數(shù)字化變電站組網(wǎng)技術(shù)

李廣華

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

隨著IEC61850通信協(xié)議在變電站中的廣泛使用，尤其是 GOOSE［1］、采樣值服務(wù)［2］的試點(diǎn)應(yīng)用，數(shù)字化技術(shù)正逐漸在變電站中得到推廣應(yīng)用。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)變電站信息共享是數(shù)字化變電站的一大特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也已成為數(shù)字化變電站的重要組成部分。

數(shù)字化變電站中使用GOOSE、采樣值服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)變電站的跳合閘、采樣值信息傳輸。這些服務(wù)使用發(fā)布 /訂閱（Publisher/Subscriber）模型，以組播方式在網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層傳輸信息［3］。組播報(bào)文的傳輸要求網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲小、穩(wěn)定性高；且采樣值信息傳輸頻率高，會(huì)占用大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬［2］，造成網(wǎng)絡(luò)載波沖突加劇。變電站跳合閘、采樣值的信息傳輸，對(duì)變電站網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。

隨著傳輸?shù)男畔⒘考ぴ?、網(wǎng)絡(luò)載波沖突加劇，變電站網(wǎng)絡(luò)易出現(xiàn)丟包、報(bào)文延遲不穩(wěn)定的情況；同時(shí)二次設(shè)備需要實(shí)時(shí)接收這些報(bào)文，其嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)吞吐量也將面臨考驗(yàn)。傳統(tǒng)變電站交換網(wǎng)的共享式組播傳輸方式已經(jīng)不能滿足數(shù)字化變電站發(fā)展的要求。而IEEE802.1Q的虛擬局域網(wǎng)（VLAN）劃分技術(shù)，雖然可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量控制，但這種方式工程化實(shí)施相對(duì)復(fù)雜?；谕ㄓ脤傩宰?cè)協(xié)議（GARP）的組插注冊(cè)協(xié)議（GMRP）技術(shù)，通過(guò)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建交換以太網(wǎng)的組播映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)精確網(wǎng)絡(luò)流量控制，同時(shí)也有利于工程化的實(shí)施。本文提出可以在數(shù)字化變電站中使用GRMP技術(shù)來(lái)解決組播的網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)題。

1 共享式組播傳輸

在初期的IEC61850數(shù)字化變電站中，GOOSE服務(wù)主要用來(lái)傳輸間隔聯(lián)閉鎖信息，其實(shí)時(shí)性要求較低，報(bào)文信息量也較少。在傳統(tǒng)的變電站組網(wǎng)中，該組播信息主要以共享以太網(wǎng)方式進(jìn)行傳輸，即任意終端的組播報(bào)文都在全網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)，任意終端都能收到其他所有終端發(fā)送的組播報(bào)文，如圖1所示。

圖1 共享式組播傳輸示意圖Fig.1 Schematic diagram of shared multicast communication

由于共享式組播傳輸實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，在數(shù)字化變電站發(fā)展初期階段網(wǎng)絡(luò)報(bào)文量較小時(shí)，這種方式得到了較為廣泛的應(yīng)用。

2 數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)傳輸面臨的問(wèn)題

隨著GOOSE跳合閘、采樣值服務(wù)在數(shù)字化變電站中的廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求大幅提高［4］，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載急劇增加，原有的共享式組播傳輸已經(jīng)不能滿足數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊蟆?/p>

2.1 網(wǎng)絡(luò)沖突加劇

采用發(fā)布/訂閱的組播傳輸模式的GOOSE跳合閘、采樣值傳輸服務(wù)在數(shù)字化變電站信息中得到越來(lái)越廣泛的使用。這些組播信息的傳輸，尤其是采樣值信息的傳輸，使得變電站網(wǎng)絡(luò)負(fù)載成倍增加，對(duì)變電站網(wǎng)絡(luò)的差錯(cuò)控制提出了更高的要求。

數(shù)字化變電站的組播傳輸不具備網(wǎng)絡(luò)差錯(cuò)控制功能。眾所周知，雖然數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)傳輸具有一定的差錯(cuò)控制功能，但由于該層不具備網(wǎng)絡(luò)報(bào)文確認(rèn)功能，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟铄e(cuò)控制功能多由網(wǎng)絡(luò)終端實(shí)施［5］。而IEC61850的GOOSE、采樣值的數(shù)據(jù)傳輸屬于二層組播傳輸，并且采用了發(fā)布/訂閱傳輸模式，終端間不具備信息交互能力［3］，因此IEC61850的組播傳輸無(wú)法完成差錯(cuò)控制功能。

雖然目前的網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量越來(lái)越好，傳輸出錯(cuò)率越來(lái)越低，但隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載劇增，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)妮d波沖突、延遲抖動(dòng)也隨之加劇，甚至可能發(fā)生丟包現(xiàn)象，這將嚴(yán)重影響變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，基于電力和通信系統(tǒng)同步仿真（EPOCHS）平臺(tái)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)仿真試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了該問(wèn)題的存在［6］。在這種情況下，共享式組播傳輸已不能滿足數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

在IEC61850組播傳輸無(wú)法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)差錯(cuò)控制功能的情況下，如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量控制、有效降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性、盡量避免網(wǎng)絡(luò)丟包現(xiàn)象發(fā)生，成為數(shù)字化變電站組網(wǎng)方案急需解決的問(wèn)題之一。

2.2 終端設(shè)備組播過(guò)濾困難

使用傳統(tǒng)的共享式組播傳輸方式，全站所有的組播信息都將傳輸?shù)矫總€(gè)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備。每個(gè)終端需要從所有的組播信息中提取本終端所需的組播信息，終端承擔(dān)了所有的組播過(guò)濾功能。即使使用其他技術(shù)，如VLAN劃分，若交換機(jī)不實(shí)現(xiàn)全部組播過(guò)濾功能，終端仍要承擔(dān)部分組播過(guò)濾功能。數(shù)字化變電站終端設(shè)備具備一定的硬件組播過(guò)濾功能，但通常不能滿足系統(tǒng)需求。

變電站終端通過(guò)使用網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)硬件組播過(guò)濾功能，該功能通常有2種實(shí)現(xiàn)方式：查詢高速緩存表方式和哈希算法過(guò)濾方式。

查詢高速緩存表方式是指在網(wǎng)卡中有一張組播地址過(guò)濾表，該表存儲(chǔ)了本網(wǎng)卡需要接收的組播地址。當(dāng)網(wǎng)卡接收到組播報(bào)文后，通過(guò)查表的方式過(guò)濾掉不需接收的報(bào)文。這種方式過(guò)濾精確，處理速度快。但網(wǎng)卡資源有限，一般只能設(shè)定較少的組播地址，通常不能滿足工程實(shí)際需要。

哈希算法過(guò)濾方式是目前廣泛用于網(wǎng)卡的組播過(guò)濾方式。通過(guò)網(wǎng)卡自帶的哈希算法，對(duì)每個(gè)將要接收的組播地址進(jìn)行哈希計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果記錄在網(wǎng)卡中。網(wǎng)卡每接收到一個(gè)組播報(bào)文，也對(duì)該組播地址進(jìn)行哈希計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與記錄在網(wǎng)卡中的信息進(jìn)行比對(duì)，決定丟棄還是接收該報(bào)文，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)濾功能。哈希算法理論上支持設(shè)定無(wú)數(shù)個(gè)組播地址，但該方法可能存在組播誤收的情況。例如在MPC8247的哈希濾波算法中，其接收8組組播時(shí)的誤收率約為 12.5%［7］。

在實(shí)際應(yīng)用中，理論上可以利用具體哈希算法的特性，挑選特定的組播地址進(jìn)行組網(wǎng)以盡量避免誤收的發(fā)生。但不同廠家網(wǎng)卡的哈希算法不盡相同，有些算法甚至不公開(kāi)，通過(guò)挑選特定組播地址的方式不僅工程實(shí)施困難，在特定條件下甚至不能完全避免誤收的發(fā)生。

誤收的組播報(bào)文需要裝置進(jìn)一步的軟件過(guò)濾。誤收量的增加不僅會(huì)增加裝置的處理負(fù)擔(dān)，甚至?xí)绊懷b置接收的實(shí)時(shí)性，進(jìn)而影響裝置的可靠性與穩(wěn)定性。隨著數(shù)字化變電站中網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的急劇增加，如何減少裝置的組播誤收，減輕裝置網(wǎng)絡(luò)處理負(fù)擔(dān)，也成為數(shù)字化變電站組網(wǎng)方案急需解決的問(wèn)題之一。

3 劃分VLAN實(shí)現(xiàn)組播傳輸

目前，如何最大限度減少數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，精確控制網(wǎng)絡(luò)報(bào)文接收已經(jīng)成為數(shù)字化變電站組網(wǎng)技術(shù)需要解決的一個(gè)重要課題。支持IEEE 802.1Q的VLAN劃分技術(shù)能有效解決數(shù)字化變電站在降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載［6］、減少網(wǎng)絡(luò)終端誤收?qǐng)?bào)文方面所面臨的問(wèn)題，并在組網(wǎng)方案中得到了試用。

VLAN是一種全新的子網(wǎng)劃分技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)可以將一個(gè)物理的交換式以太網(wǎng)劃分成多個(gè)VLAN。這些VLAN彼此獨(dú)立，屬于不同VLAN的終端間不能相互通信。把接收同一組組播的終端所對(duì)應(yīng)的交換機(jī)端口劃分為一個(gè)單獨(dú)的VLAN，可以實(shí)現(xiàn)這些端口之間的組播通信，且不影響其他交換機(jī)端口通信［5］。圖2中，終端A、C屬于VLAN1，終端B、D屬于VLAN2，終端A發(fā)送的組播報(bào)文，終端C可以收到，而終端B、D則收不到該報(bào)文。

圖2 跨交換機(jī)VLAN傳輸示意圖Fig.2 Schematic diagram of VLAN communication over switches

VLAN劃分技術(shù)可以降低交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，減少與交換機(jī)端口相連終端的無(wú)效報(bào)文接收。但是VLAN劃分仍然有一個(gè)問(wèn)題：交換機(jī)端口只能同時(shí)屬于一個(gè)VLAN。在數(shù)字化變電站中，通常一個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)端口需要傳輸幾組組播數(shù)據(jù)，單一的VLAN劃分技術(shù)并不能滿足數(shù)字化變電站組播通信的需求。

IEEE802.1Q是802委員會(huì)為解決跨以太網(wǎng)交換機(jī)的VLAN內(nèi)終端間的通信而制定的標(biāo)準(zhǔn)，包含VLAN標(biāo)識(shí)字段的MAC幀結(jié)構(gòu)稱為IEEE802.1Q幀結(jié)構(gòu)［5］，如圖 3 所示。

圖3 帶VLAN標(biāo)識(shí)符字段的MAC幀格式（802.1Q）Fig.3 MAC frame format with VLAN identification fields

如果以太網(wǎng)交換機(jī)支持IEEE802.1Q，從該交換機(jī)端口帶來(lái)和發(fā)出的MAC幀必須攜帶VLAN標(biāo)識(shí)符，以太網(wǎng)交換機(jī)根據(jù)該MAC幀攜帶的VLAN標(biāo)識(shí)符確定用于轉(zhuǎn)發(fā)該MAC幀的VLAN。這種支持IEEE802.1Q的交換機(jī)的組播轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程如圖4所示。

圖4 跨交換機(jī)IEEE802.1Q幀的VLAN轉(zhuǎn)發(fā)示意圖Fig.4 Schematic diagram of VLAN transfer with IEEE802.1Q frame format over switches

由于IEEE802.1Q標(biāo)準(zhǔn)的引入，使得支持IEEE 802.1Q的交換機(jī)端口可以同時(shí)屬于不同的VLAN。根據(jù)整個(gè)變電站將要發(fā)送的組播個(gè)數(shù)，將整個(gè)變電站網(wǎng)絡(luò)劃分為同等數(shù)量的VLAN，每個(gè)VLAN唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)組播地址；根據(jù)終端要接收的組播地址，設(shè)定對(duì)應(yīng)交換機(jī)端口的VLAN配置，就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)變電站組播傳輸?shù)耐暾成洹?/p>

在這種模式下，整個(gè)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)端口都只發(fā)送必要的組播報(bào)文，而與交換機(jī)端口相連的終端設(shè)備也只接收到需要接收的組播報(bào)文。這將大幅降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，減少網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)遲延，降低網(wǎng)絡(luò)丟包率［6］；同時(shí)也大幅減小了終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

但是基于IEEE802.1Q的VLAN劃分技術(shù)也有其局限性。在環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)方案中，通常交換機(jī)只支持STP/RSTP等單生成樹(shù)協(xié)議（SSP）?；趩紊蓸?shù)的VLAN網(wǎng)絡(luò)，一旦由于某種原因網(wǎng)絡(luò)重新拓?fù)?，靜態(tài)配置的VLAN劃分不能隨之動(dòng)態(tài)更新，可能使部分VLAN通信鏈接中斷［8］，造成通信故障。要解決這一問(wèn)題，需要使用支持MSTP的多生成樹(shù)協(xié)議的交換機(jī)組環(huán)網(wǎng)，但是支持該協(xié)議的交換機(jī)價(jià)格昂貴，且在變電站中很少使用［9］。

另外，基于VLAN劃分的數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)，VLAN劃分?jǐn)?shù)目多，并且由于VLAN劃分出錯(cuò)造成的網(wǎng)絡(luò)故障不易排查，不利于工程化實(shí)施；在更換故障交換機(jī)、變電站改擴(kuò)建等情況下需要更新1個(gè)或多個(gè)交換機(jī)的VLAN配置，這些都可能會(huì)暫時(shí)影響整個(gè)交換以太網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

VLAN劃分的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案可從理論上最大限度地降低交換網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)流量精確控制，終端裝置也不會(huì)誤收組播報(bào)文，解決了數(shù)字化變電站組播傳輸?shù)膯?wèn)題，但是該方案不利于工程化的實(shí)施。

4 GMRP協(xié)議方案實(shí)現(xiàn)組播傳輸

GMRP是GARP的一種應(yīng)用，在標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.1D中進(jìn)行了詳細(xì)描述［10］。GMRP提供了一種動(dòng)態(tài)的通用框架，能使發(fā)布/訂閱方式的組播信息在交換以太網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行注冊(cè)、注銷、詢問(wèn)操作［11］。通過(guò)這些操作，可以使屬于同一組的多個(gè)終端在交換網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上（由生成樹(shù)協(xié)議來(lái)創(chuàng)建、維護(hù)）動(dòng)態(tài)構(gòu)建1棵子樹(shù)，該組組播將只在該子樹(shù)上進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

在1個(gè)支持GMRP的交換網(wǎng)上，當(dāng)終端要接收1組組播時(shí)，將向交換網(wǎng)上發(fā)起1個(gè)申請(qǐng)加入的過(guò)程，該過(guò)程由組屬性聲明、組屬性注冊(cè)兩部分組成。該申請(qǐng)過(guò)程為：

a.終端向相連端口發(fā)送1個(gè)以該組播地址為參數(shù)的加入請(qǐng)求報(bào)文，發(fā)起組屬性聲明；

b.接收到組屬性聲明的端口對(duì)該組屬性進(jìn)行組屬性注冊(cè)，并轉(zhuǎn)發(fā)該組屬性聲明；

c.最終該申請(qǐng)以b的形式在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)發(fā)、注冊(cè)。

申請(qǐng)過(guò)程如圖5、圖6所示，其中圖5表示1個(gè)終端（終端A）加入1個(gè)組的過(guò)程，圖6表示在終端A加入該組后，又一終端加入同一組的過(guò)程，圖中A表示組屬性聲明，a表示組屬性注冊(cè)，后同。

圖5 終端A的組聲明傳播圖Fig.5 Group declaration transmission of terminal A

圖6 終端C的組聲明傳播圖Fig.6 Group declaration transmission of terminal C

一個(gè)組播報(bào)文在支持GMRP的交換網(wǎng)上的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程：

a.接收到該組播報(bào)文的端口將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給本交換機(jī)上其他對(duì)該組播進(jìn)行注冊(cè)的端口；

b.對(duì)該組播進(jìn)行注冊(cè)并接收到報(bào)文的端口向外轉(zhuǎn)發(fā)該報(bào)文；

c.該組播報(bào)文按上述2個(gè)步驟在整個(gè)交換網(wǎng)上轉(zhuǎn)發(fā)，并最終轉(zhuǎn)發(fā)給所有對(duì)該組進(jìn)行注冊(cè)的終端。假設(shè)終端E發(fā)送終端A、C注冊(cè)的組播，其組播傳輸過(guò)程如圖7所示。

圖7 組播在GMRP網(wǎng)絡(luò)上傳輸過(guò)程Fig.7 Multicast on GMRP Network

同樣，支持GMRP交換網(wǎng)也支持組播的退出注冊(cè)操作，其過(guò)程跟注冊(cè)申請(qǐng)過(guò)程相似。

GMRP交換網(wǎng)支持同一終端進(jìn)行多組組播注冊(cè)，其每個(gè)交換機(jī)端口都有一個(gè)專用表，用來(lái)記錄這些組播注冊(cè)信息。并且，每個(gè)交換機(jī)端口都為其注冊(cè)的每個(gè)組播注冊(cè)信息建立了一個(gè)狀態(tài)機(jī)，并用一個(gè)定時(shí)器驅(qū)動(dòng)整個(gè)交換網(wǎng)內(nèi)部的GMRP報(bào)文的交互，確保整個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)鏈路的暢通。

當(dāng)交換網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，退出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的端口首先發(fā)送組播注冊(cè)退出消息通知整個(gè)交換網(wǎng)絡(luò)，再退出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；然后終端或交換機(jī)注冊(cè)端口再次發(fā)送加入組播申請(qǐng)信息，從而再次建立該組的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥訕?shù)。

GMRP通過(guò)使用組播地址的注冊(cè)、注銷實(shí)現(xiàn)了組播傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)拓?fù)錁?gòu)建功能，并能很好地支持星形網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)；GMRP是二次交換協(xié)議，提供了對(duì)二層組播流量的精確控制，工作效率高，減輕了交換機(jī)、終端的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。同時(shí)GMRP也解決了VLAN工程化實(shí)施帶來(lái)的困難：GMRP動(dòng)態(tài)形成組播過(guò)濾機(jī)制極大簡(jiǎn)化了數(shù)字化變電站的工程實(shí)施；解決基于VLAN技術(shù)在數(shù)字化變電站維修、改擴(kuò)建以及交換機(jī)更換帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)問(wèn)題。

5 結(jié)論

GOOSE跳合閘、采樣值信息在數(shù)字化變電站中的廣泛使用，對(duì)變電站組網(wǎng)方案提出了更高的要求。傳統(tǒng)的共享式組播傳輸方式已不能滿足系統(tǒng)需求。支持IEEE802.1Q的VLAN劃分技術(shù)，在理論上解決了數(shù)字化變電站組播傳輸帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載問(wèn)題，但不利于工程化實(shí)施。而GMRP技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了交換網(wǎng)的精確流量控制，且極大方便了數(shù)字化變電站的工程化實(shí)施。在以后的數(shù)字化變電站組網(wǎng)中，建議使用GMRP技術(shù)實(shí)現(xiàn)變電站網(wǎng)絡(luò)流量控制功能。