繼電保護裝置的製作方法

2023-12-05 21:44:06 3

專利名稱：繼電保護裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及繼電保護裝置，尤其涉及一種用於數位化變電站的繼電保護裝置。
背景技術：
目前，國內數位化變電站一般是由智能化一次設備(例如，電子式互感器、智能化開關等)和網絡化二次設備分層構建。數位化變電站的分層結構一般採用兩網三層結構。這裡，「三層」是指過程層、間隔層、變電站層。「兩網」是指相鄰層之間的兩個通信網，也就是，變電站層與間隔層之間的通信網，以及間隔層與過程層之間的通信網。這兩個通信網可以彼此獨立，也可以按單網考慮，全網絡實現IEC通信規約，以經由通信網實現變電站內各智能電氣設備之間的信息共享和互操作。其中，過程層到間隔層之間的通信網絡可以採用點對點結構，間隔層與變電站層之間的通信網一般採用星型網絡或環網等網絡拓撲結構。對於220KV以上的變電站，一般還需要層間的通信網滿足雙網冗餘的要求。圖1以間隔層與變電站層之間的通信網為例示例性地示出了數位化變電站的一種雙網冗餘的網絡拓撲結構。如圖1所示，間隔層和變電站層之間的通信網實際包括兩個相互獨立的通信網絡NETA和NETB。每個通信網絡(ΝΕΤΑ或NETB)至少包括一個乙太網交換機(如140-1和140-2)，用於切換各自網絡中數據包。間隔層和變電站層的各個設備均連接到這兩個通信網絡中，從而構成雙網冗餘。例如，變電站層的監控單元110-1、110-2以及帶有人機接口的伺服器120-1、120-2各自具有兩個網絡埠，分別連接到兩個通信網絡NETA和ΝΕΤΒ。類似地，間隔層中的繼電保護裝置130-1和130-2也需要具有兩個網絡埠分別連接到NETA和ΝΕΤΒ。
在實際應用中，由於一個乙太網控制器(也就是網卡或網口)只能連接到一個網絡中，因此，為了實現如圖1所示的雙網冗餘的拓撲，每個繼電保護裝置130需要在其處理單元(CPU)中配備有兩個乙太網控制器EthO和Ethl，才能連接到網絡NETA和NETB。這樣，如果因設備的限制，繼電器保護裝置的CPU僅有一個乙太網控制器EthO (也就是網口)，則無法實現這種雙網冗餘通信。再者，圖1所示的乙太網結構中還會出現廣播風暴。所謂廣播風暴是指當一個數據幀傳輸到一個網段(由廣播域定義)上的每個節點時，可能由於網絡拓撲的設計和連接問題，或其他原因(如交換機埠故障、網卡故障、病毒等)導致該數據幀在網段內大量複製、傳播，從而導致網絡性能下降，甚至網絡癱瘓。當圖1所示的乙太網中出現廣播風暴時，繼電保護裝置的CPU不得不處理大量的廣播數據幀，由此會因長時間被佔用而無法正常工作。對於廣播風暴的問題，目前有多種解決方案。從繼電保護裝置的角度，繼電保護裝置的軟體可以設計成將保護算法任務優先級設置得比網絡任務高。這種軟體設計雖然能解決部分問題，但是因為接收到網絡數據會產生中斷，所以如果是大量的短報文廣播數據，CPU仍可能由於頻繁中斷而導致保護算法任務得不到執行。另一種解決方案是繼電保護裝置採用輪循式網絡驅動，也就是關閉乙太網控制器的中斷，在任務中輪詢乙太網數據。這種方案可解決由於頻繁中斷導致的繼電保護功能喪失。但是，此方案的問題在於輪詢間隔無明確標準。輪詢間隔短會導致CPU被過多佔用。輪詢間隔長會導致網絡通信響應慢等問題。從乙太網交換機的角度，目前部分交換機支持流量控制功能，因此可通過對乙太網交換機的設置來抑制廣播風暴。但是，具有此功能的交換機價格較普通交換機貴很多。而且，交換機的配置需要在工程實施過程中完成，這給實際的操作帶來困難。

實用新型內容考慮到現有技術的以上問題，本實用新型的一個目的在於提供一種繼電保護裝置，其可以在繼電保護裝置的CPU上僅集成有一個乙太網控制器的情況下實現雙網通信。另一個目的在於提供一種能夠抑制廣播風暴的繼電保護裝置。為了解決上述問題，本實用新型提出了一種用於數位化變電站的繼電保護裝置，包括:處理單元，其上集成有至少一個乙太網控制器，用於發送和接收乙太網數據幀；交換機晶片，至少具有一個第一埠和兩個或兩個以上第二埠，其中第一埠連接到所述集成在所述處理單元上的單個乙太網控制器，所述第一埠和第二埠可配置成至少兩個虛擬區域網，且所述第一埠被共享在所述至少兩個虛擬區域網中；兩個網絡接口，每個網絡接口連接到所述交換機晶片上不同虛擬區域網中的至少一個第二埠，所述兩個網絡接口可分別連接到第一和第二通信網絡；其中，連接到所述交換機晶片的乙太網控制器的網口綁定在不同網段的IP位址。優選地，所述第一和第二通信網絡為彼此冗餘網絡。更為優選地，所述第一和第二通信網絡為過程層和間隔層之間的通信網絡，或者為變電站層和間隔層之間的通信網絡。優選地，所述交換機晶片具有廣播風暴保護功能。更為優選地，所述交換機晶片(320,520)具有尾部標識(Ta il Tag)識別功能，即，所述交換機晶片能夠識別出乙太網幀中的尾部標識，並能夠將帶有有效尾部標識的乙太網幀在每個第二埠上自動轉發。在本實用新型的一個實施例中，所述處理單元集成有至少兩個乙太網控制器；所述繼電保護裝置還包括:第三網絡接口，其適於連接到第三通信網絡；所述乙太網控制器中至少有一個乙太網控制器連接到第三網絡接口。優選地，所述第三通信網絡用於調試所述繼電保護裝置。本實用新型提出的繼電保護裝置可以靈活地將處理單元的單個網口擴展為雙網口，滿足雙網冗餘的要求。而且，這種擴展不需要對網絡中的乙太網交換機進行配置。再者，由於本實用新型使用的交換機晶片能夠支持廣播風暴保護功能，因而通過相應的設置，交換機晶片對廣播數據能夠起到過濾作用，所以處理單元不會受到廣播風暴的強烈影響。另夕卜，本實用新型提出的繼電保護裝置所使用的交換機晶片的Tail Tag功能在雙網拓撲結構下能夠自動轉發GOOSE數據。所以，對於GOOSE數據，處理單元僅需要發送一次數據包，轉而由交換機晶片代為轉發，由此能夠減輕處理單元的負荷。

本實用新型的其它特徵、特點、優點和益處通過
以下結合附圖的詳細描述將變得更加顯而易見。其中:[0013]圖1示出了一個示例性的數位化變電站網絡拓撲結構示意圖；圖2示出了根據本實用新型一個實施例的繼電保護裝置的結構框圖；圖3示出了根據本實用新型一個實施例的繼電保護裝置的應用示意圖；圖4示出了針對GOOSE應用的尾標記幀格式示意圖。圖5示出了按照本實用新型又一個實施例的繼電保護裝置的應用示意具體實施方式
為了對本實用新型的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖說明本實用新型的具體實施方式
。圖2示例性的示出了根據本實用新型一個實施例的繼電保護裝置200的結構框圖。如圖2所示，在繼電保護裝置200包括處理單元(CPU) 210、交換機晶片220以及兩個網絡接口 230-1和230-2。優選地，CPU 210集成有一個片上的乙太網控制器215，作為連接CPU 210和傳輸介質的一個接口。可選地，乙太網控制器215也可以集成到CPU 210中，而不必以晶片上集成的方式存在。乙太網控制器215能夠實現CPU 210與交換機晶片220之間的物理連接和電信號匹配，還能夠實現幀的發送與接收、以及幀的封裝與拆封、介質訪問控制、數據的編碼與解碼以及數據緩存等功能中的一種或多種。圖2所示的交換機晶片220需要具有至少三個埠。在圖2所示的例子中，埠 PORT 3與CPU 210上的乙太網控制器215連接，另外兩個埠 PORTl和P0RT2分別連接到兩個網絡接口 230-1和230-2。網絡接口 230-1和230-2例如可以採用常見的RJ45接口或者其他網絡接口。這兩個網絡接口可以分別連接到如圖1所示的兩個通信網絡NETA和NETB上。圖2所示的交換機晶片220可以選用任一商用的交換機晶片。一般的交換機晶片都支持埠分組功能，不同的分組彼此之間相互獨立，從而形成交換機晶片內部的虛擬區域網(VLAN)。這一功能也稱作交換機晶片支持內部VLAN功能。VLAN技術可對連接到交換機晶片埠的網絡用戶進行邏輯分段，不受網絡用戶的物理位置的限制，被分段的VLAN之間雖然有共享的物理設備和物理鏈路，但可獨立通信。具體到圖2所示的交換機晶片220，為了實現雙網冗餘，交換機晶片220的三個埠被分作兩組。第一組包括P0RT2和P0RT3，由此形成VLANl ;第二組包括P0RT3和PORT I，由此形成VLAN2。這樣VLANl和VLAN2雖共享P0RT3，但可以彼此獨立通信。分別連接到VLANl和VLAN2的兩個網絡接口 230-1和230-2也相應地獨立通信。同時，在IP層，CPU 210上的乙太網控制器215的網口需要綁定到兩個不同的IP位址，且這兩個IP位址處於不同的網段。這樣，結合交換機晶片220配置的兩個VLAN，從網絡側看，繼電保護裝置200能夠以兩個不同網段內的IP位址接入兩個獨立的通信網絡(如NETA和NETB)中，從而實現雙網冗餘。圖3示例性地示出了根據本實用新型另一個實施例的繼電保護裝置的應用實例。圖3所示的繼電保護裝置300的結構與圖2所示的繼電保護裝置200基本相同，且相同的部件採用了相同的參考標記標識，這裡不在贅述。但是，不同於繼電保護裝置200，圖3所示出的繼電保護裝置300中的交換機晶片320除了支持內部VLAN功能之外，還支持廣播風暴保護功能。也就是說，交換機晶片320能夠檢測出是否出現了廣播風暴，且在發現廣播風暴時，在一定程度上丟棄(過濾)部分廣播數據幀，以抑制廣播風暴帶來的損害。如圖3所示，繼電保護裝置300 的兩個網絡接口 230-1和230-2分別連接到例如圖1所示的網絡NETA和ΝΕΤΒ。在網絡NETA或NETB中，繼電保護裝置300可以連接到相應的乙太網交換機140-1和140-2，並經由這兩個獨立的網絡NETA和NETB連接到同一個伺服器120-1。採用圖3所示的繼電保護裝置300，不僅可以實現雙網冗餘，還可以實現網絡中的廣播風暴抑制，從而減小或避免繼電保護裝置的CPU 210受到廣播風暴的影響。在另一實例中，如果圖3所示的繼電保護裝置300需要實現例如間隔層聯閉鎖和過程層跳閘時，要使用GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event面向通用對象的變電站事件)功能。此時CPU 210短時間內會發送大量的GOOSE數據包。GOOSE數據包需要在兩個彼此冗餘的網絡中發送。為此，如果在如圖1所示的雙網拓撲結構中，繼電保護裝置130中的CPU需要向兩個乙太網控制器EthO和Ethl發送大量相同的數據，這將導致CPU長時間被佔用，影響了繼電保護裝置的實時性。為此，在一個優選實施例中，圖3中的交換機晶片320還可選地支持Tail Tag(尾部標識)功能。支持Tail Tag功能的交換機晶片可自動識別出來自埠 P0RT3的在幀尾部帶有Tail Tag標識的乙太網幀，並將其在兩外兩個埠 PORTl和P0RT2上轉發。這樣，如果CPU 210需要將乙太網幀在兩個網絡接口 230-1和230-2上轉發時，CPU就在正常幀的尾部加上Tail Tag標識(在校驗欄位之前)，具體如圖4所示。支持Tail Tag功能的交換機晶片在收到尾部帶有Tail Tag 標識的乙太網幀後，能夠識別出Tail Tag標識並在埠 PORTl和P0RT2上分別自動轉發。由此，通過使用支持Tail Tag功能的交換機晶片，在雙網拓撲結構下發送GOOSE數據時，CPU 210僅需要發送一次，由交換機晶片完成在兩個VLAN上的轉發，以此可顯著減輕CPU 210的負荷，保證繼電保護裝置的實時性。圖5示例性地示出了根據本實用新型又一個實施例的繼電保護裝置500以及其應用實例。如圖5所示，繼電保護裝置500內的CPU 510上集成有兩個乙太網控制器215-1和215-2，其中乙太網控制器215-1連接到交換機晶片520的P0RT3。交換機晶片520的另外兩個埠 PORTl和P0RT2分別連接到兩個網絡接口 230-1和230-2。與圖2和圖3類似，交換機晶片520中的埠 P0RT3和P0RT2構成VLANl，埠 P0RT3和PORTl構成VLAN2。而且，CPU 510的網口綁定到兩個不同網段的IP位址上。與圖2和圖3不同的是，圖5中的乙太網控制器215-2還直接連接到第三個網絡接口 230-3。網絡接口 230-3可以經由一個單獨的網絡NETC連接於伺服器TEST，以進行設備調試。圖5所示的交換機晶片520還可以支持廣播風暴保護功能和/或Tail Tag功能。這樣，圖5給出的繼電保護裝置500可實現如上所述的雙網冗餘通信，還可優選地實現廣播風暴保護以及GOOSE數據的自動轉發功能中至少之一。此外，繼電保護裝置500還可以通過NETC連接到調試伺服器TEST，從而實現在線調試。應當理解，雖然本說明書是按照各個實施例描述的，但並非每個實施例僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。以上所述僅為本實用新型示意性的具體實施方式
，並非用以限定本實用新型的範圍。任何本領域的技術人員，在不脫離本實用新型的構思和原則的前提下所作的等同變化、修改與結合，均應屬於本實用新型保護的範圍。
權利要求1.一種用於數位化變電站的繼電保護裝置，其特徵在於，包括: 處理單元(210、510)，其上集成有至少一個乙太網控制器(215、215-1、251-2)，用於發送和接收乙太網數據幀； 交換機晶片(220、320、520)，至少具有一個第一埠和兩個或兩個以上第二埠(PORTK P0RT2、P0RT3)，其中第一埠(P0RT3)連接到所述集成在所述處理單元上的單個乙太網控制器(215、215-1)，所述第一埠和第二埠可配置成至少兩個虛擬區域網(VLAN1、VLAN2)，且所述第一埠(P0RT3)被共享在所述至少兩個虛擬區域網的每一個中； 兩個網絡接口(230-1、230-2)，每個網絡接口連接到所述交換機晶片(220、320、520)上不同虛擬區域網中的至少一個第二埠，所述兩個網絡接口適於分別連接到第一和第二通信網絡； 其中，連接到所述交換機晶片的乙太網控制器的網口綁定在不同網段的IP位址。
2.如權利要求1所述的繼電保護裝置，其特徵在於， 所述處理單元集成有至少兩個乙太網控制器(215-1，215-2)； 所述繼電保護裝置還包括: 第三網絡接口(230-3)，其適於連接到第三通信網絡(NETC)； 所述乙太網控制器中至少有一個乙太網控制器(215-2)連接到第三網絡接口。
3.如權利要求2所述的繼電保護裝置，其特徵在於，所述第三通信網絡用於調試所述繼電保護裝置。
4.如權利要求1所述的繼電保護裝置，其特徵在於，所述第一和第二通信網絡為彼此冗餘網絡。
5.如權利要求4所述的繼電保護裝置，其特徵在於，所述第一和第二通信網絡為過程層和間隔層之間的通信網絡。
6.如權利要求5所述的繼電保護裝置，其特徵在於，所述第一和第二通信網絡為變電站層和間隔層之間的通信網絡。
專利摘要本實用新型提出了一種用於數位化變電站的繼電保護裝置，包括處理單元，其上集成有至少一個乙太網控制器，用於發送和接收乙太網數據幀；交換機晶片，至少具有一個第一埠和兩個或兩個以上第二埠，其中第一埠連接到所述集成在所述處理單元上的單個乙太網控制器，所述第一埠和第二埠可配置成至少兩個虛擬區域網，且所述第一埠被共享在所述至少兩個虛擬區域網中；兩個網絡接口，每個網絡接口連接到所述交換機晶片上不同虛擬區域網中的至少一個第二埠，所述兩個網絡接口可分別連接到第一和第二通信網絡；其中，連接到所述交換機晶片的乙太網控制器的網口綁定在不同網段的IP位址。
文檔編號H02J13/00GK203135573SQ20122051084
公開日2013年8月14日 申請日期2012年9月29日 優先權日2012年9月29日
發明者朱來強, 張激, 鄧素碧, 官建濤 申請人:西門子電力自動化有限公司