智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析與VLAN劃分方式探討

丁津津， 高 博， 劉寧寧， 郭 力

（安徽省電力科學(xué)研究院，安徽 合 肥 230601）

0 引 言

隨著智能變電站的快速發(fā)展和大規(guī)模建設(shè)，其在智能電網(wǎng)中的樞紐地位越來越突出。智能變電站采用光纖數(shù)字通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電纜傳輸模擬量［1］，相比較而言，智能變電站簡化了二次電纜接線，增強了抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的互操作性與可拓展性。

本文結(jié)合安徽某新建220kV智能變電站，分析設(shè)計智能變電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，探討虛擬局域網(wǎng) VLAN（Virtual Local Area Network，簡稱VLAN）原理與傳輸協(xié)議，提出一種可用于智能變電站工程現(xiàn)場的VLAN劃分方案，該方案提高了系統(tǒng)的可靠性，為今后智能變電站的建設(shè)提供一定的參考。

1 智能變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組網(wǎng)方案

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)DL／T860（IEC61850）協(xié)議的規(guī)定，智能變電站自動化系統(tǒng)可以從功能上劃分為3層，分別是站控層、間隔層、過程層。

站控層位于變電站的頂層，包括主機與操作員站、遠(yuǎn)動通信系統(tǒng)、對時系統(tǒng)等，其主要功能是匯總實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全站設(shè)備的監(jiān)視、告警、控制等交互功能，同時執(zhí)行調(diào)度下達(dá)的操作命令；間隔層位于站控層與過程層的中間，包括保護、測量、控制和錄波等二次裝置，其主要任務(wù)是通過智能終端對一次設(shè)備進行保護和控制，實現(xiàn)本間隔內(nèi)的操作閉鎖，并進行一次電氣量的運算和計量［2］；過程層位于智能變電站的最底層，典型設(shè)備包括常規(guī)／電子式互感器、智能終端（執(zhí)行單元）、合并單元等，其主要功能是進行一次電氣量采集、執(zhí)行操控命令和檢測設(shè)備狀態(tài)。

依據(jù)國家電網(wǎng)公司頒布的《110（66）kV～220kV智能變電站設(shè)計規(guī)范》［3］，智能變電站網(wǎng)絡(luò)可從邏輯上分為“兩網(wǎng)”，即站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)。其中，站控層網(wǎng)絡(luò)連接了站控層設(shè)備與間隔層設(shè)備，主要是傳輸站控層內(nèi)部、間隔層內(nèi)部、以及站控層與間隔層之間的數(shù)據(jù)信息，內(nèi)容以MMS報文為主。過程層網(wǎng)絡(luò)連接過程層設(shè)備與間隔層設(shè)備，主要是傳輸過程層內(nèi)部、間隔層內(nèi)部以及過程層與間隔層之間的數(shù)據(jù)信息，內(nèi)容以GOOSE和SV報文為主。

另外，根據(jù)智能變電站網(wǎng)絡(luò)特點，站控層網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腗MS報文數(shù)據(jù)量較小，實時性要求不高。而過程層網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腉OOSE報文和SV報文數(shù)據(jù)量大，實時性要求高，不能容忍網(wǎng)絡(luò)擁塞或是傳輸時延［4］。為了限制網(wǎng)絡(luò)流量、增加系統(tǒng)靈活性、提高系統(tǒng)的可靠性，有必要對智能變電站的過程層網(wǎng)絡(luò)進行VLAN劃分。

1.2 組網(wǎng)方案

1.2.1 常見的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

局域網(wǎng)中常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有總線型、環(huán)型、星型等幾種，它們各有特點，適用于不同的場合。

（1）總線型拓?fù)?。各設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)端口以級聯(lián)的方式兩兩連接。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是連接簡單，便于擴展，而且工程造價較低。缺點在于若總線上某一結(jié)點出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。同時該型拓?fù)涞膱笪膫鬏斠?jīng)歷多個結(jié)點，傳輸時間較長，因此該結(jié)構(gòu)并不能滿足智能變電站對報文傳輸可靠性與快速性的需求［5］。

（2）環(huán)型拓?fù)?。將總線型拓?fù)涞氖孜?個結(jié)點相接，形成一個圓環(huán)，以增強系統(tǒng)的冗余性。理論上說，報文可以從2個方向傳送到同一個結(jié)點，這提高了系統(tǒng)的可靠性。但該結(jié)構(gòu)同樣存在較大的延遲，甚至有出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的風(fēng)險［6］，不能滿足智能變電站對報文快速傳輸?shù)男枨蟆?/p>

（3）星型拓?fù)?。該型拓?fù)渲校薪Y(jié)點都與一個中心結(jié)點連接。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、拓展性強、傳輸時延?。?］。但缺點是可靠性較差，一旦中心交換機出現(xiàn)故障，將會導(dǎo)致全站癱瘓。因此，該型拓?fù)潆m然能滿足報文傳輸快速性的需求，但不能滿足報文傳輸可靠性的需求。

1.2.2 雙星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

上述幾種常見的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都不能同時滿足智能變電站對可靠性和快速性的需求，因此在進行某新建智能變電站的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，考慮設(shè)計和采用一種雙星型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)既快速又可靠的傳遞報文。該智能變電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖1中，在連接過程層與間隔層的過程層網(wǎng)絡(luò)上配置2個互相獨立的星型網(wǎng)絡(luò)，它們以交換機為中心結(jié)點，互為熱備用。該型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅繼承了星型網(wǎng)絡(luò)快速傳輸?shù)膬?yōu)點，同時，冗余的配置也有效提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。因此，雙星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是目前最適用于智能變電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2 VLAN技術(shù)與傳輸協(xié)議

2.1 VLAN技術(shù)與幀結(jié)構(gòu)

VLAN是一種將局域網(wǎng)從邏輯上劃分成不同的、相互獨立的子網(wǎng)的技術(shù)。VLAN技術(shù)主要有以下幾點優(yōu)勢：

（1）限制物理局域網(wǎng)的廣播流量。VLAN技術(shù)保證同一VLAN的成員之間能夠正常通信，而不同VLAN成員之間必須經(jīng)過3層交換機或者是路由器才能通信。這樣就限制了系統(tǒng)的廣播流量，減輕了交換機的傳輸壓力，提高了整個網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

（2）增強系統(tǒng)的靈活性。使用VLAN技術(shù)，可將連接在不同交換機上的設(shè)備劃分到同一VLAN中。這樣可就近布置設(shè)備，增強了靈活性，節(jié)省了布線成本。

（3）提高系統(tǒng)的安全性。不同VLAN的成員之間是相互隔離的，這樣就可以依據(jù)安全需求將成員劃分入安全等級不同的VLAN，從而有效提高了系統(tǒng)的安全性。

根據(jù)IEEE802.1Q協(xié)議，在標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀中插入VLAN識別信息，形成具有VLAN標(biāo)識的Tagged幀，如圖2所示。

圖2 IEEE 802.1Q幀結(jié)構(gòu)

從圖2中可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀中插入的VLAN標(biāo)識符，由2部分組成。其中TPID是缺省字段，固定值為0x8100，另一部分TCI是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的VLAN標(biāo)識控制信息。TCI又分為3節(jié)：User Priority代表用戶優(yōu)先級，級別從0到7；CFI用來表明幀的屬性，0為以太網(wǎng)的幀，1為令牌環(huán)網(wǎng)的幀；VLAN ID，也就是VID，是最重要的VLAN標(biāo)識信息，用于區(qū)分不同的VLAN。VID有12bit，最多可以標(biāo)識4 094個VLAN（0為默認(rèn)值，4 095被保留）。同時為了便于管理和識別，交換機的每個端口都有唯一的VID標(biāo)識，即PVID。

2.2 VLAN傳輸協(xié)議

（1）每個交換機的端口均可以設(shè)置成Edge（邊緣）和Trunk（主干）2種類型。Edge類型的端口僅支持1個VLAN，直接和智能電子設(shè)備IED（Intelligent Electronic Device，簡稱IED）連接；而Trunk類型的端口可以支持多個VLAN，用于不同交換機或多個VLAN之間的級聯(lián)。

（2）VLAN數(shù)據(jù)幀的接收協(xié)議。無論是Trunk端口還是Edge端口，當(dāng)接收到某一數(shù)據(jù)幀后，先確定VLAN數(shù)據(jù)幀是否帶有Tagged信息。若該幀同時具有用戶優(yōu)先級和VID信息時，則不改變數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，直接傳入交換機；對于僅有用戶優(yōu)先級而無VID信息的Tagged幀，則添加上端口的PVID信息，然后傳入交換機；若是無任何TAG信息的Untagged幀，則添加上端口的PVID和缺省優(yōu)先級，再傳入交換機［8］。

（3）VLAN數(shù)據(jù)幀的傳出協(xié)議。需要考察交換機傳出端口的VLAN類型。

對于Trunk端口，只要該端口沒有被列為目標(biāo)VLAN禁用端口，那么都會將數(shù)據(jù)幀依原格式傳出。若是Edge端口，則只傳送帶有與本地端口相同VID信息的Tagged數(shù)據(jù)幀，其余數(shù)據(jù)幀一律丟棄。

這樣的傳輸協(xié)議，保證了在支持VLAN的網(wǎng)絡(luò)中，傳入的數(shù)據(jù)幀都帶有Tagged信息，傳出的數(shù)據(jù)幀則根據(jù)自身端口屬性有所取舍，以達(dá)到同一VLAN成員正常通信，不同VLAN成員互相隔離的目的。

3 智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)VLAN劃分

3.1 智能變電站VLAN網(wǎng)絡(luò)劃分方案

根據(jù)智能變電站的網(wǎng)絡(luò)特點，為了限制過程層網(wǎng)絡(luò)流量、增加系統(tǒng)靈活性、提高系統(tǒng)的可靠性，有必要對智能變電站的過程層網(wǎng)絡(luò)進行VLAN劃分。但目前并沒有成熟的VLAN劃分方案應(yīng)用于智能變電站，因此本文設(shè)計一種基于電壓等級、兼顧IED的VLAN劃分方案，具體如下所述。

先將智能變電站網(wǎng)絡(luò)按照電壓等級劃分成500、220、110、35kV等若干個區(qū)域。再依照各區(qū)域中IED實際配置情況，如IED數(shù)目、是否雙套配置等，將這些區(qū)域劃分成不同的VLAN。

考慮500kV區(qū)域的IED較多，且均為雙套配置［9］，因此將該區(qū)域的IED按串區(qū)分，每一串再根據(jù)雙套配置劃分成2個VLAN。同理，可以將220kV區(qū)域IED按間隔區(qū)分，每一個間隔再根據(jù)雙套配置劃分成2個VLAN。而110kV和35kV的IED較少，且一般為單套配置，可將一條母線上的IED劃分成1個VLAN。

對于需要跨電壓等級或是跨間隔的IED，如主變保護與測控、故障錄波器、網(wǎng)絡(luò)報文分析儀等，則單獨劃出1個公共VLAN，該VLAN的端口屬性全部定義成Trunk，以便在不同VLAN之間交換信息。

3.2 智能變電站VLAN劃分實例

某智能變電站的主接線圖如圖3所示。該智能變電站按照一個簡化接線的220kV變電站進行配置。

220kV為雙母接線，配置1條220kV出線、1個母聯(lián)間隔、主變3側(cè)間隔；110、35kV均為單母接線并各配置了1條出線間隔。另外，220kV線路間隔的IED按雙套配置，110kV和35kV線路間隔IED按單套配置。主變間隔跨3個電壓等級，IED也是雙套配置。

圖3 某新建智能變電站主接線圖

以220kV電壓等級的A套IED為例，劃分該區(qū)域的過程層網(wǎng)絡(luò)交換機，具體配置情況見表1所列。

表1 220kV部分IED VLAN配置

表1中，配置交換機端口的PVID，可分成3個部分，分別代表電壓等級、間隔序號和設(shè)備套數(shù)。比如2211就代表了220kV、第1個間隔、A套IED，端口屬性設(shè)為Edge。

對于需要跨間隔的IED（如母線保護、故障錄波器等），則單獨劃1個公共VLAN，PVID設(shè)為1，端口屬性設(shè)為Trunk。

110kV和35kV區(qū)域，由于IED是單套配置，且只有1條母線，因此將交換機的PVID配置為110和35，不再細(xì)分。

4 VLAN技術(shù)與IP路由技術(shù)性能對比

在完成某智能變電站的VLAN劃分之后，使用思博侖公司的TestCenter網(wǎng)絡(luò)分析儀對過程層交換機進行測試，以驗證VLAN劃分效果。選取幀長為64、128、256、512、1 024、1 280、1 518字節(jié)的以太網(wǎng)報文，每次測試時間60s，發(fā)送方式為雙向最大線速。

在吞吐量測試中，不劃分VLAN的過程層交換機吞吐量，只在1 518字節(jié)為99.7Mb／s，其余字節(jié)情況下的吞吐量為100Mb／s；而劃分VLAN的過程層交換機吞吐量均為100Mb／s。在丟包率測試中，不劃分VLAN的過程層交換機丟包率，在1 518字節(jié)為0.12%，其余字節(jié)情況下的丟包率為0；而劃分VLAN的過程層交換機丟包率為0。

平均傳輸時延測試結(jié)果見表2所列。

表2 平均傳輸時延測試結(jié)果 μs

以上實驗數(shù)據(jù)反映出VLAN技術(shù)能夠提高交換機的吞吐率、降低丟包率、大幅降低報文的傳輸時延，提高交換機的整體性能。

分析其原因，主要在于當(dāng)劃分了VLAN的交換機接收到報文時，將根據(jù)數(shù)據(jù)幀的VID信息查找靜態(tài)的VLAN轉(zhuǎn)發(fā)表，而后直接傳遞［10］；而IP路由技術(shù)則需要查找數(shù)據(jù)幀的目的IP和路由，進行二次封裝后才能轉(zhuǎn)發(fā)出去；此外，走VLAN轉(zhuǎn)發(fā)表比走IP路由優(yōu)先級高。因此，VLAN技術(shù)不僅節(jié)省了數(shù)據(jù)包的拆封裝時間，加快了轉(zhuǎn)發(fā)速度，還擁有更高的優(yōu)先級，從而能提高端口的吞吐量，降低了丟包率和傳輸時延。

實驗結(jié)果證明，智能變電站的過程層網(wǎng)絡(luò)在使用了VLAN技術(shù)后，不僅增強了組網(wǎng)方式的靈活性，還較大幅度提高了交換機性能，有較高的應(yīng)用價值。

5 結(jié)束語

本文首先分析了目前常見網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，設(shè)計了一種雙星型的組網(wǎng)方案來保證智能變電站對實時性與可靠性的需求；然后介紹了VLAN技術(shù)和傳輸協(xié)議，并結(jié)合實際情況，對安徽某智能變電站的過程層進行了VLAN劃分；最后通過實驗證明，本文提出的VLAN劃分方案，能有效增強智能變電站的組網(wǎng)方式靈活性，并較大幅度提高了交換機的報文傳輸性能。因此，本文研究結(jié)果對今后的智能變電站網(wǎng)絡(luò)選型、設(shè)計和VLAN劃分都具有一定的借鑒意義。

［1］ 張 利，陶維青，袁新喜，等.IEC61850變電站間隔層IED的建模與分析［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，35（7）：891－894，964.

［2］ 袁 灝，胡文玲，王建功，等.電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化圖形模型分析及應(yīng)用［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，35（3）：350－352.

［3］ Q／GDW 393－2009，國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：110（66）kV～220kV智能變電站設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］ Q／GDW 383－2009，國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：智能變電站技術(shù)導(dǎo)則［S］.

［5］ 殷志良，劉萬順，楊奇遜.基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的過程總線通信研究與實現(xiàn)［J］.中國電機工程學(xué)報，2005，25（8）：84－89.

［6］ 林 達(dá).基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站通信體系研究［D］.河北保定：華北電力大學(xué)，2005.

［7］ 高 翔.數(shù)字化變電站技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2009：77.

［8］ 劉從洪.基于IEC 61850的數(shù)字化變電站通信研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2008.

［9］ 徐成斌，孫一民.數(shù)字化變電站過程層GOOSE通信方案［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007（10）：91－94.

［10］ Kirrmann H，Hansson M，Müri P.IEC 62439，PRP：bumpless recovery for highly available，hard real－time industrial networks［C］／／12th IEEE Conference on Emerging on Technologies ＆Factory Automation，2007：30－33.