基于IEC61850的工业以太网交换机技术应用

基于IEC61850的工业以太网交换机技术应用

【摘 要】在现代自动化变电站通信中，IEC61850是一种新的国际标准模式，基于此，对于工业以太网的交换机也提出了更高的要求。要求对于现代数字化变电站的主体设备，也就是工业以太网的交换机必须良好的工作以达到为网络通信服务的目的。本文基于IEC61850的光纤工业以太网交换机为主要研究对象，在对数字化变电站进行设计和研究的基础上探讨如何推动变电站自动化水平更快的向前发展。

【关键词】IEC61850；网络通信；工业以太网；新技术开发

1 引言

根据近几年的通信系统资料统计显示，目前全球85%的网络采用以太网技术。尤其是上世纪九十年代初，随着计算机性能的不断提高以及通信量的急剧增加，传统局域网逐渐超出了自身负荷，交换式以太网技术应运而生，大大提高了局域网性能。为了顺应技术发展的潮流，各个芯片公司也推出了适用于工业要求的产品.当前电力系统中，对变电站自动化的要求越来越高，为方便变电站中各种IED的管理以及设备间的互联，就需要一种通用的通信方式来实现。IEC61850通过对设备的一系列规范化，使其形成一个规范的输出，实现系统的无缝连接。IEC61850标准是变电站自动化系统结构和数据通信的国际标准，主要目的是使不同厂家的智能电子设备（IED）通过相同标准实现互操作和信息共享。IEC61850标准将变电站通信体系分为变电站层、间隔层和过程层。各层内部和各层之间通过高速以太网实现信息共享。

2 以太网交换机功能原理

2.1交换机主要功能

学习：以太网交换机了解每一端口相连设备的MAC地址，并将地址同相应的端口映射起来存放在交换机缓存中的MAC地址表中。

转发/过滤：当一个数据帧的目的地址在MAC地址表中有映射时，它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口（如该数据帧为广播/组播帧则转发至所有端口）。

消除回路：当交换机包括一个冗余回路时，以太网交换机通过生成树协议避免回路的产生，同时允许存在后备路径。

2.2交换机的工作特性

（1）交换机的每一个端口所连接的网段都是一个独立的冲突域。

（2）交换机所连接的设备仍然在同一个广播域内。

（3）交换机依据帧头的信息进行转发。

另外，目前交换机在传送源和目的端口的数据包时通常采用直通式交换、存储转发式和碎片隔离方式三种数据包交换方式。目前的存储转发式是交换机的主流交换方式。

3 数字化变电站自动化系统

配电自动化系统主要由配电主站、配电终端、配电子站和通信通道等部分组成， 配电主站是配电自动化系统的核心部分。数字化变电站是指遵循IEC61850标准的变电站，其主要特征是：“一次设备智能化，二次设备网络化，符合IEC61850标准”。

数字化变电站自动化系统的特点：

（1）智能化的一次设备。一次设备大量采用微处理器、可编程控制器、光电技术、光纤技术等技术手段。

（2）网络化的二次设备。站内常规的二次设备以及新兴装置全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备间通过高速的网络通信，真正实现了数据共享、资源共享。

（3）自动化的运行管理系统。包括电力生产自动化；故障时的智能化；设备检修自动化。

3.1 数字化变电站对工业以太网交换机的要求

网络系统是连接站内各种智能电子设备（IED）的纽带，是数字化变电站自动化系统的命脉。工业以太网交换机作为数字化变电站通信网络的重要设备，IEC 61850.3对其提出了更严格的要求。在功能方面：（1）支持QoS服务质量和快速存储转发方式，以保证网络中重要的GOOSE/GSSE报文得到实时传输：（2）支持VLAN实现网段隔离，保证重要数据实时、可靠传输并抑制网络广播风暴；（3）支持冗余网络拓扑结构，以提高网络的可靠性：（4）支持RSTP快速生成树协议，提高网络故障时的收敛速度，避免网络环回和抑制网络广播风暴等。在电磁兼容方面：要求能在强电磁干扰、电击、雷击等环境下正常工作。在环境温度方面：满足宽温范围。在机械结构方面：满足特定的防尘、防潮、防水要求；具备良好的散热条件：能承受强振动、大冲击的外力等。

伴随国内数字化变电站的建设，符合IEC61850标准的工业以太网交换机得到了国内外通信设备供应商的高度重视。严格按照IEC 61850标准，自主研发了IETH9000系列智能型光纤工业以太网交换机，图1是9000系列结构框图。

图1 IETH9000系列结构框图

3.2 方案设计

3.2.1 硬件部分

IETH9000系列交换机均采用工业级、高性能的元器件，硬件部分主要由CPU模块和交换模块组成，如图2（a）所示。CPU芯片是基于ARM9的32位嵌入式处理器，实现交换机的高级管理功能配置、远程管理以及对故障的诊断监测。SDRAM和FLASH实现交换机中程序和数据的存储管理。硬件整体设计结构图见图2（b）。

图2（a） 工业以太网交换机方案

图2（b） 交换机硬件整体结构图

交换模块选用工业级、高速芯片，支持VLAN、QoS，Trunk，IGMP Snooping，STP/RSTP，Mirroring，SNMP等功能：提供4个千兆的光/电接口，24个10/100 M光/电接口和一个RS232管理口；采用存储转发、无阻塞全线速交换；具有-40℃-85℃宽温范围；等。为了提高硬件电路的质量采取了许多技术措施：如印制电路板使用CAD技术；元器件的焊接大规模采用表面贴装生产工艺等。

3.2.2 软件部分

在软件设计中系统分为：初始化、系统移植、芯片驱动、通信模块和应用程序等几部分来实现。为了完成复杂的算法计算、任务调度及管理功能，并保证交换机的实时性、可靠性，采用了基于Vxworks操作系统的嵌入式开发技术。 软件设计的主要任务是对交换芯片的寄存器进行设置，使之实现丰富的网络管理功能，如环网自愈、Vlan、QoS等技术。交换机的动态环技术，采用专有快速算法确保网络自愈时间最小。环网中的交换机通过循环的发送一帧监测报文来保持彼此联系，一旦发生故障，环网中的交换机就能知晓，并立即启动备用通道。交换机实现了基于802.1Q/Port/Mac等VLAN，可以根据任务的轻重缓急划分不同的网段，既规避了网络风险，又改善了带宽的利用。

图3 软件结构框图

交换机采用IP Head优先级和802.1p用户优先级两种策略来提高网络的服务质量。图3是软件结构框图，其中涉及驱动程式和驱动程式封装的是SAL层、Driver层和BCM层。SAL层可对操作系统和驱动层进行隔离，可提供PCI中断连同PCI设备的查找、线程、中断、同步和内存管理。Driver层包括BCM5690寄存器的访问方式实现、表的初始化、内存初始化、芯片堆叠模式的配置、L2和L3地址的操作和查找、数据包的发送/接收连同端口的管理等。

交换机采用冗余双电源输入，当工作电源发生故障，立即通过继电器接通备

用电源，并给出告警信息。电源的设计采用了军品级防雷击、防浪涌保护电路。

交换机具有专有的自然风道散热方式。在特制的厚铝金属机箱中间，通过一个中空的管道将电源和交换芯片两大热源分割开，两热源通过散热器与管道和机箱上面板紧贴，实现散热。

4 IETH9000系列交换机在数字化变电站的应用

考虑到数字化变电站的实际应用情况，遵照IEC 61850标准，提出如图4所示的数字化变电站通信网络方案。方案采用抗电磁干扰强的光纤网络，在变电站层和间隔层之间采用冗余环网，在每层的内部采用星型网络。方案使用IETH9000交换机来搭建快速的光纤通信平台。

图4 数字化变电站通信网络

数字化变电站自动化系统对通信的实时性要求很高，方案采取了许多措施来保障。光纤冗余环网采用动态环技术，以保证数据通道的畅通。通过VLAN将不同的业务划分在不同的网段内，不但能提高网络的吞吐量和带宽利用率，还能有效地防止网络风暴和数据的冲突，从而保障了网络的实时、可靠传输。

通信网络是数字化变电站自动化系统的纽带，而网络拓扑结构关系到通信网络的安全稳定运行。在这个方案中采用光纤冗余环网和星型网相结合的方式，可以避免交换机的单环节点过多和多级级联而引发的网络缺陷，有利于提高网络的实时性、可靠性和扩展性，有助于保障变电站的正常工作。该方案基于IEC61850标准，实现了保护、测量以及监控等功能，具有可靠性高、互操作性强和扩展灵活等优点。

参考文献：

[1]叶敏.《程控数字交换与交换网》.北京邮电大学出版社，2003.

[2]卞佳丽.《现代交换原理与通信网技术》.北京邮电大学出版社，2005.