数字化变电站EPON通信解决方案

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1、目录数字化变电站介绍数字化变电站介绍数字化变电站介绍数字化变电站介绍工业以太网与EPON方案的技术比较工业以太网与EPON方案的技术比较目录数字化变电站介绍数字化变电站介绍数字化变电站介绍数字化变电站介绍工业以太网与EPON方案的技术比较工业以太网与EPON方案的技术比较传统变电站存在的问题 二次设备之间存在互操作性问题二次设备之间存在互操作性问题二次设备缺乏统一的信息模型规范和通信标准，不同厂家设备的互连，必须设置大量二次设备缺乏统一的信息模型规范和通信标准，不同厂家设备的互连，必须设置大量的规约转换器。增加了设计、调试和维护的难度，降低了系统的性能。 传统电压/电流互感器问题传统电压/电流

2、互感器问题体积大、漏油、开路安全隐患、电流饱和失真、铁磁谐振、信息共享能力有限。 二次电缆对系统可靠性的影响二次电缆对系统可靠性的影响二次电缆遭受电磁干扰/耦合、着火、传输损耗、二次回路两点接地等。 信息难以共享信息难以共享功能的实现模式为：硬件设备+连接电缆（模拟量采集电缆、控制电缆）。装置功能单一、交叉。客户需求的变化往往需要增加新的硬件，升级换代不便。 变电站占地面积大变电站占地面积大业务需求和技术进步驱动变电站数字化 变电站业务需求的变化和技术的进步，驱动了变电站一二次设备技术融合，以变电站业务需求的变化和技术的进步，驱动了变电站一二次设备技术融合，以及变电站运行方式的变革及变电站运行

3、方式的变革。数字化变电站应运而生数字化变电站应运而生。及变电站运行方式的变革及变电站运行方式的变革。数字化变电站应运而生数字化变电站应运而生。电子式互感器应用电子式互感器应用智能断路器技术发展和应用智能断路器技术发展和应用数字化变电站数字化变电站 高速工业通信网络技术发展高速工业通信网络技术发展IEC61850标准的颁布和实施IEC61850标准的颁布和实施传统变电站或数字化变电站的对比序号比较类别传统变电站数字化变电站序号比较类别传统变电站数字化变电站 传统变电站与数字化变电站的对比传统变电站与数字化变电站的对比1数据类型模拟信号共享数字信号共享2传输介质基于电缆互联实现信息共享基于光纤以太

4、网实现信息共享3网络模型数据传输模型化信息3网络模型数据传输模型化信息新技术新方案 主要技术主要技术 一次设备智能化 二次设备网络化 相关标准相关标准 相关标准相关标准 电力标准：IEC 60044、IEC 61850 通信标准：IEEE 802.1q、IEEE 802.1p、IEEE 802.1w、IEEE 1588 相关产品相关产品 电子式互感器 电子式互感器 合并单元 智能终端 过程层交换机 时钟同步设备IEC61850模型“三层两网”IEC61850三层设备间报文类型定义组网应用 仅部分数字化（全国400多座，大部分数字化变电站按照此模式）仅部分数字化（全国400多座，大部分数字化变电

5、站按照此模式） 站控层遵循IEC 61850标准，过程层仍为传统变电站模式 站控层遵循IEC 61850标准，过程层GOOSE实现数字化，SMV未实现 全数字化（为数不多，处于验证阶段）全数字化（为数不多，处于验证阶段） 站控层遵循IEC 61850标准，过程层采用GOOSE+SMV组网 站控层遵循IEC 61850标准，过程层采用GOOSE+SMV+IEEE 1588组网 站控层遵循IEC 61850标准，过程层采用GOOSE+SMV+IEEE 1588组网 GOOSEGOOSE、SMVSMV、时钟组网时钟组网 GOOSEGOOSE、SMVSMV、时钟组网时钟组网 单独组网，SMV分别基于I

6、EC 61850-9-1/2标准实现点对点/总线传输 GOOSE和SMV共网，时钟同步IRIG-B单独组网 GOOSE、SMV、IEEE 1588共网“三网合一”是数字化变电站未来的发展趋势！“三网合一”是数字化变电站未来的发展趋势！IEC 61850-9-1和IEC 61850-9-2对比 SMV传输方案IEC 61850-9-1SMV传输方案IEC 61850-9-1 方案模式简单，工程实施的技术难度小 点对点方式，光缆铺设量大，合并单元安装方式不灵活 过程层光口数量大，不利于维护 不经过交换机，时延固定 没有体现数字化变电站的信息共享的思想没有体现数字化变电站的信息共享的思想，属于过渡性

7、的方案属于过渡性的方案，0909年年TC57TC57宣布宣布 没有体现数字化变电站的信息共享的思想没有体现数字化变电站的信息共享的思想，属于过渡性的方案属于过渡性的方案，0909年年TC57TC57宣布宣布IEC61850-9-1废除IEC61850-9-1废除IEC 61850-9-1和IEC 61850-9-2对比 SMV传输方案IEC 61850-9-2SMV传输方案IEC 61850-9-2 网络传输模式，光缆铺设量大幅减少，合并单元安装方式灵活 不需要大量光口，降低了装置成本，同时也利于运行维护 不需要大量光口，降低了装置成本，同时也利于运行维护 经过交换机，时延增大，抖动不确定 I

8、EC 61850-9-2体现了数字化变电站的信息共享思想，代表未来发展方向IEC 61850-9-2体现了数字化变电站的信息共享思想，代表未来发展方向网络性能带宽 GOOSE、SMV、IEEE 1588 PTP帧长及带宽要求GOOSE、SMV、IEEE 1588 PTP帧长及带宽要求序号报文类型最大帧长 （Bytes）带宽（Mbps）备注序号报文类型最大帧长 （Bytes）带宽（Mbps）备注1GOOSE752 0.0006 1帧/10s2IEC61850-9-1123 3.936 50周波/s80帧/周波3IEC61850-9-2159 5.088 50周波/s80帧/周波； 80点采样率4

9、IEEE 158844820.0025不同报文帧长不同，周期分4IEEE 158844820.0025 别为1帧/1s，1帧/8s 注：注： 相对于SMV报文，GOOSE报文和IEEE 1588报文的流量可以忽略不计网络性能时延及抖动 时延要求时延要求 对性能类P1，总传输时间应在半个周期内，即定义10ms 对性能类P2或P3，总传输时间应小于1/4周期，定义3ms 注：注： 性能类P1典型应用于配电线间隔或其它要求较低的间隔 性能类P2典型应用于输电线间隔或用户未另外规定的场景 性能类P3典型用于输电线间隔，具备满足同步和断路器分合时间差的最好性能网络性能时延及抖动 IEC61850-5定义

10、了报文时延的组成IEC61850-5定义了报文时延的组成 注：注： Ta为报文发送时延；Tb为网络传输时延；Tc为报文接收时延 Ta为报文发送时延；Tb为网络传输时延；Tc为报文接收时延 IEC61850要求时延小于3ms指的是总传输时延T 对通信网络的时延要求Tb应该更严格，考虑到交换机级联(最多4级)，单个交换机的转发时延要求us级网络性能时钟同步 时钟同步要求时钟同步要求 IEC61850对时间同步报文格式没有直接的要求，对时间精度有性能类要求 IEC 61850标准对智能电子设备的时钟精度功能要求划分为5个等级(TlT5) 其中用于计量的T5等级精度达到ls时间类别精度应用场景时间类别

11、精度应用场景T11ms事件时标T20.1ms用于分布同期的过零和数据时标，支持波形定点分 和时标T325s用于配电线路间隔T325s用于配电线路间隔T44s用于输电线路间隔T51s用于输电线间隔，具备满足同步和断路器分合时间 差的最好性能；用于电能质量计量T51s差的最好性能；用于电能质量计量 注：注： 保护及控制类IED时钟类别一般为T1或T2，使用NTP/SNTP协议，精度1ms保护及控制类IED时钟类别一般为T1或T2，使用NTP/SNTP协议，精度1ms 互感器类IED时钟类别一般为T3、T4或T5，使用IRIG-B码或IEEE 1588协议，精度1us工业环境-EMC挑战一般工业环境

12、一般工业环境数字化变电站数字化变电站数字化变电站数字化变电站 环境要求环境要求目录数字化变电站介绍数字化变电站介绍数字化变电站介绍数字化变电站介绍工业以太网与EPON方案的技术比较工业以太网与EPON方案的技术比较技术方案比较 本节将从以下几个方面对工业以太网和EPON在数字化变电站的应用做详细比较本节将从以下几个方面对工业以太网和EPON在数字化变电站的应用做详细比较 时延及抖动时延及抖动 组网方式 冗余保护 时钟同步 成本注：EPON借鉴电信EPON技术标准，并根据数字化变电站的技术要求进行修改定制开发注：EPON借鉴电信EPON技术标准，并根据数字化变电站的技术要求进行修改定制开发时延及

13、抖动应用场景 应用场景应用场景 场景1：同一间隔层，8台IED装置，4台合并单元，4台智能终端或间隔层设备，网络设备距离每个IED装置500m。 场景2：同一间隔层，20台IED装置，10台合并单元，10台智能终端或间隔层设备，网络设备距离每个IED装置500m。 业务分析业务分析 业务分析业务分析 SMV报文为单向传输，从合并单元到间隔层设备方向，最大字节159Bytes，发送周期1帧/250us。帧/250us。 GOOSE报文为双向传输，从智能终端到间隔层设备，或间隔层设备之间，最大字节752Bytes，为突发事件；无事件时查询帧发送周期为1帧/10s。 时钟同步，工业以太网支持IEEE

14、 1588，EPON支持IEEE 802.1as协议。时延及抖动工业交换机序号序号名称名称代号代号计算方法计算方法 交换机时延组成交换机时延组成序号序号名称名称代号代号计算方法计算方法1帧收发时延Lsf帧长/速率2交换时延Lsw5-7us3线路传输时延Lwl距离/(光速2/3)4帧排队时延Lq网络负载Lsf（帧长1522Bytes）4帧排队时延Lq网络负载Lsf（帧长1522Bytes）5网络总时延LLsf+Lsw+Lwl+Lq 例子例子 某通信系统有1个交换机节点，采用100M光纤连接，光纤线路总长500米，网络流量15%,计算256Bytes的数据帧从源节点传送至目的节点所需的时间 L=L

15、sf+Lsw+Lwl+Lq=2568/10070.5/0.2+0.15（15228/100）=48.24us时延及抖动工业交换机 应用场景分析应用场景分析 最小时延对应各业务端口空闲，无排队时延。 最大时延对应所有业务向同一个间隔层设备交换端口发送。 场景1，交换机端口同时接收4个SMV和3个GOOSE帧；场景2，交换机端口同时接收到10个SMV和9个GOOSE帧。10个SMV和9个GOOSE帧。 时延计算方法：交换时延和线路传输时延：75=12us最小时延：SMV，1598/1001225us； GOOSE，7528/1001272us最小时延：SMV，1598/1001225us； GOO

16、SE，7528/1001272us最大时延：1对8，（15947523）/100+12243us1对10，（159107529）/100+12681us应用 场景描述GOOSE报文SMV报文最小时延最大时延抖动最小时延最大时延抖动应用 场景描述GOOSE报文SMV报文最小时延最大时延抖动最小时延最大时延抖动场景11对87224317125243218场景21对207268160925681656工业以太网存在的问题：时延的抖动非常大，“三网合一”相互影响。工业以太网存在的问题：时延的抖动非常大，“三网合一”相互影响。时延及抖动EPON EPON方案目标EPON方案目标 对于匀速发送的SMV报文做到无抖动，对于突发事件GOOSE报文尽可能降