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(kuò)展容易,。是否具有VLAN功能是衡量局域網(wǎng)交換機(jī)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(dá)到減少碰撞和廣播風(fēng)暴,、增強(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)是市場的主流，1000M網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)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(jī)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(jī)。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(hù)，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(hù)、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(dá)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(hù)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(jī)要求具備以下管理功能：

    可靠性符合IEC61850-3標(biāo)準(zhǔn)

    交換機(jī)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(jī)的恢復(fù)時間<5ms

    Zero-Packet-Loss零丟包技術(shù)

    寬溫度范圍

    超強(qiáng)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(jī)經(jīng)過主干交換機(jī)進(jìn)行星型模式級聯(lián),，如圖2所示。如果不對間隔層交換機(jī)流出數(shù)據(jù)進(jìn)行流量控制,，主干網(wǎng)交換機(jī)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(jìn)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(jī)數(shù)據(jù)吞吐總量由流入交換機(jī)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(jī)上流入的數(shù)據(jù)主要是跨間隔保護(hù)需要的數(shù)據(jù),，如失靈保護(hù),、母線保護(hù)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(hù)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(jī)的數(shù)據(jù)相當(dāng)于間隔交換機(jī)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(jī)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(hù)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(jìn)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,?；诙丝诘腣LAN模式是從邏輯上把交換機(jī)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,。

    2.2.3 過程層網(wǎng)絡(luò)VLAN劃分方法

    按照間隔劃分VLAN,，是過程組網(wǎng)的基本原則，每個間隔劃成一個VLAN,。如110kV線路間隔,、110kV分段間隔、110kVPT測控間隔,、主變間隔,、10kV線路間隔,、10kV分段間隔、10kVPT測控間隔,、電容器間隔,、電抗器間隔、所用變間隔等,。如果10kV線路的間隔比較多(例如50多個),，而所用交換機(jī)支持的最大VLAN個數(shù)又比較有限(如RUGGEDCOM型號交換機(jī)支持64個VLAN)，可以一段母線或者多條線路間隔劃為1個VLAN,，以滿足交換機(jī)的本身參數(shù)要求,。如圖3所示，某變電站的VLAN示意圖,。

　　2.2.4 線路間隔解決方案

    3 結(jié)論

    本文通過對VLAN技術(shù)的說明以及數(shù)字化變電站系統(tǒng)和站內(nèi)智能電子設(shè)備IED通信及相關(guān)的系統(tǒng)要求,，系統(tǒng)地論述了VLAN技術(shù)在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用情況。經(jīng)過數(shù)字化變電站實際運(yùn)行,，采用IEC61850-9-2規(guī)約和VLAN方案配置,，具有光纖連線簡潔，便于實現(xiàn)跨間隔保護(hù),，安裝方式靈活,，運(yùn)行維護(hù)簡單，其通信可靠性,，簡單性,、安全性、數(shù)據(jù)完整性以及其他性能要求均完全符合IEC61850的要求,。

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