虛擬局域網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用研究

劉寧，趙飛

(河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北保定071000)

虛擬局域網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用研究

劉寧，趙飛

(河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北保定071000)

針對(duì)現(xiàn)有的主流網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的對(duì)比和分析，提出一種適用于智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案。解決方案主要采用虛擬局域網(wǎng)VLAN技術(shù)對(duì)智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，這種構(gòu)建方式，可以使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加清晰，便于提高網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率。

智能電網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)；虛擬局域網(wǎng)；故障定位

智能就是電網(wǎng)的智能化(智電電力)，也就是將電網(wǎng)的運(yùn)行過程進(jìn)行智能化控制。一般來說，智能電網(wǎng)是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的、、經(jīng)濟(jì)、、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo)。根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，智能電網(wǎng)有其明顯的特征，其主要特征如下：

(1)堅(jiān)強(qiáng)和自愈的能力。智能電網(wǎng)必須具有實(shí)時(shí)、在線和連續(xù)的安全評(píng)估和分析能力，強(qiáng)大的預(yù)警和預(yù)防控制能力，以及自動(dòng)故障診斷、故障隔離和系統(tǒng)自我恢復(fù)的能力。在電網(wǎng)發(fā)生大擾動(dòng)和故障時(shí)，仍能保持對(duì)用戶的供電能力，以保證在極端情況下依舊能保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，直到故障排除；

(2)兼容和集成的能力。智能電網(wǎng)必須具有廣闊的包容性，可以支持多種可再生能源及分布式電源或微網(wǎng)的有序合理接入，并能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)信息的高度集成和共享，同時(shí)提供與用戶的有效交互和多種增值服務(wù)；

(3)經(jīng)濟(jì)和資源優(yōu)化的能力。優(yōu)化能源形式，提高能源利用效率，降低投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本。

1 智能網(wǎng)絡(luò)的需求特點(diǎn)

智能電網(wǎng)是一種新的電力系統(tǒng)構(gòu)建方式。其核心是通過先進(jìn)的傳感器、通信、控制、智能分析等技術(shù)，建立全網(wǎng)絡(luò)所有信息采集、傳輸、分析和處理的統(tǒng)一數(shù)字化應(yīng)用平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的自動(dòng)運(yùn)行控制、設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)、智能決策分析、分布協(xié)同控制等功能，完成整個(gè)電力系統(tǒng)的高效自動(dòng)運(yùn)行。

為了實(shí)現(xiàn)以上的功能，智能電網(wǎng)直接所面臨的問題就是數(shù)據(jù)流的極大擴(kuò)張，使得在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的控制當(dāng)中，數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理成為重點(diǎn)。因此，好的網(wǎng)絡(luò)控制方案是解決這一問題的重點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是近十幾年來隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新的控制系統(tǒng)。它是以信息科學(xué)為核心的各學(xué)科理論及應(yīng)用交叉、滲透和融合的綜合性科技。典型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的基本原理是將傳感器、執(zhí)行器和上層控制中心利用某種類型的網(wǎng)絡(luò)連接起來，以完成最終的控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行功能。目前，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)可以分為分布式和集中式。所利用的技術(shù)主要有現(xiàn)場(chǎng)總線形式、工業(yè)以太網(wǎng)、無線通信網(wǎng)絡(luò)，而上層控制中心進(jìn)行通信主要依靠Internet網(wǎng)或者是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。

智能電網(wǎng)的控制系統(tǒng)中，其控制指令、傳感器數(shù)據(jù)和系統(tǒng)信息的傳輸是通過相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求較高。相對(duì)于以上的技術(shù)，虛擬局域網(wǎng)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)能力強(qiáng)、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，可以有利于整體控制效率的提高。

2 虛擬局域網(wǎng)技術(shù)

虛擬局域網(wǎng)VLAN(Virtual Local Area Network)，是將局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備邏輯地而不是物理地劃分成一個(gè)個(gè)網(wǎng)段來實(shí)現(xiàn)虛擬工作組的一門新興技術(shù)[1]。本質(zhì)上，VLAN技術(shù)是根據(jù)某一明確的目標(biāo)而劃分的邏輯網(wǎng)絡(luò)單元。這些單元的具體物理位置并不能成為劃分的障礙，所以，同一個(gè)VLAN的各個(gè)計(jì)算機(jī)的工作站無須局限在同一個(gè)物理空間內(nèi)[1]。

VLAN是為解決以太網(wǎng)的廣播問題和安全性而提出的一種新型的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方式。在傳統(tǒng)以太網(wǎng)中，為了確定某一通信節(jié)點(diǎn)所發(fā)出的某一個(gè)消息，就需要向全網(wǎng)的一個(gè)廣播域中播放相應(yīng)的廣播幀，廣播幀需要通過全網(wǎng)的交換機(jī)，到達(dá)各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，以獲取廣播幀的目標(biāo)MAC地址，這樣就會(huì)造成各個(gè)交換機(jī)及節(jié)點(diǎn)都需要對(duì)該廣播幀信息進(jìn)行處理，占用了大量CPU的時(shí)間。同時(shí)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中廣播幀的數(shù)目是相當(dāng)可觀的，因此，廣播幀的工作過程會(huì)極大地影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作效率。尤其在通信較為復(fù)雜、規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)中，這個(gè)矛盾更為突出。

為了解決以上的問題，可以采用小交換機(jī)技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和通信的復(fù)雜度限制在一定的范圍內(nèi)，從而減少廣播幀的數(shù)目，但是這樣做也會(huì)引出一些弊端，那就是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的成本會(huì)上升，布線更為麻煩，維護(hù)也更為困難，網(wǎng)絡(luò)靈活性更差。

更好的解決辦法就是在原有交換局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建VLAN。VLAN的本質(zhì)是利用軟件系統(tǒng)來構(gòu)建邏輯網(wǎng)段，形成一組需求及目的相同，而物理地址不受限制的終端工作站。這些工作站將用戶依據(jù)功能、應(yīng)用等因素在邏輯上劃分為一個(gè)個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的工作組，一個(gè)工作組形成一個(gè)廣播域，并在以太網(wǎng)幀的基礎(chǔ)上增加了VLAN頭，從而形成功能完善，工作范圍減小，且通信效率提高的邏輯網(wǎng)絡(luò)。

由于結(jié)構(gòu)合理，一個(gè)完善的VLAN具有幾大優(yōu)勢(shì)：(1) VLAN具有較小的邏輯范圍，范圍的形成依據(jù)軟件來實(shí)現(xiàn)，可以在邏輯上將某一個(gè)交換機(jī)的端口劃分為某一個(gè)VLAN，與其他VLAN之間相隔離，因此可以有效地控制相應(yīng)的廣播風(fēng)暴；(2)提高網(wǎng)絡(luò)的安全性，VLAN可以利用相關(guān)的軟件技術(shù)限制用戶的訪問，控制廣播組的大小，有效防御外部用戶的入侵，因此具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)安全性；(3)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為靈活、組成成本低、維護(hù)方便，由于VLAN是在原有交換局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上構(gòu)成的邏輯網(wǎng)絡(luò)，因此利用軟件技術(shù)構(gòu)造臨時(shí)的工作組網(wǎng)絡(luò)極為簡單，也不用增加硬件成本，而且維護(hù)靈活方便。

3 智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸解決方案的分析

智能電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)主要由過程層網(wǎng)絡(luò)和站控層網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成。在這兩層中，過程層網(wǎng)絡(luò)屬于底層，主要負(fù)責(zé)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和接收站控層網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來的控制指令。該網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大，占用帶寬資源多，同時(shí)突發(fā)數(shù)據(jù)要求得到及時(shí)的反應(yīng)，時(shí)延小；站控層網(wǎng)絡(luò)屬于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的上層部分，它的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)底層數(shù)據(jù)的處理、分析，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的監(jiān)控、管理和高級(jí)應(yīng)用。其主要的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理量大，準(zhǔn)確性高，指令下達(dá)至過程層網(wǎng)絡(luò)要迅速。針對(duì)以上問題，本系統(tǒng)利用VLAN技術(shù)對(duì)站內(nèi)過程層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行邏輯劃分，在有效范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性。

VLAN主要有三種類型，分別是基于端口的VLAN、基于MAC地址的VLAN和基于協(xié)議的VLAN。對(duì)比三種類型，基于MAC地址的VLAN和基于協(xié)議的VLAN不能隔離廣播，網(wǎng)絡(luò)性能不高，這使得網(wǎng)絡(luò)無法防止外部的入侵和網(wǎng)內(nèi)廣播幀的竊聽，從而降低系統(tǒng)的安全性，因此，目前主要應(yīng)用的是基于端口的VLAN網(wǎng)絡(luò)[2]。

基于端口的VLAN網(wǎng)絡(luò)，交換機(jī)是其核心部件之一。每一個(gè)交換機(jī)都包括若干個(gè)端口，每一個(gè)端口可以配置成一個(gè)VLAN子系統(tǒng)，也可以將兩個(gè)或兩個(gè)以上的端口配置成一個(gè)VLAN子系統(tǒng)，但是不能將一個(gè)端口分配給兩個(gè)或兩個(gè)以上的VLAN子系統(tǒng)，以完成隔離廣播域的功能?；诙丝诘腣LAN網(wǎng)絡(luò)具有劃分簡單、管理方便、安全性高等優(yōu)勢(shì)，但是靈活性不夠，因此，需結(jié)合動(dòng)態(tài)主機(jī)協(xié)議來保證主機(jī)移動(dòng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)配置功能。

基于端口的VLAN的方式一般是建立在物理層上；MAC方式建立在數(shù)據(jù)鏈路層上；基于協(xié)議的VLAN方式建立在網(wǎng)絡(luò)層上，因此，相對(duì)于智能電網(wǎng)而言，以交換機(jī)的端口作為劃分網(wǎng)絡(luò)的方式，也是最為簡單可靠的方案。

圖2是智能電網(wǎng)中的一個(gè)500 kV的變電站的邏輯保護(hù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)以電壓作為網(wǎng)絡(luò)的劃分依據(jù)，分別為500 kV子系統(tǒng)、220 kV子系統(tǒng)、110 kV子系統(tǒng)和35 kV子系統(tǒng)等。

圖2 邏輯保護(hù)分區(qū)

而在每一個(gè)邏輯保護(hù)區(qū)中，以交換機(jī)為核心，為每種電壓設(shè)定相應(yīng)的分組原則，例如，550 kV可以按串分組，每串依據(jù)設(shè)備的多少設(shè)置1至2個(gè)交換機(jī)；220和110 kV可以按間隔分組，每組也是依據(jù)設(shè)備的多少設(shè)置1～2個(gè)交換機(jī)；35 kV按母線分級(jí)，每組母線上的設(shè)備分為一組，一組設(shè)定一臺(tái)交換機(jī)。

以110 kV為例，在一個(gè)VLAN中，包括著智能單元、合并單元和相應(yīng)的線路保護(hù)或母線保護(hù)，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 110 kV邏輯分區(qū)

4 結(jié)論

本文利用VLAN技術(shù)設(shè)計(jì)了適用于智能電網(wǎng)的信息通信網(wǎng)絡(luò)。這一技術(shù)的應(yīng)用，可以有效提高網(wǎng)絡(luò)安全性，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)連接的靈活性。同時(shí)，對(duì)于流量風(fēng)暴，具有良好的防御效果。

[1]肖軍弼.虛擬局域網(wǎng)(VLAN)技術(shù)研究[D].青島：石油大學(xué)(華東)，2004：36-39.

[2]丁騰波，林亞男.智能變電站虛擬局域網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)劃分方案的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012(1)：115-118.

Application of virtual localarea network in smartpower grid

LIU Ning，ZHAO Fei
(HebeiSoftware Institute，Baoding Hebei071000，China)

Focused on com parison and analysis of existing mainstream network technology，a kind of construction scheme suitable for smart grid network was put forward.VLAN technology was adopted to build the smart grid network.Experiments prove that this construction way can make network structure clearer，easy to improve the operation efficiency of the network.

smartpower grid;network;VLAN;fault location

TM 131

A

1002-087 X(2016)07-1501-02

2016-02-25

劉寧(1981—)，女，河北省人，講師，本科，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。