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摘要：近年来电子式电压互感器、电子式电流互感器和智能型断路器等设备在智能变电站中的应用日益增多，这使得工业以太网交换机逐步取代了传统电缆。相较于传统电缆，工业以太网交换机应用于智能变电站过程层，能够极大地提高通信的实时性和可靠性。在对智能变电站自动化系统进行阐述的基础上，深入探讨了IEC 61850标准对智能变电站自动化系统报文的要求，以及工业以太网交换机在智能变电站中的应用。
关键词：IEC 61850标准；智能变电站；自动化系统；过程层；工业以太网交换机
基于以太网通信技术的智能变电站自动化系统，实现了一二次设备间信息的沟通与共享，同时智能变电站自动化系统的多种功能反过来又向以太网通信技术的实时性提出了更高的要求。相较于传统变电站，智能变电站中采用光纤网络来进行信息的传递，使得工业以太网交换机逐渐替代了传统电缆而成为智能变电站通信网络的关键设备。由于智能变电站自动化系统自身结构和功能的特殊性，使得工业以太网交换机有着很高的要求和标准，因此探究基于IEC 61850标准的智能变电站过程层网络性能和工业以太网交换机的性能有着十分重要的现实意义。
一、智能变电站自动化系统的逻辑结构
随着电子式电流电压互感器、智能化开关和变电站运行操作培训仿真等设备的不断完善和应用，基于新的物理测量原理的新型控制器和传感器使变电站一次设备的功能得到新的延伸和扩展，极大提高了测量结果的准确性和可靠性，[1]并且使智能变电站自动化系统的开发和应用成为可能。基于IEC 61850标准的智能变电站自动化系统的逻辑机构分为变电站层、间隔层和过程层，各层的内外通信都使用光纤网络，见图1。
二、基于IEC 61850标准的智能变电站过程层通信服务的分析
1.基于IEC61850标准的智能变电站通信报文类型和性能级
IEC 61850标准对智能变电站过程层所涉及的通信服务有着详细的划分，通信报文的类型和性能级的规定如下所示：[2]
第一类是快速报文，主要包括命令、数据和单一报文的简单二进制代码。快速报文又包含两种类型：
（1）跳闸。作为最重要的通信报文，跳闸有着比其他快速报文更高的要求，其中性能级P1的总传输时间要在10ms以内，性能级P2/3的总传输时间要在3ms以内。
（2）其他。其他是指除跳闸以外的所有快速报文，其要求低于跳闸，其中性能级P1的总传输时间要在100ms以内，性能级P2/3的总传输时间要在20ms以内。
第二类是中速报文，其强调传输中事件发生的事件，但却并不关注具体的传输时间。中速报文主要包括智能变电站各种状态信息，要求总传输时间要在100ms以内。
第三类是低速报文，主要用于低速自动控制功能、系统数据描述和事件记录传输等。低速报文含有比较复杂的报文，要求总传输时间要在500ms以内。
第四类是生数据报文，主要包括每个智能电子设备输出的连续同步数据流，其中交叉着其他智能电子设备的输出数据。
第五类是时间同步报文，主要用于对智能变电站自动化系统中智能电子设备的内部时钟进行同步，同步时需要根据智能电子设备的具体用途来采取不同级的时间同步。
第六类是文件传输报文，主要用于信息目的和大型记录数据文件等的传输，在传输时要将数据分为有限长度的块，总传输时间没有具体的规定的限制。
第七类是访问控制命令报文，主要用于各种控制命令的传输，因此对信息传输的安全性要求较高。
2.基于IEC61850标准的智能变电站过程层网络的传输延时
（1）报文传输流程的分析。基于IEC 61850的智能变电站自动化系统中报文的传输，开始于报文发送方将数据信息置于其传输栈顶，结束于报文接收方将传输的数据信息从传输栈中取出，图2为报文传输的具体流程。
（2）报文传输延时的构成。使用工业以太网交换机时，智能变电站过程层中报文的传输实质是由发送节点的某功能将报文发送出去，然后通过网络最终到达接收节点的某功能，在这个过程中将会产生传输延时。具体来说，报文的传输延时主要包含以下4个部分：第一个部分是交换机存储转发延时Tsf，单台工业以太网交换机的存储转发延时=帧长/传输速率；第二个部分是交换机交换延时Tsw，其取决于工业以太网交换机芯片处理MAC地址表和优先级等功能的速度，一般小于10?s；第三个部分是光缆传输延时Twl，光缆传输延时=光缆长度/光缆光速；第四个部分是交换机帧排队延时Tq，由于在帧冲突时，工业以太网交换机都采用排队方式来对信息进行顺序传输，因此导致交换成功率和交换延时是不确定的。
在以上4种传输延时中，交换机交换延时、交换机存储转发延时和光缆传输延时都是可以进行预知和计算的，而交换机帧排队延时则是难以计算的。目前在研究如何解决报文传输延时的问题时，国内外众多学者和工业以太网交换机厂商都是从以上4个方面来进行考虑，而基础就是如何测量报文经过工业以太网交换机时的不确定延时。[3]
三、工业以太网交换机在智能变电站中的应用
1.智能变电站对工业以太网交换机的要求
首先，智能变电站对工业以太网交换机功能方面的要求。作为连接智能变电站自动化系统内各种智能电子设备的纽带，网络系统对于智能变电站自动化系统的正常运行有着至关重要的作用，因此基于IEC 61850标准的智能变电站对于工业以太网交换机的功能有着严格的要求：工业以太网交换机必须具有高精度的网络对时协议；能保证信息的安全快速传输，同时保证高优先级的用户数据能得到优先传输；能对网络流量进行控制；能监控网络的运行状况，对各种故障进行及时诊断。[4]
其次，智能变电站对工业以太网交换机环境方面的要求。当工业以太网交换机应用于基于IEC 61850标准的智能变电站时，其运行环境是复杂且严酷的，这就要求工业以太网交换机必须能在各种恶劣环境下保持良好的工作性能。具体来说：在环境温度方面，工业以太网交换机必须满足宽温范围，要能在极端恶劣的温度条件下稳定工作；在绝缘性能方面，工业以太网交换机要按照IEC 60255-5或IEEE 1613标准进行冲击电压和介质强度检验，确保具有良好的绝缘性能；在低气压方面，工业以太网交换机要在高温和低气压条件下进行产品性能和绝缘性能测试，确保能在低气压条件下稳定运行；在机械结构方面，工业以太网交换机除了要满足特定的防潮、防水和防尘要求，还要具有良好的散热功能以及承受较大外力冲击的能力。 最后，智能变电站对工业以太网交换机电磁兼容方面的要求。当工业以太网交换机应用于基于IEC 61850标准的智能变电站时，会受到多种多样的电磁干扰而导致数据传输延时、网络堵塞、数据丢失和死机等问题，因此要求工业以太网交换机必须具有较强的抗电磁干扰能力。[5]
2.工业以太网交换机的具体工作流程
工业以太网交换机的工作流程见图3，具体而言：
（1）数据帧首先到工业以太网交换机进行缓存，交换机将会对数据帧的完整性进行检查，同时FCS校验数据帧是否正确。如果检查出数据帧为BPDU帧，就将其交给CPU进行处理，如果缓存区的数据满了，就对数据帧进行丢弃。
（2）根据VLAN规则，端口对数据帧进行处理，如果数据帧带有标签并且端口允许其通过，那么将进入下一流程。如果数据帧没有标签，那么就根据交换机PVID设置来为其打上标签。
（3）根据MAC过滤表，交换机对数据帧进行过滤。
（4）端口学习MAC地址，并对MAC地址表进行更新。
（5）经过滤后的数据帧进行到交换机的主交换引擎，然后依据VLAN Table表将不同的数据帧发送到相应VLAN的端口。
（6）交换机在该VLAN内的所有端口上查找目的MAC地址，如果查到就发送到相应端口，否则就发送给所有端口。如果是广播数据就发送给所有端口，如果是组播数据就要查找动态或静态组播表，查到就发送给相应端口，否则就发送给所有端口。
（7）数据帧到达相应的端口后，交换机对其进行规则处理，然后再根据配置进行QoS处理，并且对数据帧的FCS进行重新计算。
（8）经过上述处理后的数据帧出交换机。
3.工业以太网交换机性能指标的分析
为了对工业以太网交换机的性能进行评价，需要对以下指标进行核算和分析：交换机吞吐量、端口转发速率、地址缓存能力、地址学习速率、存储转发时延、延时抖动、帧丢失率、背靠背帧、对头堵塞、网络风暴抑制、虚拟局域网VLAN、优先级QoS、环网恢复时间、镜像、组播和PTP时间同步。在实际运作中，需要根据智能变电站的功能和要求来对以上性能进行综合分析和评价，不可一概而论。
四、结论
作为智能变电站通信网络和自动化系统的唯一国际标准，IEC 61850标准使得工业以太网成为智能变电站自动化系统的基本通信网络，同时基于工业以太网交换机的通信网络也取代了传统的硬接线连线。智能变电站过程层传输着大量数据，这要求工业以太网交换机必须具有快速的交换能力和充足的交换容量，尽可能降低传输延时，从而确保信息传输的实时性和可靠性。
参考文献：
[1]王文政.智能化变电站自动化系统通信网络实现方式探讨[J].供用电，2011，（6）.
[2]段吉泉.变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现[D].湘潭：湘潭大学，2007.
[3]黄智宇.基于IEC 61850的变电站网络通信及装置的研究[D].大连：大连理工大学，2008.
[4]赵华云，张冉，陈卓.智能变电站中工业以太网交换机的应用技术[J].低压电器，2010，（18）.
[5]汪强.基于IEC61850的光纤工业以太网交换机的设计及应用[J].电力系统保护与控制，2010，38（13）.
（责任编辑：刘辉）
关键词：IEC 61850标准；智能变电站；自动化系统；过程层；工业以太网交换机
基于以太网通信技术的智能变电站自动化系统，实现了一二次设备间信息的沟通与共享，同时智能变电站自动化系统的多种功能反过来又向以太网通信技术的实时性提出了更高的要求。相较于传统变电站，智能变电站中采用光纤网络来进行信息的传递，使得工业以太网交换机逐渐替代了传统电缆而成为智能变电站通信网络的关键设备。由于智能变电站自动化系统自身结构和功能的特殊性，使得工业以太网交换机有着很高的要求和标准，因此探究基于IEC 61850标准的智能变电站过程层网络性能和工业以太网交换机的性能有着十分重要的现实意义。
一、智能变电站自动化系统的逻辑结构
随着电子式电流电压互感器、智能化开关和变电站运行操作培训仿真等设备的不断完善和应用，基于新的物理测量原理的新型控制器和传感器使变电站一次设备的功能得到新的延伸和扩展，极大提高了测量结果的准确性和可靠性，[1]并且使智能变电站自动化系统的开发和应用成为可能。基于IEC 61850标准的智能变电站自动化系统的逻辑机构分为变电站层、间隔层和过程层，各层的内外通信都使用光纤网络，见图1。
二、基于IEC 61850标准的智能变电站过程层通信服务的分析
1.基于IEC61850标准的智能变电站通信报文类型和性能级
IEC 61850标准对智能变电站过程层所涉及的通信服务有着详细的划分，通信报文的类型和性能级的规定如下所示：[2]
第一类是快速报文，主要包括命令、数据和单一报文的简单二进制代码。快速报文又包含两种类型：
（1）跳闸。作为最重要的通信报文，跳闸有着比其他快速报文更高的要求，其中性能级P1的总传输时间要在10ms以内，性能级P2/3的总传输时间要在3ms以内。
（2）其他。其他是指除跳闸以外的所有快速报文，其要求低于跳闸，其中性能级P1的总传输时间要在100ms以内，性能级P2/3的总传输时间要在20ms以内。
第二类是中速报文，其强调传输中事件发生的事件，但却并不关注具体的传输时间。中速报文主要包括智能变电站各种状态信息，要求总传输时间要在100ms以内。
第三类是低速报文，主要用于低速自动控制功能、系统数据描述和事件记录传输等。低速报文含有比较复杂的报文，要求总传输时间要在500ms以内。
第四类是生数据报文，主要包括每个智能电子设备输出的连续同步数据流，其中交叉着其他智能电子设备的输出数据。
第五类是时间同步报文，主要用于对智能变电站自动化系统中智能电子设备的内部时钟进行同步，同步时需要根据智能电子设备的具体用途来采取不同级的时间同步。
第六类是文件传输报文，主要用于信息目的和大型记录数据文件等的传输，在传输时要将数据分为有限长度的块，总传输时间没有具体的规定的限制。
第七类是访问控制命令报文，主要用于各种控制命令的传输，因此对信息传输的安全性要求较高。
2.基于IEC61850标准的智能变电站过程层网络的传输延时
（1）报文传输流程的分析。基于IEC 61850的智能变电站自动化系统中报文的传输，开始于报文发送方将数据信息置于其传输栈顶，结束于报文接收方将传输的数据信息从传输栈中取出，图2为报文传输的具体流程。
（2）报文传输延时的构成。使用工业以太网交换机时，智能变电站过程层中报文的传输实质是由发送节点的某功能将报文发送出去，然后通过网络最终到达接收节点的某功能，在这个过程中将会产生传输延时。具体来说，报文的传输延时主要包含以下4个部分：第一个部分是交换机存储转发延时Tsf，单台工业以太网交换机的存储转发延时=帧长/传输速率；第二个部分是交换机交换延时Tsw，其取决于工业以太网交换机芯片处理MAC地址表和优先级等功能的速度，一般小于10?s；第三个部分是光缆传输延时Twl，光缆传输延时=光缆长度/光缆光速；第四个部分是交换机帧排队延时Tq，由于在帧冲突时，工业以太网交换机都采用排队方式来对信息进行顺序传输，因此导致交换成功率和交换延时是不确定的。
在以上4种传输延时中，交换机交换延时、交换机存储转发延时和光缆传输延时都是可以进行预知和计算的，而交换机帧排队延时则是难以计算的。目前在研究如何解决报文传输延时的问题时，国内外众多学者和工业以太网交换机厂商都是从以上4个方面来进行考虑，而基础就是如何测量报文经过工业以太网交换机时的不确定延时。[3]
三、工业以太网交换机在智能变电站中的应用
1.智能变电站对工业以太网交换机的要求
首先，智能变电站对工业以太网交换机功能方面的要求。作为连接智能变电站自动化系统内各种智能电子设备的纽带，网络系统对于智能变电站自动化系统的正常运行有着至关重要的作用，因此基于IEC 61850标准的智能变电站对于工业以太网交换机的功能有着严格的要求：工业以太网交换机必须具有高精度的网络对时协议；能保证信息的安全快速传输，同时保证高优先级的用户数据能得到优先传输；能对网络流量进行控制；能监控网络的运行状况，对各种故障进行及时诊断。[4]
其次，智能变电站对工业以太网交换机环境方面的要求。当工业以太网交换机应用于基于IEC 61850标准的智能变电站时，其运行环境是复杂且严酷的，这就要求工业以太网交换机必须能在各种恶劣环境下保持良好的工作性能。具体来说：在环境温度方面，工业以太网交换机必须满足宽温范围，要能在极端恶劣的温度条件下稳定工作；在绝缘性能方面，工业以太网交换机要按照IEC 60255-5或IEEE 1613标准进行冲击电压和介质强度检验，确保具有良好的绝缘性能；在低气压方面，工业以太网交换机要在高温和低气压条件下进行产品性能和绝缘性能测试，确保能在低气压条件下稳定运行；在机械结构方面，工业以太网交换机除了要满足特定的防潮、防水和防尘要求，还要具有良好的散热功能以及承受较大外力冲击的能力。 最后，智能变电站对工业以太网交换机电磁兼容方面的要求。当工业以太网交换机应用于基于IEC 61850标准的智能变电站时，会受到多种多样的电磁干扰而导致数据传输延时、网络堵塞、数据丢失和死机等问题，因此要求工业以太网交换机必须具有较强的抗电磁干扰能力。[5]
2.工业以太网交换机的具体工作流程
工业以太网交换机的工作流程见图3，具体而言：
（1）数据帧首先到工业以太网交换机进行缓存，交换机将会对数据帧的完整性进行检查，同时FCS校验数据帧是否正确。如果检查出数据帧为BPDU帧，就将其交给CPU进行处理，如果缓存区的数据满了，就对数据帧进行丢弃。
（2）根据VLAN规则，端口对数据帧进行处理，如果数据帧带有标签并且端口允许其通过，那么将进入下一流程。如果数据帧没有标签，那么就根据交换机PVID设置来为其打上标签。
（3）根据MAC过滤表，交换机对数据帧进行过滤。
（4）端口学习MAC地址，并对MAC地址表进行更新。
（5）经过滤后的数据帧进行到交换机的主交换引擎，然后依据VLAN Table表将不同的数据帧发送到相应VLAN的端口。
（6）交换机在该VLAN内的所有端口上查找目的MAC地址，如果查到就发送到相应端口，否则就发送给所有端口。如果是广播数据就发送给所有端口，如果是组播数据就要查找动态或静态组播表，查到就发送给相应端口，否则就发送给所有端口。
（7）数据帧到达相应的端口后，交换机对其进行规则处理，然后再根据配置进行QoS处理，并且对数据帧的FCS进行重新计算。
（8）经过上述处理后的数据帧出交换机。
3.工业以太网交换机性能指标的分析
为了对工业以太网交换机的性能进行评价，需要对以下指标进行核算和分析：交换机吞吐量、端口转发速率、地址缓存能力、地址学习速率、存储转发时延、延时抖动、帧丢失率、背靠背帧、对头堵塞、网络风暴抑制、虚拟局域网VLAN、优先级QoS、环网恢复时间、镜像、组播和PTP时间同步。在实际运作中，需要根据智能变电站的功能和要求来对以上性能进行综合分析和评价，不可一概而论。
四、结论
作为智能变电站通信网络和自动化系统的唯一国际标准，IEC 61850标准使得工业以太网成为智能变电站自动化系统的基本通信网络，同时基于工业以太网交换机的通信网络也取代了传统的硬接线连线。智能变电站过程层传输着大量数据，这要求工业以太网交换机必须具有快速的交换能力和充足的交换容量，尽可能降低传输延时，从而确保信息传输的实时性和可靠性。
参考文献：
[1]王文政.智能化变电站自动化系统通信网络实现方式探讨[J].供用电，2011，（6）.
[2]段吉泉.变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现[D].湘潭：湘潭大学，2007.
[3]黄智宇.基于IEC 61850的变电站网络通信及装置的研究[D].大连：大连理工大学，2008.
[4]赵华云，张冉，陈卓.智能变电站中工业以太网交换机的应用技术[J].低压电器，2010，（18）.
[5]汪强.基于IEC61850的光纤工业以太网交换机的设计及应用[J].电力系统保护与控制，2010，38（13）.
（责任编辑：刘辉）