VLAN技術(shù)在智能化變電站網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用探討

標(biāo)簽：VLAN技術(shù) 智能化變電站

內(nèi)容摘要：參照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通信體系要求，通過對單間隔傳輸流量的計算，給出了用VLAN技術(shù)解決過程層數(shù)據(jù)流量的技術(shù)方案，并從VLAN技術(shù)作用、定義方式、802.1p協(xié)議、劃分原則等方面深入探討VLAN技術(shù)在智能化變電站組網(wǎng)中的應(yīng)用。

虛擬局域網(wǎng)VLAN(Virtual LocalArea Networ)技術(shù)充分體現(xiàn)了現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要特征：高速、靈活、管理簡便和擴展容易。是否具有VLAN功能是衡量局域網(wǎng)交換機的一項重要指標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)的虛擬化也是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的潮流。VLAN技術(shù)是通過將局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備邏輯地劃分成不同網(wǎng)段，從而實現(xiàn)組建虛擬工作組的技術(shù)，達到減少碰撞和廣播風(fēng)暴、增強網(wǎng)絡(luò)安全性，并為802.1p協(xié)議的實現(xiàn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，提供了實現(xiàn)手段。

交換機在網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)著絕對的位置，所以從某種意義上來說，交換機的性能與成本決定了網(wǎng)絡(luò)的性能與成本。目前10/100M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)交換機是市場的主流，1000M網(wǎng)絡(luò)交換機由于成本原因沒有得到大面積推廣。智能化變電站過程層網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)總量十分可觀，但大部份信息數(shù)據(jù)不需要橫向流通，在過程層網(wǎng)絡(luò)中采用VLAN組網(wǎng)技術(shù)，為100M以太網(wǎng)交換機在智能化變電站組網(wǎng)中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)，既降低了組網(wǎng)成本，又滿足了網(wǎng)絡(luò)安全、可靠性。

1 數(shù)字化變電站的通信要求

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)把變電站自動化系統(tǒng)從功能邏輯上分配為三層(站層、間隔層、過程層)。這些層及邏輯接口的邏輯關(guān)系如圖1所示。

根據(jù)IEC61850-7-1標(biāo)準(zhǔn)，過程層和間隔層采用IEC61850-9-1/2協(xié)議和GOOSE協(xié)議通信，間隔層裝置和站控層采用IEC61850-8-1(MMS)通信。IEC61850-9-1采用點對點傳送方式，只需考慮傳送介質(zhì)的帶寬和接受方CPU處理數(shù)據(jù)的能力，而不用擔(dān)心數(shù)據(jù)流量對于其他間隔設(shè)備傳輸?shù)挠绊?，因為它并沒有通過網(wǎng)絡(luò)與其他間隔共享網(wǎng)絡(luò)帶寬，所以不需要交換機。這種方式簡單可靠，但光纖連線繁雜，無法在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)實現(xiàn)跨間隔保護，安裝方式不靈活。而IEC61850-9-2方式將合并器采樣數(shù)據(jù)信號以光纖方式接入過程層網(wǎng)絡(luò)，間隔層保護、測控、計量等設(shè)備不再與合并器直接相連，通過過程層網(wǎng)絡(luò)獲取信息數(shù)據(jù)，從而達到采樣信號的信息共享。通過在交換網(wǎng)絡(luò)中采用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級技術(shù)、VLAN技術(shù)、組播技術(shù)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有效的防止采樣值傳輸流量、速度對過程層網(wǎng)絡(luò)地影響，保證過程層數(shù)據(jù)在100M以太網(wǎng)上安全、高效、有序傳輸。

IEC61850-3部分定義了變電站自動化系統(tǒng)(SAS)站內(nèi)智能電子設(shè)備(IED)之間的通信及相關(guān)系統(tǒng)要求，對站內(nèi)設(shè)備監(jiān)視、配置和控制的通信系統(tǒng)的可靠性、可用性、可維護性、安全性、數(shù)據(jù)完整性等性能提出了要求。為了滿足這些要求，設(shè)備間通訊依靠基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的100-Mbit/s光纖以太網(wǎng)實現(xiàn)，過程層設(shè)備通過過程級總線互聯(lián)，間隔層設(shè)備通過站級總線互聯(lián)。

網(wǎng)絡(luò)交換機要求具備以下管理功能：

可靠性符合IEC61850-3標(biāo)準(zhǔn)

交換機支持多環(huán)組網(wǎng)方案

高速eRSTP環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)，每臺交換機的恢復(fù)時間5ms

Zero-Packet-Loss零丟包技術(shù)

寬溫度范圍

超強的抗電磁干擾能力

MTBF長，保證了高可用性

支持802.1QVLANs

支持802.1p協(xié)議

2 單間隔傳輸流量計算和VLAN解決方案

2.1 傳輸流量計算

因為不同間隔間需要共享部分信息，而不是全部信息，因此將全站過程層交換機經(jīng)過主干交換機進行星型模式級聯(lián)，如圖2所示。如果不對間隔層交換機流出數(shù)據(jù)進行流量控制，主干網(wǎng)交換機很容易流入流量超負(fù)荷的情況，使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生阻塞甚至癱瘓。我們對單個間隔的SMV數(shù)據(jù)流量及GOOSE數(shù)據(jù)流量進行理論計算和實際測試，結(jié)果基本一致。

IEC61850-9-2工程中實際最大報文長度(SVLD為變長量)，單間隔SMV理論計算流量：按照每幀1點(12個模擬量通道)計算，一個合并器每秒種的數(shù)據(jù)流量：

S=159字節(jié)×8bit/字節(jié)×50周波/s×80點/周波=5.088Mbit/s;

單間隔實際測試SMV流量和理論計算數(shù)據(jù)相當(dāng)。

GOOSE工程中實際最大報文長度：

按照T0=10s計算，一個智能設(shè)備每秒種的數(shù)據(jù)流量：

S=6016字節(jié)×8bit/字節(jié)×(1s/10)幀=0.048Mbit/s;

交換機數(shù)據(jù)吞吐總量由流入交換機的數(shù)據(jù)決定，理論上流入數(shù)據(jù)都可以正確流出，只是數(shù)據(jù)流量的大小決定了網(wǎng)絡(luò)(延時)性能。主干網(wǎng)交換機上流入的數(shù)據(jù)主要是跨間隔保護需要的數(shù)據(jù)，如失靈保護、母線保護等需要的數(shù)據(jù)。按照單位間隔估算，如SMV數(shù)據(jù)中的保護電流、GOOSE數(shù)據(jù)等。由于GOOSE信息流量和SMV相比可以忽略不計，所以流入主干網(wǎng)交換機的數(shù)據(jù)相當(dāng)于間隔交換機的三分之一，按照理論計算數(shù)據(jù)為1.6Mbit/s。所以主干網(wǎng)交換機除了在交換口數(shù)量上要滿足工程選型外，對于一般規(guī)模的智能化變電站都可以滿足容量的要求。

2.2 VLAN解決方案

上述已經(jīng)明確了網(wǎng)絡(luò)上需要橫向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并不是全部數(shù)據(jù)，而是跨間隔保護或者其它設(shè)備需要的一部分，所以必須采用VLAN方案，即802.1p協(xié)議使其橫向通過需要的數(shù)據(jù)，不需要共享和跨間隔利用的數(shù)據(jù)就在本間隔縱向流通即可。其次數(shù)據(jù)流通需要優(yōu)先級區(qū)分，IEC61850規(guī)范對變電站內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)進行了詳細(xì)的劃分，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信息的不同需求和要求，給予不同的報文不同的優(yōu)先級。

2.2.1 VLAN劃分的幾種模式

基于端口的VLAN

基于MAC地址的VLAN

基于路由的VLAN

基于策略的VLAN

基于端口的VLAN劃分模式是最簡單、有效的方法，在智能化變電站網(wǎng)絡(luò)中得到了充分有效的應(yīng)用。基于端口的VLAN模式是從邏輯上把交換機按照端口劃分成不同的虛擬局域網(wǎng)絡(luò)，使其在所需用的局域網(wǎng)絡(luò)上流通。

2.2.2 過程層網(wǎng)絡(luò)VLAN劃分原則

對于采樣值的處理：

電流合并器和其對應(yīng)的裝置應(yīng)該劃分到一個VLAN，且全站唯一;電流合并器應(yīng)和其所在母線上的全部需要電壓的裝置劃分為一個VLAN且全站唯一。

GOOSE信息的處理：

采用IEC61850-9-2方式，對全站GOOSE信息統(tǒng)一分配一個VLAN，且全站唯一。當(dāng)采用IEC61950-9-2方式時，考慮到和采樣值相比較，GOOSE的信息量非常少，不對其劃分VLAN也不會對網(wǎng)絡(luò)性能造成太大影響。

對時報文處理：

統(tǒng)一分配一個VLAN，默認(rèn)為VLAN1。