字节SmpCnt采样序号+2字节+2字节ConfRey+2字节+1字节SmpSynch+2字节+2n字节（n个通道采样值数据）=45+2n=69字节，其中n代表是电子式互感器采样值的通道数目，一般是7路交流电流，5路交流电压信号共12通道，即n=12。合并单元的输出数据要满足间隔层各个IED设备的要求，因此应具有尽可能高的数据采集速率。为了减少实现的复杂性，提高可靠性，本文假设为每周波采样80个点，每帧由1个ASDU组成，故SV采样值报文的最大长度为122字节，那么一个合并单元每秒钟的数据流量为122*8*50*80=3.9Mbit/s，采样值的流量只占100M端口带宽的3.9%。
3.4 对时IEEE1588报文流量
智能变电站通常是以太网交换机组网，IEEE1588协议顺应了报文同步的发展趋势，不但借鉴了NTP和SNTP技术，通过迭代消除了往返的路径延时，而且利用以太网媒体访问控制层打时间戳技术，消除了设备响应时间同步报文的不确定延时，大幅度提高了时间同步精度。IEEE1588协议占用的网络资源非常少，其网络流量可以忽略。 4 新一代智能变电站网络架构
新一代智能变电站由站控层、间隔层、过程层“三层设备”组成，并将各层设备连接至统一网络，形成“三层一网”网络架构。变电站通过一体化网络汇聚智能变电站多种业务。
结合新一代智能变电站组网方案，分别从网络可靠性、响应能力、延时、经济性及扩展性对各种网络架构进行分析，如表1所示：
新一代智能变电站内，保护装置目前均采用“直采直跳”的方式，对新增的站点或保护功能则采用“网采网跳”方式。由于网络上信息传输量的短时不确定，运行维护人员无法准确判断系统运行的状况，需要交换机具备流量控制的功能。 新一代智能变电站要求交换机需具备以下功能：
（1）支持广播风暴抑制、组播风暴抑制、未知单播风暴抑制；
（2）支持单端口镜像和多端口镜像，在保证镜像端口吞吐量的情况下，镜像端口不应丢失数据；
（3）支持IEEE802.1Q定义的VLAN标准，支持基于端口或MAC地址的VLAN，单端口应支持多个VLAN划分；
（4）支持IEEE802.1p流量优先级控制标准，提供流量优先级和动态组播过滤服务，应支持不少于4个优先级队列，具有绝对优先级功能，应能够确保关键应用和时延要求高的信息流优先进行传输；
（5）支持IEC61588网络时间同步；
（6）设备状态信息采用DL/T860标准建模。
伴随着新一代智能变电站逐步推广建设，网络交换机后期发展需同时具备高实时、高可靠、易调试、低成本及易运检等要求。
5 结语
本文结合新一代智能变电站网络架构要求，分析了变电站在“四网合一”方案下网络信息流量计算方法，并提出新一代智能变电站交换机需具备的基本功能及发展趋势。为后期新一代智能变电站网络构架设计提供参考。
参考文献
[1] 国家电网公司《新一代智能变电站网络通信与时间同步要求》，2014.
[2] 国家电网公司基建部《智能变电站建设技术》，2012.
[3] 国网北京经济技术研究院《2014年新一代智能变电站扩大示范工程技术要求》，2014.
[4] 国家电网公司《110kV（66kV）～220kV智能变电站设计规范》，2011.
[关键词]四网合一；新一代智能变电站；报文；网络流量
中图分类号：TM411+.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）46-0145-02
1 智能变电站组网现状
智能变电站是智能电网的重要组成部分，目前智能变电站按照IEC61850标准，将变电站划分成站控层、间隔层、过程层三层。站控层与间隔层之间称为站控层网络，过程层与间隔层之间称为过程层网络，即通常所说的“三层两网”结构。站控层网络业务数据量不大，实时性要求不高，但拓扑结构较为灵活；过程层网络是智能变电站安全稳定运行的重要保障，对可靠性、实时性要求严格。智能变电站常用的几种组网方式如下：
（1）站控层MMS、过程层GOOSE及SV均单独组网；
（2）站控层MMS单独组网，过程层GOOSE及SV共网传输；
（3）站控层MMS单独组网，过程层GOOSE、SV及IEEE1588“三网合一”；
（4）混合组网：即结合以上几种组网方式，根据工程实际情况灵活调整的一种组网方式。
2 新一代智能变电站组网方式
新一代智能变电站围绕“安全可靠、配置优化、工艺一流、经济合理”的设计理念，结合新技术、新设备、新工艺的应用，要求优化变电站网络结构，减少网络交换机数量，降低通信网络建设成本。新一代智能站更加强调间隔的独立且简化，对站级网络来说，其交换机和设备均具备按需流量管理的能力，可根据需要配置百兆或千兆端口的交换机，并支持优先级。
110kV新一代智能变电站网络架构示意图如图1所示：
3 新一代智能变电站网络流量
3.1 站控层MMS报文流量
MMS（Manufacturing Message Specification，制造报文规范）是国际标准化组织制定的一套用于工业控制系统的通信协议，用于网络环境下计算机或智能电子设备之间交换实时数据和监控信息。国际标准化组织出台MMS的目的是为了规范工业领域具有通信能力的智能传感器、智能电子设备（IED）、智能控制设备的通信行为，使出自不同制造商的设备之间具有互操作性，使系统集成变得简单、方便。
MMS数据报文流量较小，发生故障时是MMS数据流量最大的情况，包含遥测及遥信量，理论计算值可取0.012Mbit/s。
3.2 过程层GOOSE报文流量
GOOSE报文采用具有信息优先级的交换式以太网技术，从通信协议栈的层面保证了报文传输的实时性，以发布者/订阅者模式进行通信。有完善的超时重传机制，GOOSE数据流量和占用的网络带宽比较小。
GOOSE报文一般只用于传输保护跳闸、闭锁等状态变化信息，内容比较单一，在正常情况下只维持心跳报文。在没有GOOSE事件发生时，报文发送时间较长，发送时间间隔固定。在某个事件发生时，数据发生了变化，发送时间间隔就会设置为最小，在此阶段，发送时间间隔会逐渐增大，直到事件状态稳定，GOOSE报文的发送又变为固定时间间隔。实际工程中GOOSE报文的最大长度为6016字节，假定固定发送时间为10s，那么GOOSE流量为：6016*8*（1/10）=0.048Mbit/s，可以明显地看出在网络中GOOSE报文的流量不大，基本不会对网络传输造成影响，可以忽略其占用的网络带宽。
3.3 过程层SV报文流量
SV采样值作为智能变电站内传送的重要信息，表征了一次侧电流、电压实时数值，是间隔层保护、测控、计量等智能设备进行动作判定和数据计算的重要信息来源，IEC61850为此描述了过程层与间隔层之间通过基于交换式以太网的串行通信网络取代并行电缆，实现采样值传输的实现方法。
IEC61850-9-2采样值报文长度存在一定的不确定性，其具体值由配置和编码来决定。TLV格式中的长度采用ASN1编码，具体的编码长度可能不同，一个APDU（application protocol data unit）可以由多个ASDU（application service data unit）链接而成，它的数目与采样速率有关，IEC61850-9-2中定义采样值报文的最大长度为：26字节以太网报头（含4字节优先级标记）+4字节CRC+8字节以太网型PDU+2字节ASN1标记/长度+2字节块的数目+APDU的编码（m个ASDU）数据；APDU的编码（n个点ASDU）长度=11字节+n个点ASDU的编码；ASDU编码的长度为：2字节+4字节svID+2字节+24字节DataSet路径+2字节+2字节SmpCnt采样序号+2字节+2字节ConfRey+2字节+1字节SmpSynch+2字节+2n字节（n个通道采样值数据）=45+2n=69字节，其中n代表是电子式互感器采样值的通道数目，一般是7路交流电流，5路交流电压信号共12通道，即n=12。合并单元的输出数据要满足间隔层各个IED设备的要求，因此应具有尽可能高的数据采集速率。为了减少实现的复杂性，提高可靠性，本文假设为每周波采样80个点，每帧由1个ASDU组成，故SV采样值报文的最大长度为122字节，那么一个合并单元每秒钟的数据流量为122*8*50*80=3.9Mbit/s，采样值的流量只占100M端口带宽的3.9%。
3.4 对时IEEE1588报文流量
智能变电站通常是以太网交换机组网，IEEE1588协议顺应了报文同步的发展趋势，不但借鉴了NTP和SNTP技术，通过迭代消除了往返的路径延时，而且利用以太网媒体访问控制层打时间戳技术，消除了设备响应时间同步报文的不确定延时，大幅度提高了时间同步精度。IEEE1588协议占用的网络资源非常少，其网络流量可以忽略。 4 新一代智能变电站网络架构
新一代智能变电站由站控层、间隔层、过程层“三层设备”组成，并将各层设备连接至统一网络，形成“三层一网”网络架构。变电站通过一体化网络汇聚智能变电站多种业务。
结合新一代智能变电站组网方案，分别从网络可靠性、响应能力、延时、经济性及扩展性对各种网络架构进行分析，如表1所示：
新一代智能变电站内，保护装置目前均采用“直采直跳”的方式，对新增的站点或保护功能则采用“网采网跳”方式。由于网络上信息传输量的短时不确定，运行维护人员无法准确判断系统运行的状况，需要交换机具备流量控制的功能。 新一代智能变电站要求交换机需具备以下功能：
（1）支持广播风暴抑制、组播风暴抑制、未知单播风暴抑制；
（2）支持单端口镜像和多端口镜像，在保证镜像端口吞吐量的情况下，镜像端口不应丢失数据；
（3）支持IEEE802.1Q定义的VLAN标准，支持基于端口或MAC地址的VLAN，单端口应支持多个VLAN划分；
（4）支持IEEE802.1p流量优先级控制标准，提供流量优先级和动态组播过滤服务，应支持不少于4个优先级队列，具有绝对优先级功能，应能够确保关键应用和时延要求高的信息流优先进行传输；
（5）支持IEC61588网络时间同步；
（6）设备状态信息采用DL/T860标准建模。
伴随着新一代智能变电站逐步推广建设，网络交换机后期发展需同时具备高实时、高可靠、易调试、低成本及易运检等要求。
5 结语
本文结合新一代智能变电站网络架构要求，分析了变电站在“四网合一”方案下网络信息流量计算方法，并提出新一代智能变电站交换机需具备的基本功能及发展趋势。为后期新一代智能变电站网络构架设计提供参考。
参考文献
[1] 国家电网公司《新一代智能变电站网络通信与时间同步要求》，2014.
[2] 国家电网公司基建部《智能变电站建设技术》，2012.
[3] 国网北京经济技术研究院《2014年新一代智能变电站扩大示范工程技术要求》，2014.
[4] 国家电网公司《110kV（66kV）～220kV智能变电站设计规范》，2011.