摘要：基于地铁的牵引混合变电所，将MMS网络与GOOSE采用HSR与PRP的网络方式合二为一，对其可靠性、网络延时、流量进行论证，探讨本方案是否适用地铁智能化变电所的建设。
关键词：智能变电所；网络延时；流量；MMS；GOOSE；HSR；PRP
引言
地铁变电所智能化趋势越演越烈，但仍未有成熟、运行的地铁智能化变电所方案。基于地铁变电所的设备分布位置与成本考虑，都不能直接照搬大电网的智能化变电站的组网方案。一个可靠、经济、适合地铁特色的智能化变电所的组网方案亟待出现。
1、网络结构
本文介绍的网络结构将采取HSR与PRP的组合模式，将MMS、GOOSE网络合1.1主要采用网口通信。示意图如下：
图1：MMS、GOOSE混网结构图
1.2在交流小室与直流小室里利用装置本身的通信网口，采用HSR方式组网一个单独的网络，之后经过HSR/PRP转换装置接入到主控室中心交换机上。针对数目不多的支持IEC61850规约的公共测控装置，则通过网线以PRP方式直接接入到主交换机。对时系统、打印机、监控后台、远动系统、等站控层设备都以PRP方式直接挂在交换机上完成与其他设备的数据交互，同时因打印机并非实时系统，故只需要接入到一个网络就可以了，无需冗余配置。另外，站间的通信由站与站之间的交换机连接来完成，传输的数据包含但不限于：交流线路差动保护相关数据、上网隔离刀闸联锁、直流线路故障测距等。
2、网络可靠性
由以上的网络结构介绍可以看出，整个网络结构是HSR与PRP的组合方案，HSR组成的小网络、智能网关形成小网络、其他装置接入到大的PRP网络。在该网络里，大的PRP网络因构建了两个独立的网络，保护装置同时收、发两路报文。当其中有一个网络出线故障时，报文将由另一个网络传输，自愈时间为0。而交流小室与直流小室形成的HSR网络因为每台装置的报文被复制成两份在不同方向传播，任何单一断点，不影响另一方向的报文传输，网络自愈时间亦为0。那么在整个网络结构中，都能形成冗余的网络通道，网络自愈时间为0，网络可靠。
3、网络数据传输实时性
数据传输延时计算公式为：T=Ta+Tb+Tc，其中Ta、Tc为报文发送、接收时装置通信处理器的处理时间，该时间为固定时间，与装置的处理能力相关。一般计算数据延时只考虑网络传输延时Tb，而网络传输延时与网络结构有关。
4 站内数据网络传输延时计算
站内数据传输时，最大的延时Tb是交流保护装置与直流保护装置之间的数据传输延时：
Tb=Tjl+T交换机+Tzl+Twla；
其中：
Tb为数据总的网络传输延时；
Tjl、Tzl分为交流小室、直流小室HSR网络的数据传输延时，HSR通过直接转发模式传递数据包，相比交换机的存储转发方式更能减少数据传输延时。节点接收到MAC帧头即开始转发帧，发送1530byte最长帧，100Mbit/s速率下，每个节点最大转发延时是123us；
T交换机为交换机传输数据延时，由三部分构成（T交换机=Tsf+Tsw+Tq），交换机存储转发延时Tsf，以100Mbps为例，以太网最大帧长为1522B，同步帧头8B，那么Tsf=122us；交换机交换延时Tsw为芯片处理速度，一般不超过10us；交换机帧排队延时Tq，考虑每台交换机16个光口，忽略帧间时间间隔，那么最长帧排队延时约为（16-1）Tsf，最短为0，平均为7.5 Tsf；
Twla为光缆传输延时，信号在光缆中传输的速度约为2/3倍光速（在网线中以电信号传输接近），计算公式为光缆长度除以传输速度，站内通信按1000米计算，那么延时为Twla=5us。
交流小室装置数目按11台装置左右，RedBox的传输延时等效于装置的转发延时，交流小室内的传输延时为：
交流小室一般有13台装置左右，RedBox的传输延时等效于装置的转发延时，交流小室内的传输延时为：
Tjl =123us×（13+1-1）=1.599ms；
该延时为其中一个网络通道故障时的最长网络延时，正常网络时的最长延时只有该值得一半。
直流小室一般有7台装置左右，RedBox的传输延时等效于装置的转发延时，交流小室内的传输延时为：
Tzl =123us×（7+1-1）=0.369ms；
该延时为其中一个网络通道故障时的最长网络延时，正常网络时的最长延时只有该值得一半。
交换机延时：根据地铁变电所的网络拓扑可以知道，最长的时间延时是直流小室与交流小室之间的数据交互，数据从装置发出后，经过1台交换机。其网络传输延时为：
T=（Tsf+Tsw+Tq）=（122 us +10 us +7.5×122 us）=1.047ms；
该延时为极端情况，另外，可以通过交换机的VLAN等设置减少交换机延时。
那么，总的时间延时为：
Tb=Tjl+T交换机+Tzl+Twla=1.599 ms +0.369 ms +1.047ms+5us=3.02ms；
在最极端的情况下，仍满足IEC61850规约关于站内过程层网络报文传输延时的规定（不大于4ms）。
5流量计算
相比于RSTP与PRP，HSR方式的数据转发由装置完成，那么需要考虑装置是否能够处理网络中的报文流量。地铁变电所中，过程层网络一般只有GOOSE报文，而没有SMV报文。而GOOSE报文流量只有在状态发生变化时才会较大（以时间间隔2ms、4ms、8ms发送报文），若状态未发生变化则流量很小（以5秒为周期发送报文）。GOOSE最长帧报文为752字节，则：
正常时的网络流量：
Sn=（752×8bit/帧÷5s/帧）×（20-1）=0.02286Mbit/s；
事件发生时网络流量：
Sa=（752×8bit/帧÷2ms/帧）×（20-1）=57.152 Mbit/s；
事件发生时网络流量计算为最极端情况要求，要求在同一时刻，20台装置都有事件发生且发生的报文为最长帧报文。实际上当一故障发生时，只有一小部分装置会同时发送报文。以影响最大的母线保护为例，当交流I段母线接地时，只有接在该母线上的线路才会感受到故障电流，然后发送事件报文。而接在交流I段母线上的只有，一条35kV交流进线、一条35kV交流出线、一个35kV母联开关、两台整流变、2台所用变，加上线路的差动保护，一共8台装置。其事件发生时网络流量为：
Sa=（752×8bit/帧÷2ms/帧）×8=24.064 Mbit/s；
结论
综上所述，可以看到采用HSR与PRP方式将MMS与GOOSE网络合二为一，减少了网络设备层面上投资。而网络结构的能实现0延时自愈，同时网络报文传输延时也满足要求。在数据流量方面，由于采用四合一装置，基本上只有GOOSE报文交互、没有SMV报文传输，网络报文流量较小，MMS与GOOSE网络合二为一对装置与网络设备的要求不高，比较适合地铁智能变电所变电所。
论文作者:赖沛鑫
论文发表刊物:《基层建设》2018年第9期
论文发表时间:2018/6/4
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