智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)虛擬局域網(wǎng)建模與優(yōu)化配置方法

鄒俊雄，黃成巧，張延旭，蔡澤祥，何瑞文，李曉華

（1.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510640；2.廣東工業(yè)大學 自動化學院，廣東 廣州 510006）

0 引言

為提高智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的信息共享水平，同時保證信息的傳輸效率，采樣值SV（Sample Value）、面向通用對象的變電站事件GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）和精確時間協(xié)議 PTP（Precise Time Protocol）等報文均采用廣播的傳輸模式。但是這種廣播模式會使得部分智能電子設(shè)備IED（Intelligent Electronic Device）收到?jīng)]有訂閱的無效報文，這一方面會造成不必要的網(wǎng)絡(luò)流量，降低通信網(wǎng)絡(luò)的性能，另一方面存在相關(guān)IED錯誤解析報文信息而導(dǎo)致不正確動作的隱患。

為限制報文的廣播域，緩解網(wǎng)絡(luò)的流量壓力，提高設(shè)備及系統(tǒng)可靠性，虛擬局域網(wǎng)VLAN（Virtual Local Area Network）技術(shù)常被應(yīng)用到智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中。VLAN能夠?qū)⑼ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)從邏輯上劃分成若干獨立的局域網(wǎng)，報文僅限定在特定VLAN內(nèi)部傳輸[1-4]。

近年來，有很多研究工作針對VLAN技術(shù)在智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用展開。文獻[5]提出按站內(nèi)電壓等級來劃分VLAN，不同電壓等級再按照不同的原則把設(shè)備歸類，進而形成VLAN。該方式劃分過程繁瑣，涉及原則較多，工作量大，為避免錯誤，需運行經(jīng)驗豐富的人員來執(zhí)行，導(dǎo)致其推廣受到很大的限制。文獻[6]按照報文的類型劃分VLAN，其電流互感器和其所在母線上的所有需要電壓的裝置劃分為1個VLAN且全站唯一，GOOSE報文、對時報文各自分配1個VLAN。該方式相比于報文廣播形式，雖在一定程度上限制了網(wǎng)絡(luò)流量，但因每種不同報文都只有1個VLAN，故站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)總流量仍然很大。文獻[7]基于站內(nèi)間隔類型，把同一個間隔內(nèi)的設(shè)備歸于同一個VLAN，站內(nèi)信息共享水平不高，且不易于網(wǎng)絡(luò)擴展。

綜上，智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的VLAN配置方法尚缺乏統(tǒng)一的原則與標準，沒有形成系統(tǒng)的劃分機制，其配置主要依賴于運行人員的工作經(jīng)驗，效率和準確率欠佳。另外，對VLAN配置的對比分析不夠深入，沒有針對VLAN劃分合理性的評價指標與方法。

基于此，本文基于智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和設(shè)備間報文訂閱關(guān)系，提出了VLAN配置模型，分析了影響VLAN劃分的約束條件。結(jié)合該模型提出了一種報文最短傳輸路徑的算法[8-10]，進而實現(xiàn)站內(nèi)VLAN的優(yōu)化配置與自動劃分。最后以一實際智能變電站的VLAN配置為例，給出其VLAN優(yōu)化配置的具體步驟，并將其與現(xiàn)有方案進行對比，驗證了本文所提出方法的有效性和實用性。

1 VLAN配置的通信網(wǎng)絡(luò)模型

決定VLAN配置的約束條件主要包括報文的訂閱關(guān)系、網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)以及交換機端口的關(guān)聯(lián)關(guān)系這3個部分。為實現(xiàn)自動配置VLAN，本節(jié)對VLAN配置的通信網(wǎng)絡(luò)進行建模。

1.1 報文訂閱關(guān)系

變電站配置描述SCD（Substation Configuration Description）文件完整描述了智能變電站內(nèi)各IED間的邏輯關(guān)系[11]。通過軟件方式可自動解析SCD文件獲取設(shè)備的發(fā)布報文信息和訂閱報文信息，并綜合這兩方面的信息來自動獲取報文的訂閱關(guān)系，具體方法可參考文獻[12]。

設(shè)某智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備（包括交換機和IED在內(nèi)）共有p個端口。在智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中，端口是報文發(fā)送、轉(zhuǎn)發(fā)和接收的最小單元。本文以端口為單位，通過定義矩陣Bp×p來描述報文之間的訂閱關(guān)系。

報文訂閱關(guān)系矩陣Bp×p描述了通過發(fā)布和訂閱各報文而建立的設(shè)備及其端口之間的關(guān)系。VLAN配置過程中，應(yīng)首先保證訂閱關(guān)系的充分性得到滿足，即所有IED必須能夠收到所訂閱的報文。其次，可通過VLAN的優(yōu)化配置，盡量滿足訂閱關(guān)系的必要性，即所有IED應(yīng)盡量少地收到?jīng)]有訂閱的無效報文。

為評價VLAN配置滿足訂閱關(guān)系充分必要性的程度，可定義以下評價指標：

其中，N1i為第i個IED收到的訂閱報文數(shù)量；N2i為第i個IED訂閱的報文總數(shù)；N3i為第i個IED收到?jīng)]有訂閱的報文總數(shù)；n為IED的總數(shù)；E1i和E1分別為某IED和全站對報文充分性的滿足指標，一個正確的VLAN配置方案中，E1i和E1均應(yīng)為1，若小于1則表示VLAN配置不正確；E2i和E2分別為某IED和全站對報文必要性的滿足指標，一個理想的VLAN配置方案中，E2i和E2均應(yīng)為0，E2i和E2越大，則表示存在越多的無效報文。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)主要包含IED與交換機以及交換機之間的連接關(guān)系信息。網(wǎng)絡(luò)拓撲連接關(guān)系構(gòu)成了報文傳輸?shù)穆窂?，以實現(xiàn)給定的報文訂閱關(guān)系。

根據(jù)圖論理論，可把智能變電站的通信網(wǎng)絡(luò)抽象成一個無向圖G，通信網(wǎng)絡(luò)的IED及交換機端口映射為節(jié)點，光纖鏈路映射為分支。圖1所示為某通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的無向圖，該圖包含有已編號的18個節(jié)點（對應(yīng)于12個交換機端口和6個IED端口），虛線框表示網(wǎng)絡(luò)中的交換機，節(jié)點之間的連接實線為光纖鏈路。定義節(jié)點鄰接矩陣Cp×p表示圖G的拓撲信息。

圖1 通信網(wǎng)絡(luò)拓撲無向圖GFig.1 Undirected graph G of communication network topology

矩陣Cp×p的每一行、每一列都有且只有1個非零元素。

1.3 交換機端口的關(guān)聯(lián)關(guān)系

VLAN的表現(xiàn)形式即是用交換機的端口集合來表示的，本文定義矩陣Wp×p來表示交換機端口的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2 基于最短路徑的VLAN優(yōu)化配置

2.1 報文最短路徑搜索算法

智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中，報文傳輸延時的不確定性主要是由報文在交換機中的排隊延時決定的，為避免報文傳輸延時過長，智能變電站中交換機的級聯(lián)層次一般不超過4層。當滿足報文訂閱關(guān)系的端口連接而成的路徑存在多條時，本文定義報文最短的路徑即為所有路徑中包含交換機端口數(shù)目最少的路徑，也即交換機級聯(lián)層次最少的路徑。最短路徑搜索共分為3個過程：初始化訂閱關(guān)系矩陣Bp×p、從報文訂閱端口尋找發(fā)送端口的回推過程和記錄回推過程所選最短路徑中各端口序號的前代過程。算法實現(xiàn)的流程如圖2所示。

2.1.1 初始化矩陣Bp×p

在訂閱關(guān)系矩陣Bp×p中，若2條報文之間存在訂閱關(guān)系，則其對應(yīng)的元素為1，否則為0。針對每一條訂閱關(guān)系進行最短路徑的逐一搜索，即每次搜索均在矩陣Bp×p中選取一個不為0的元素，并形成一個初始矩陣B0p×p。對于圖1，若選取的訂閱關(guān)系為端口15訂閱端口1的報文進行最短路徑搜索，則形成的初始矩陣 B0p×p中除元素 b15，1為 1以外，其他均為 0。

圖2 最短路徑算法流程圖Fig.2 Flowchart of shortest path algorithm

2.1.2 回推過程

回推過程即從報文的訂閱端口出發(fā)尋找報文的發(fā)送端口，其作用是過濾較長路徑，篩選最短路徑。首先利用迭代的方式，從訂閱端口15出發(fā)按可能的路徑向發(fā)布端口1方向回推，進而找出最短路徑。回推的迭代公式如下：

其中，k代表本次計算為第k次迭代；Ep×p為判斷矩陣。每次迭代計算結(jié)束后均需判斷Ep×p中是否有元素為2，有則說明已從訂閱端口回推到發(fā)布端口，否則進行下一次迭代。

如圖1所示，對于端口15與1的訂閱關(guān)系存在2條路徑：1-3-5-7-9-15和1-3-6-12-11-8-9-13，顯然前者為最短路徑。由于上述判據(jù)一旦成立，即結(jié)束迭代時，按照第1條路徑的回推僅需要2次迭代即可完成，而第2條路徑需要3次。因此，第2條路徑會在2次迭代后被過濾，只留下最短路徑。

2.1.3 前代過程

前代過程是利用回推過程結(jié)束前的一次迭代結(jié)果作為初始信息繼續(xù)向前查找訂閱端口，可實現(xiàn)對回推過程所篩選出的最短路徑中各端口序號的記錄，如回推過程在第k次迭代后結(jié)束，則前代過程的初始信息為第k-1次迭代的結(jié)果Bk-1p×p。前代過程的公式如下：

其中，Gp×p與 Fp×p用于儲存中間結(jié)果。 為將路徑中的端口序號記錄下來，定義一新的矩陣Lp×p。篩選出Fp×p中為2的元素fab后，將Lp×p中對應(yīng)的元素lab置1，說明在最短路徑中端口a和b是相連的，體現(xiàn)為圖1中的端口3和5。

進行一次回推和前代過程能夠找出并記錄最短路徑中在一臺交換機中的2個端口，為記錄下路徑中的所有端口，需重復(fù)進行回推和前代過程，即以圖1中的端口5作為發(fā)布端口，以端口15為訂閱端口，重復(fù)回推和迭代，直到最短路徑中的全部端口均已完成記錄。

2.2 基于最短路徑的VLAN自動配置

本文VLAN配置主要涉及VID及support ID。交換機端口的VID即該端口的VLAN ID，本文默認交換機的端口號為其端口的VID，某一端口的support ID就是該端口允許通過的該交換機其他端口的VID號。VLAN的配置即實現(xiàn)為每一個端口配置support ID。

在最短路徑Lp×p下配置VLAN可分2個步驟進行。

a.劃分support ID。若通信網(wǎng)絡(luò)中共有j臺交換機，每臺交換機有d個端口，則在矩陣Lp×p中，可形成j個d階子矩陣，逐一判斷每個子矩陣中每一元素是否為0。若某元素不等于0，則該元素所對應(yīng)行的端口為報文傳出端口，列所對應(yīng)的端口為報文進入端口，把報文進入端口的VID記錄在報文傳出端口的support ID中。

b.確定最終VLAN。若根據(jù)某個報文訂閱關(guān)系通過上述最短路徑算法獲得對應(yīng)多個報文傳輸路徑，則對各個路徑均進行VLAN劃分，然后對比各鏈路的流量分布情況，選擇使網(wǎng)絡(luò)流量分布相對均勻的路徑對應(yīng)的VLAN為最終方案。

針對圖1形成的訂閱關(guān)系矩陣B18×18，對于等于1 的元素 b15，1、b17，2、b17，16、b15，18，利用最短路徑算法求出在各自訂閱關(guān)系下的路徑如表1所示。

表1 報文訂閱關(guān)系下的報文最短路徑Table 1 Shortest packet path for different packet subscription relationships

根據(jù)最短路徑VLAN的自動配置原理，形成最終的VLAN方案，如表2所示。

表2 報文訂閱關(guān)系下的VLAN方案Table 2 VLAN scheme for existing packet subscription relationships

上述各步驟均可通過編程利用計算機軟件實現(xiàn)，相比目前各種人工配置VLAN方式，本文的VLAN自動配置方式不僅能減少配置過程的工作量和避免人工配置時的人為失誤，而且能極大地減少冗余報文和降低網(wǎng)絡(luò)流量。

3 算例分析

3.1 算例系統(tǒng)參數(shù)

為了驗證本文所提出的VLAN優(yōu)化配置方法的合理性與可行性，選擇某智能變電站110 kV側(cè)過程層網(wǎng)絡(luò)的VLAN優(yōu)化配置作為算例。該智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，其包含3臺交換機，每臺交換機有20個端口；同時配置了6臺110 kV線路保護測控裝置、4臺主變保護測控裝置、2臺主變非電量保護測控裝置、1臺母線保護裝置、11臺合并單元、6臺智能操作箱、1臺110 kV備自投等設(shè)備。本文在圖3中已對所有設(shè)備及交換機的端口進行統(tǒng)一編號。

圖3 某智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)拓撲圖Fig.3 Process-layer network topology of a smart substation

3.2 VLAN配置結(jié)果對比與評價

通過解析該智能變電站SCD文件，可獲得其詳細報文信息及其訂閱關(guān)系?；诒疚姆椒ǚ謩e對每一臺交換機下的端口進行VLAN配置，結(jié)果如表3所示。為便于比較分析，表4所示為文獻[13]的附錄A中所描述的該智能變電站110 kV過程層網(wǎng)絡(luò)實際運行時采用VLAN配置方案。

表3 某智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)VLAN劃分結(jié)果Table 3 Result of VLAN partitioning for process-layer network of a smart substation

表4 某智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)的VLAN配置方案Table 4 Operating process-layer network VLAN scheme of a smart substation

為求取不同VLAN配置方案下的報文分布，本文基于OPNET通信網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，進行了基于IEC61850 的智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)建模，包括：各IED、合并單元MU（Merging Unit）、交換機等實體設(shè)備，組網(wǎng)方式和通信協(xié)議等[14-16]。

本文把VLAN配置方案下的報文訂閱關(guān)系的充分性指標E1、必要性指標E2、網(wǎng)絡(luò)的平均流量水平和流量分布的均勻度S（流量標準差）作為評價該VLAN配置方案是否合理的評價指標。通過對比分析本文方案和現(xiàn)有方案的上述指標來說明本文VLAN配置方案具有更優(yōu)效果。

本文基于OPNET的部分端口流量仿真結(jié)果如表5所示。其中SV報文大小約為254 Byte，發(fā)包間隔為0.00025 s；故障情況下，GOOSE報文大小約為254 Byte，發(fā)包間隔為0.002 s；仿真總時間為10 s。再由仿真結(jié)果分別計算網(wǎng)絡(luò)平均流量水平和流量分布均勻度S（流量標準差）：本文方案的=32.2Mbit/s，現(xiàn)有方案的=42.1 Mbit/s；本文方案的 S=2.25，現(xiàn)有方案的S=6.10。

表5 2種VLAN方案仿真結(jié)果的對比Table 5 Comparison of simulative results between two VLAN schemes

3.2.1 訂閱關(guān)系的充分必要性

2種VLAN配置方案都滿足報文訂閱關(guān)系的充分性，滿足了站內(nèi)設(shè)備收到其訂閱的報文要求，即實現(xiàn)了式（2）中的E1=1。但本文方案各個設(shè)備E2的值都比現(xiàn)運行方案的E2小，這是因為在本文算法中，發(fā)送端口只把報文發(fā)送給那些存在報文傳輸路徑的端口，盡可能避免一些端口收到?jīng)]有訂閱的報文，從而減小式（3）中的N3i，由于設(shè)備所訂閱的報文是確定的，即N2i大小不變，故可使E2變??；而現(xiàn)運行的方案只對SV報文以間隔為原則進行VLAN配置，其GOOSE報文采用全網(wǎng)廣播方式導(dǎo)致過多設(shè)備收到大量多余的報文。因此2種方案對比之下，通過本文優(yōu)化配置后的VLAN方案效果更好。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)流量水平及其分布均勻度

綜上 E1、E2、以及 S 的對比分析，本文優(yōu)化配置后的VLAN方案比現(xiàn)有VLAN方案具有更優(yōu)的效果。另一方面，本文方案可實現(xiàn)VLAN自動配置，相對于該智能變電站現(xiàn)有的VALN人為配置方案，提高了配置工作的效率和準確率，具有實際的工程意義。

4 結(jié)論

本文根據(jù)設(shè)備間的報文訂閱關(guān)系以及通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建了VLAN配置的通信網(wǎng)絡(luò)模型，并基于此提出了報文最短路徑算法，以此來實現(xiàn)VLAN的優(yōu)化配置。最后基于實際運行的某一智能變電站為算例，將本文的VLAN優(yōu)化配置方案與現(xiàn)有的VLAN方案進行對比，對比結(jié)果說明本文VLAN劃分結(jié)果更具準確性、可靠性和實用性，從而驗證了本文所提出優(yōu)化配置方法的合理性和可行性，對VLAN技術(shù)在智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用和推廣具有重要的工程意義。