智能變電站通信架構(gòu)和過程層VLAN劃分的探討

江 軍，封 濤，汪文熙

（1.國網(wǎng)遼陽供電公司，遼寧 遼陽 111000；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106）

智能變電站通信架構(gòu)和過程層VLAN劃分的探討

江 軍1，封 濤2，汪文熙2

（1.國網(wǎng)遼陽供電公司，遼寧 遼陽 111000；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106）

智能變電站的出現(xiàn)，不僅是對變電站架構(gòu)的變革，更是一種新的建設(shè)模式、操作模式和生產(chǎn)模式，在智能電網(wǎng)建設(shè)中的地位日益突出。智能變電站現(xiàn)已取代傳統(tǒng)的電纜傳輸模式，而采用光纖數(shù)字通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在通信技術(shù)上，按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通信體系要求以及對智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特點(diǎn)的分析，提出了基于功能、電壓等級的智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)VLAN劃分方案。通過工程應(yīng)用實(shí)例，也證明了該方法配置簡單、實(shí)用且具有可讀性，易于工程設(shè)計和維護(hù)。

智能變電站；過程層；虛擬局域網(wǎng)

智能變電站自動化比傳統(tǒng)變電站自動化的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大［1］。智能變電站自動化是由監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護(hù)、輔助設(shè)備、輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、時鐘同步、計量等設(shè)備組成。智能變電站的監(jiān)控系統(tǒng)，對內(nèi)與站內(nèi)各變電站智能電子設(shè)備 （IED）設(shè)備相聯(lián)，采集數(shù)據(jù)完成信息交互；對外則縱向貫通于安全Ⅰ區(qū)的調(diào)度監(jiān)控平臺，是智能變電站自動化的核心組成部分。

VLAN（Virtual Local Area Network），即虛擬局域網(wǎng)，是一組邏輯上的設(shè)備和用戶，這些設(shè)備和用戶不受物理位置的限制，可以根據(jù)功能、需求及實(shí)際應(yīng)用等因素將它們組織起來。在智能變電站內(nèi)，由于層次定義的需求、功能以及實(shí)際應(yīng)用等方面的原因，采用VLAN可以優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸、提高通信效率。

本文結(jié)合遼陽首山220 kV智能變電站，分析智能變電站的網(wǎng)絡(luò)，探索VLAN的管理和傳輸方式及在工程調(diào)試中的技術(shù)優(yōu)勢。

1 智能變電站的通信架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

智能變電站采用合理、先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，按照標(biāo)準(zhǔn)的要求選擇網(wǎng)絡(luò)方式，真正實(shí)現(xiàn)設(shè)備間信息的共享、互通，達(dá)到數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化、網(wǎng)絡(luò)共享化。智能變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自上而下分別為站控層、間隔層和過程層。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由 MMS（Manu?factoring Message Specification，制造報文規(guī)范）、GOOSE、SV網(wǎng)絡(luò)組成［2］。

智能站的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

智能變電站由站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)組成。

站控層網(wǎng)絡(luò)是間隔層設(shè)備與站控層設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)站控層內(nèi)部及站控層與間隔層之間的數(shù)據(jù)傳輸，即負(fù)責(zé)全站設(shè)備的監(jiān)控、管理和高級應(yīng)用。

過程層網(wǎng)絡(luò)是間隔層設(shè)備和過程層設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)間隔層設(shè)備與過程層設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，其作用主要負(fù)責(zé)采樣值的采集、設(shè)備間配合命令的傳輸［3］。過程層網(wǎng)絡(luò)包含 SV網(wǎng)絡(luò)和GOOSE網(wǎng)絡(luò)。SV網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息主要為采樣值信息（SV報文），其主要特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大，流量較為穩(wěn)定，無突發(fā)流量，占用帶寬資源多。GOOSE網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息主要為面向通用對象的變電站事件（GOOSE報文），其主要特點(diǎn)是流量較小，但存在突發(fā)報文流量［4］，對實(shí)時性及優(yōu)先級要求高。

圖1 智能變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意

2 過程層網(wǎng)絡(luò)VLAN劃分的必要性

過程層設(shè)備通過光纖媒介與間隔層設(shè)備通信，過程層網(wǎng)絡(luò)主要傳輸采樣值信息 （SV）、開入開出和事件信息 （GOOSE），SV報文是以4 000幀／s報文實(shí)時發(fā)送，其特點(diǎn)是發(fā)送數(shù)據(jù)量大，GOOSE報文是定期 “心跳”發(fā)送和變位瞬時發(fā)送，其特點(diǎn)是平時數(shù)據(jù)量不大，當(dāng)發(fā)生擾動啟動或區(qū)內(nèi)外故障時不同設(shè)備會同時發(fā)生突發(fā)GOOSE變位報文，可能引起網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷瞬時過重［5］。因此，采取有效的方法對SV、GOOSE報文進(jìn)行隔離、過濾是十分必要的。針對以上分析，過程層網(wǎng)絡(luò)中的GOOSE報文、SV報文的發(fā)布，一般可考慮采用VLAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類導(dǎo)向和流量控制，以滿足智能變電站對信息實(shí)時性及高效性的要求。

3 過程層網(wǎng)絡(luò)VLAN劃分的優(yōu)勢

VLAN在過程層網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)管理，增加安全性，限制廣播包等優(yōu)勢［6］。

a. 限制網(wǎng)絡(luò)上的廣播。VLAN可以提供建立防火墻的機(jī)制，防止交換網(wǎng)絡(luò)的過量廣播。

b.增強(qiáng)局域網(wǎng)的安全性。不同VLAN內(nèi)的報文在傳輸時是相互隔離的，即一個VLAN內(nèi)的用戶不能與其他VLAN內(nèi)的用戶直接通信，如果不同VLAN要進(jìn)行通信，則需要通過路由器或三層交換機(jī)等三層設(shè)備［7］。

c.增加了網(wǎng)絡(luò)連接的靈活性。借助于VLAN技術(shù)，可以將不同地點(diǎn)、不同網(wǎng)絡(luò)、不同用戶組合在一起，形成一個虛擬的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，如同使用本地LAN一樣方便、靈活、有效。

4 過程層網(wǎng)絡(luò)VLAN劃分的原則

為便于智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)在VLAN劃分的實(shí)際工程應(yīng)用，總結(jié)交換機(jī)VLAN劃分如下原則。

a.VLAN劃分應(yīng)根據(jù)虛端子連接來進(jìn)行，沒有數(shù)據(jù)交換的設(shè)備不能放在同一VLAN，并盡量減少跨交換機(jī)的數(shù)據(jù)交換。

b. PVID（Port?base Vlan ID，端口的虛擬局域網(wǎng)ID號）相同的端口屬于同一VLAN。兩端口PVID不同，但VID（VLAN ID，虛擬局域網(wǎng)標(biāo)識號）互相包含對方的 PVID，則也能相互收發(fā)數(shù)據(jù)，屬于同一VLAN。

c.VID劃分方法建議按間隔GOOSE網(wǎng)和間隔SV網(wǎng)來劃分，即同一間隔所有設(shè)備對應(yīng)的端口分配為同一VLAN。進(jìn)行GOOSE的VLAN劃分時，同一間隔的合并單元、智能終端、測控裝置 （保護(hù)裝置GOOSE組網(wǎng)時也包括保護(hù)裝置）在同一個VLAN里，且盡量在同一個交換機(jī)上以減少交換機(jī)之間的流量。進(jìn)行SV的VLAN劃分時，同一間隔的合并單元、測控裝置 （保護(hù)裝置SV組網(wǎng)時也包括保護(hù)裝置）在同一個VLAN里；由于SV報文流量大，不同間隔建議不劃入同一VLAN，即不同間隔使用劃入不同VLAN［8］。

d.VLAN中的某個設(shè)備與其他VLAN的設(shè)備發(fā)生數(shù)據(jù)交換時，如跨間隔設(shè)備母線保護(hù)裝置、備自投裝置，需單獨(dú)分配PVID號，以便可靠隔離潛在的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

e.按圖2示意分配VID。

f.交換機(jī)級聯(lián)時VID設(shè)置為1。

圖2 遼陽首山220 kV智能變電站VID分配方法

5 過程層網(wǎng)絡(luò)VLAN劃分的實(shí)際應(yīng)用

基于上述劃分原則，VLAN劃分已在多個智能變電站中使用，表1-表3是首山220 kV變電站220 kV過程層SV-A網(wǎng)交換機(jī)VLAN的劃分情況。

首山220 kV變電站的過程層網(wǎng)絡(luò)是以電壓等級為基礎(chǔ)，實(shí)行SV、GOOSE分網(wǎng)的方式進(jìn)行劃分的。全站過程層網(wǎng)絡(luò)分為220 kV過程層SV-A網(wǎng)、220 kV過程層SV-B網(wǎng)、220 kV過程層GOOSE-A網(wǎng)、220 kV過程層GOOSE-B網(wǎng)、66 kV過程層SV網(wǎng)、66 kV過程層GOOSE網(wǎng)等6個過程層子網(wǎng)。該過程層網(wǎng)絡(luò)只是單純從物理上對站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行簡單隔離，雖然在一定程度上達(dá)到了無效報文的有效隔離，但各過程層子網(wǎng)的報文數(shù)據(jù)量仍然較大，增加了過程層交換機(jī)的正常運(yùn)行負(fù)荷，同時對間隔層設(shè)備、過程層設(shè)備的接收端口也存在一定的沖擊性。而在此基礎(chǔ)上，使用VLAN進(jìn)行進(jìn)一步的劃分，不僅可以抑制廣播信息泛濫，同時大大減少過程層交換機(jī)的負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)延時，達(dá)到了數(shù)據(jù)量優(yōu)化的效果，降低設(shè)備的故障風(fēng)險。

表1 220 kV過程層SV-A網(wǎng)中心交換機(jī)VLAN分配表

表2 220 kV過程層SV-A網(wǎng)1號交換機(jī)VLAN分配表

表3 220 kV過程層SV-A網(wǎng)2號交換機(jī)VLAN分配表

6 結(jié)論

本文重點(diǎn)分析了智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)VLAN的劃分，闡述了其可追溯性和傳輸實(shí)時性，全面考慮技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，并根據(jù)發(fā)展現(xiàn)狀和高壓設(shè)備保護(hù)的重要原則，對構(gòu)造智能變電站的過程層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了實(shí)例劃分。過程層網(wǎng)絡(luò)的配置與一、二次設(shè)備配置、網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，VLAN技術(shù)劃分已在工程中普遍實(shí)現(xiàn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步及新設(shè)備、新概念在電力系統(tǒng)中的不斷應(yīng)用，組網(wǎng)形式和設(shè)備配置將出現(xiàn)更多創(chuàng)新。

［1］ 劉振亞.智能電網(wǎng)技術(shù) ［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［2］ 黃少雄，黃太貴，程 栩.智能變電站信息一體化平臺建設(shè)方案研究 ［J］.東北電力技術(shù)，2012，33（2）：21-24.

［3］ 胡 國，唐成虹，徐子安，等.數(shù)字化變電站新型合并單元的研制 ［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34（24）：51-54.

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［5］ 李志堅(jiān)，姜利華，陳麗紅，等.數(shù)字化保護(hù)裝置時鐘同步的實(shí)現(xiàn) ［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（7）：105 -109.

［6］ 黃少雄，張沛超.智能變電站GOOSE網(wǎng)配置方案研究 ［J］.東北電力技術(shù)，2010，31（10）：47-50.

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Discussion on Communication Structure and Division of VLAN in Smart Substation

JIANG Jun1，F(xiàn)ENG Tao2，WANG Wen?xi2
（1.State Grid Liaoyang Power Electric Supply Company，Liaoyang，Liaoning 111000，China；2.NARI Technology Co.，Ltd.，Nanjing，Jiangsu 211106，China）

The emergence of smart substation，not only change the architecture，but also become a new construction mode，operation and production style.It is more important than ever.Smart substation uses optical digital communication technology and network tech?nology instead of traditional cable transmission mode.According to the IEC 61850 communication system requirements and the analysis of process layer network architecture features，classification scheme based on function，the voltage level of substation intelligent net?work layer virtual local area network（VLAN）is proposed，then is tested in engineering.This method is simple allocation，useful，and a good readability.This design faciliatates and eases maintenance.

Smart substation；Process level；VLAN

TM76；TM63

A

1004-7913（2015）11-0056-04

江 軍 （1963—），男，學(xué)士，高級工程師，從事調(diào)度自動化專業(yè)工作。

2015-06-23）