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智能变电站过程层网络风暴的分析与处理_黄天啸_图文

智能电网
第 47 卷 第 11 期 2014 年 11 月

国 电 力 中 ELECTRIC POWER

中国电力

Vol . 47 , No. 11 第 Nov. 20 14 卷 47

智能变电站过程层网络风暴的分析与处理
黄天啸, 刘平, 辛光明, 王沛然, 王媛
北京 100045 ) (国网冀北电力有限公司电力科学研究院,



要: 智能变电站过程层网络的正常运行是变电站正常运行的必要保障 , 网 络 风 暴 会 对 站 内 网 络 信 息 传 输

及 相 关 设 备 造 成 影 响 , 进 而 对 变 电 站 正 常 运 行 造 成 危 害 。 根 据 SV 报 文 和 GOOSE 报 文 的 结 构 , 计 算 其 在 交 换 机 中 的 传 输 速 率 , 对 网 络 风 暴 的 形 成 机 理 进 行 了 分 析 , 并 评 估 了 SV 报 文 网 络 风 暴 和 GOOSE 报 文 网 络 风 暴对站内各装置造成的影响。 以某变电站中发生的一次网络风暴为例, 根据网络分析仪记录的全站报文以及 交换机连接关系发现网络风暴, 采用断开冗余链接或故障设备的处理方法, 并提出了通过报文校验、 虚拟局 域网技术和生成树协议避免发生网络风暴的建议。 关键词 : 智能变电站 ; 过程层网络 ; VLAN ; 网络风暴 ; GOOSE 报文 ; SV 报文 中图分类号 : TM464 文献标志码 : B 文章编号 : 1004-9649 (2014 )11-0112-04

0

引言
智能变电站中采样值信息、 设备间配合指令

本文结合实际变电站中网络风暴事故, 在文 献 [8-10] 的基础上进行计算分析 , 并提出了网 络 风 暴事故的处理办法和预防措施 。

及设备操作命令的报文传输均通过过程层网络 完 成 [ 1] 。 在 过 程 层 网 络 中 主 要 传 输 有 SV 报 文 和

1

智能变电站网络结构
智能变电站的智能电子设备使用各种报文进

GOOSE 报 文 。 SV 报 文 包 含 所 有 采 样 信 息 , 其 主
要特点是正常运行流量较大, 无突发流量。

GOOSE 报 文 包 含 各 设 备 间 配 合 的 信 息 , 主 要 特 点
是正常运行流量较小, 突发流量较大, 对实时性 及优先级要求高 。 不同特点的报文在网络上 传 输
[2]

行通信 , 合并单元发出 SV 报文传输各种电压电流 瞬时采样值 , 智能 终 端 发 出 的 GOOSE 报 文 传 输 开 关刀闸的开入信息 , 保 护 发 出 的 GOOSE 报 文 传 输 保护跳闸、 重合闸和联闭锁信息, 测控发出的

会产生不同流量特征, 如果对网络配置不当, 将 会产生不合理的报文传输, 造成网络风暴, 对各 设备造成影响 。 文 献 [3-4] 指 出 , 过 程 层 网 络 的 运 行 情 况 关 系 到继电保护设备是否能正确动作, 进而影响整个 电网的运行安全。 同时, 过程层网络的运行情况 还会影响电能计量设备 [5] 。 因此评估网络结构 的 合 理 性 [6-7] , 分 析 报 文 在 正 常 和 异 常 网 络 的 情 况 下 其 传输速率
[8-10]

GOOSE 报 文 传 输 开 关 刀 闸 的 控 制 信 号 等 控 制 信
息, 所有智能电子设备还均发送包含自检状态及 告警信息的 GOOSE 报文 。 根据目前相关企业标准, 保护使用的采样信 号以及发出的跳闸令均采用直接连接的方式进行 传输, 不形成网络。 而智能终端发给测控的开关 刀闸位置信息、 告警开入以及测控发送的开关刀 闸控制信息均以组网的形式传输, 形成站内的

是否超过交换机的承载能力

[11]

, 以及

及时发现并处理网络风暴, 对于变电站的正常运 行是十分必要的 。 根据文献 [12-13] 的分析 , 过程层网络并非单 纯 的 SV 网 络 和 GOOSE 网 络 , 而 有 可 能 是 二 者 的 混合网络, 因此仅针对广播风暴或某种报文过滤 的 方 法 [14-15] 并 不 能 够 应 对 所 有 类 型 的 过 程 层 网 络 风暴 。 收稿日期 : 2014-06-29

GOOSE 网 络 。 同 时 , 合 并 单 元 发 送 给 测 控 、 故 障
录波器、 网络分析仪以及电能表等智能电子设备 的 SV 报文也可以采用组网的形式传输 , 形成站内 的 SV 网络 。 利用网络传输的报文经过交换机 , 因 此受到交换机吞吐量以及传输时延的影响, 目前 的 智 能 变 电 站 中 普 遍 采 用 100 Mb/s 的 工 业 以 太 网 交换机 。

作者简介 : 黄天啸 (1986 —), 男 , 河北深县人 , 工程师 , 从事电力系统继电保护 、 智能变电站研究 。

E-mail: huangtianxiao04@163.com

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智能电网
第 11 期
黄天啸等 : 智能变电站过程层网络风暴的分析与处理

2
2.1

网络报文流量分析
GOOSE 网络报文流量分析
在 正 常 情 况 下 , GOOSE 报 文 均 为 每 5 s 传 输

一帧, 一帧报文长度根据所承载的开关量信息多 少 , 其大小为 200~1 000 字节不等 ; 在电网故障情 况 下 , GOOSE 报 文 按 照 2 ms 、 2 ms 、 4 ms 、 8 ms 的递增时间发送 , 因此 GOOSE 报 文 单 组 的 传 输 速 率 最 大 不 超 过 1 000 ×8 bits/2 ms=4 Mb/s 。 此 传 输 速 率 远 远 低 于 交 换 机 100 Mb/s 的 限 制 。 同 时 , 图1 网络报文传输速率

Fig.1

Transmission speed of network packets

GOOSE 报 文 除 了 包 含 间 隔 内 的 开 关 刀 闸 位 置 及 告
警信息之外, 还包含间隔之间需要交换的信息, 如线路保护发给母线保护的失灵信号以及母线保 护发给线路保护的远跳信号等, 将各间隔的

GOOSE 信 息 连 接 成 网 络 , 形 成 站 内 GOOSE 网 络
是有必要且可行的 。

2.2

SV 网络报文流量分析
SV 报 文 的 长 度 根 据 所 传 输 的 采 样 值 通 道 数 一

般 在 200 字 节 左 右 , 每 秒 钟 传 输 4 000 帧 报 文 , 相 当 于 每 250 μs 传 输 一 帧 报 文 , 因 此 SV 报 文 单 组 的 传 输 速 率 约 为 250 ×8 bits/250 μs=8 Mb/s 。 13 组 SV 报 文 在 一 台 交 换 机 内 传 输 就 会 超 过 100 Mb/s 的速率。 采样值发送给测控、 故障录波器、 网络 报文分析仪、 电能表等智能电子设备均可以按照 间隔划分, 且根据相关企业标准, 交换机传输的 图2 交换机组网示意

Fig.2

Diagram of switchers network

SV 报 文 同 一 光 口 不 宜 超 过 5 组 , 因 此 SV 不 宜 形
成 全 站 统 一 的 网 络 , SV 网 络 按 照 间 隔 划 分 , 本 间 隔的 SV 网中只传输本间隔的 SV 报文 。 图 1 为某智能变电站网络报文分析仪记录的 站内网络流量信息, 可以看到, 此站内网络由一 个 网 口 传 输 所 有 的 GOOSE 报 文 信 息 , 速 率 仅 为

7.139 kB/s 即 57.112 kb/s , 远 远 低 于 理 论 分 析 的 500 kB/s 单组报文传输 速 率 上 限 。 但 是 对 于 SV 报
文则采用了每个网口均只接入一组的方式, 其传 输 速 率 为 924 kB/s 即 7.392 Mb/s , 与 理 论 分 析 的 图3 网络风暴产生机理

8 Mb/s 基本相符 。

Fig.3

Mechanism of network storm

芯片故障等也会造成网络风暴, 网络风暴的基本

3
3.1

网络风暴形成机理及危害
网络风暴形成机理
站 内 GOOSE 网 络 及 SV 网 络 均 为 各 交 换 机 连

表现为大量重复报文在网络中快速传播 。

3.2

网络风暴对变电站运行的危害
受到网络风暴影响的交换机光口转发速率会

迅 速 升 高 , 直 至 最 大 转 发 速 率 。 若 是 SV 网 络 中 发 生 风 暴 , 则 造 成 SV 报 文 的 报 文 重 复 和 乱 序 , 测控、 故障录波器、 电能表中记录到的波形会受 到影响 , 如图 4 所示 。 图 4 中 受 风 暴 影 响 的 SV 报 文 帧 间 隔 在 20 μs 左 右 , 与 正 常 情 况 下 的 帧 间 隔 250 μs 有 较 大 误 差, 同时采样序号也不连续, 按照图中报文顺序 解析的波形将不再是 正 弦 波 , 测 控 、 故 障 录 波 器 、

接组成, 在正常运行情况下, 组网的各交换机之 间只有一条链路交换信息 , 如图 2 所示 。 当部分 间 隔 检 修 时 , 由 于 交 换 机 上 光 口 较 多 , 如果发生光口接线错误的情况, 导致网络中出现 重复链路时, 网络内信息就会在交换机内组成转 发环路, 使交换机不断转发信息, 造成网络风暴 ( 见 图 3) 。 另 外 , 网 络 中 装 置 故 障 或 交 换 机 内 部

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图4

SV 网 网 络 风 暴
从站内网络报文分析仪上可以直观地看到网 络风暴的发生。 发生网络风暴后, 受风暴影响的 报文均出现大量重复和错序的现象。 通过在网络 报文分析仪上查看, 虽然可以判定是否有网络风 暴发生, 但是无法确定风暴源的位置。 从图 4 中 可以看到, 受到风暴影响的所有报文均被交换机 重复转发, 因此无法确认产生交换机光口连接错 误的间隔, 需要变电站运行维护人员对受到风暴 影响的间隔逐一核查, 按照图纸确认交换机光口 的连接 , 直至检查出错误的连接 。

Fig.4

Network storm in SV network

电能表中也无法正确计算对应间隔的交流量值 。 目前, 按照相关企业标准要求, 保护采样均 采 用 直 采 的 方 式 , 不 经 过 SV 网 络 , 如 果 保 护 从

SV 网 络 上 采 样 , 则 发 生 网 络 风 暴 时 保 护 可 能 闭 锁
或误动 。 如 果 网 络 风 暴 发 生 在 GOOSE 网 中 , 则 造 成

GOOSE 报 文 的 重 复 和 乱 序 , 影 响 测 控 接 收 的 开 关
刀闸位置信号、 告警信号以及测控下发的开关刀 闸控制信号。 目前智能变电站中保护间的失灵、 远 跳 、 解 除 电 压 闭 锁 信 号 均 通 过 GOOSE 网 络 传 输, 因此, 保护对应功能也会受到风暴的影响, 保护将不能正确接收失灵、 远跳、 解除电压闭锁 等信号 。 网络风暴还会影响正常报文的传输与处理。 由于网络风暴占用了交换机的大量资源, 造成一 些数据帧被快速重复转发, 使得交换机没有足够 的 带 宽 资 源 转 发 正 常 的 网 络 报 文 , 在 100 Mb/s 工 业 以 太 网 交 换 机 中 , 网 络 风 暴 可 以 占 用 99% 的 带 宽即 99 Mb/s , 因此如果此交 换 机 正 常 情 况 下 转 发 一 组 SV 报 文 约 8 Mb/s , 则 网 络 风 暴 情 况 下 只 能 提 供 1 Mb/s 带 宽 用 于 转 发 此 SV 报 文 , 造 成 报 文 丢失的现象 。

4.2

避免网络风暴的建议
网络风暴大多是由报文被重复快速转发形成

的, 因此在报文接收设备中可以进行循环冗余校 验 (cyclic redundancy check , CRC ) 处理 , 即判断多 帧相继接收的报文校验相同时, 则认为此报文是 风暴报文, 不进行处理即丢弃, 这样可以减少设 备处理报文的数量, 但是在交换机环网造成的网 络风暴中, 并非只有一帧报文被重复转发, 而是 多帧不同的报文交叉重复, 因此这种方法有一定 的局限性 。 通过使用不同的交换机或者使用同一交换机 划分虚拟局域网 (virtual local area network , VLAN ) 的 技 术 , 使 站 内 的 GOOSE 网 络 和 各 间 隔 的 SV 网 络 彼 此 隔 离 , GOOSE 报 文 和 SV 报 文 分 开 传 输 , 有 利 于 报 文 的 实 时 性 不 受 影 响 。 同 时 , SV 报 文 和

4
4.1

对网络风暴的处理与建议
网络风暴的发现与处理
站内网络发生风暴后, 接收网络报文的对应

GOOSE 报 文 均 可 以 带 局 域 网 报 文 头 ( VLAN Tag ) ,
通过排布交换机各口的局域网准入列表, 使局域 网 标 记 ( VLAN ID ) 不 一 致 的 报 文 不 能 进 入 交换机 , 可以避免检修中出现光口接线错误造成的网络风 暴 。 交 换 机 间 的 各 报 文 均 带 有 VLAN ID , 如 果 出

装置由于收到异常的报文, 会产生告警。 当有多 个装置同时告警网络异常时, 应考虑网络风暴的 可能性 。

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黄天啸等 : 智能变电站过程层网络风暴的分析与处理

现 光 口 接 线 错 误 , 带 有 不 同 VLAN ID 的 报 文 不 能 进入错误的交换机光口, 从而杜绝了网络风暴的 发生 。 目前市场上的大部分交换机可以支持生成树 协 议 (spanning tree protocol , STP ), 对 站 内 各 交 换 机 进 行 STP 配 置 后 , 交 换 机 间 通 过 发 送 / 接 收 配 置 报文的形式检测网络是否有回环, 并在检测到网 络回环后自动将环路网络修剪成无环路的树形网 络 。 利 用 交 换 机 的 STP 功 能 进 行 合 理 的 配 置 , 能 够完全避免交换机环网形成的网络风暴 。

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5

结语
随着智能变电站技术的发展, 大量的智能变

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电站建设并投入运行 , 在 生 产 建 设 的 实 际 过 程 中 , 发现并验证了网络风暴发生的机理及危害。 本文 结合实际变电站网络, 对网络风暴事故进行了分 析。 掌握站内网络报文的流量特点并在网络报文 分析仪上进行比对观察, 可以及时发现网络风暴 的产生, 有利于排查故障, 减少网络风暴对变电 站运行的危害。 在变电站规划建设过程中, 可以 通过引入先进的交换机技术减少网络风暴的发生 的可能; 在变电站运行维护的过程中, 可以通过 加强管理 , 减小网络风暴发生的机率及危害 。

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XU Bing-yin, XUE Yong-duan, LI Tian-you, et al. A wide area measurement and control system for smart distribution grids and

(责任编辑

杨静)

Research on Grounding Fault Protection of Neutral Non-effective Grounding System in Smart Substation
LIU Jian-hua, LIU Peng, ZHANG Shao-ran, YUAN Hang, WANG Dong
(School of Information and Electrical Engineering, Xuzhou 221008, China) Abstract: Grounding fault protection is an important part of power system protections. Conventional grounding fault protection device has many problems, such as limited available information, slow response, complex algorithm and low reliability, which seriously affect the quality of power supply and operational efficiency. However, smart substation offers a new way to solve the problem of single -phase grounding protection. Based on multi-intelligent substations, a regional centralized control smart power supply system was built, the information was shared through GOOSE network, and a fault identification and isolation system was also established, which can make the information concentratedly processed and comprehensively judged. Based on the intelligent control technology for peer to peer data exchange among distributed terminals, the principle of zero sequence full current power direction was put forward, the criterion of single-phase grounding protection based on multi -criterion and the key technologies of GOOSE network transmission was addressed, which can ensure the selectivity and reliability of single -phase grounding protection, and effectively solve the traditional problems and provide a theoretical foundation for multi-criteria relay protection of smart Substation. Key words: smart substation; grounding fault protection; GOOSE; principle of zero sequence full current power direction

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
) (上接第 115 页
电 力 自 动 化 设 备 ,2010 ,30 (11 ):98-100.

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(责任编辑

李博)

Analysis and Treatment of Process-Level Network Storm in Smart Substation
HUANG Tian-xiao, LIU Ping, XIN Guang-ming, WANG Pei-ran, WANG Yuan
(Power Research Institute of State Grid Jibei Electric Power Company Limited, Beijing 100045, China) Abstract: A healthy process-level network is a necessary precondition to ensure the normal operation and function of a smart substation. Network storm has negative impacts on the information transmission and equipment in the station, consequently harming the normal operation of substation. In this paper, the transmission speeds of GOOSE packets and SV packets in smart substation network are calculated based on their different structures. The mechanism of the network storm is analyzed and the corresponding impact is also estimated. By taking a network storm in a real substation for case study, the network storm was detected by analyzing the packets in the network recorder and checking connections between switches.The solution to network storm is to disconnect the redundant connections and the failed devices. Finally, it is proposed that packages check, VLAN technology and STP protocol are measures against network storm. Key words: smart substation; process-level network; VLAN; network storm; GOOSE packets; SV packets

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