面向智能變電站通信網(wǎng)絡故障自愈能力研究

熊楠，饒赟，寧楠，劉華麟

(貴州電網(wǎng)有限責任公司貴安供電局，貴州 貴安 550003)

0 引 言

隨著我國國家電力公司“能源互聯(lián)網(wǎng)”項目的發(fā)展和推廣，智能變電站作為電力系統(tǒng)輸、配電的重要節(jié)點[1]。對其內(nèi)部海量智能電子設備進行實時狀態(tài)監(jiān)測和可靠控制是電力物聯(lián)網(wǎng)全方位感知和精細化調(diào)控的基本要求。通訊網(wǎng)絡作為智能的“神經(jīng)系統(tǒng)”，性能直接決定了智能變電站的穩(wěn)定性[2]。目前，智能變電站通信網(wǎng)絡協(xié)議、拓撲等已無法滿足智能變電站的發(fā)展需要[3]。因此，對智能變電站通信網(wǎng)絡的故障自愈能力進行研究具有重要的現(xiàn)實意義。

當前，國內(nèi)外學者對智能變電站進行了大量研究。然而，目前對于變電站通信網(wǎng)絡評價沒有統(tǒng)一的標準，并且關(guān)于智能變電站通信網(wǎng)絡的可靠性的研究很少。文獻[4]中，對使用高可用性無縫冗余技術(shù)的智能變電站過程層網(wǎng)絡的工作原理進行分析，提出了兩種高可用性無縫冗余方案：交叉方案和四連通環(huán)方案。其次，為避免過程層網(wǎng)絡引起的擁塞導致傳輸時效性差，提出了一種基于貪心算法的流量調(diào)度策略。文獻[5]中，在分析智能變電站網(wǎng)絡異常數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)據(jù)流控制的信息管理技術(shù)，該技術(shù)具有異常信息識別、權(quán)限管理等功能，這對于提高智能變電站數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃杂幸欢ǖ膸椭?。文獻[6]中，對提高智能變電站信息傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性進行研究，提出一種定制交換技術(shù)，并通過算例驗證了該方法的準確性和有效性。文獻[7]中，提出一種智能變電站的信息網(wǎng)絡安全標準，分析了智能變電站的信息物理融合系統(tǒng)特征，并在此基礎(chǔ)上確定了信息網(wǎng)絡系統(tǒng)的安全漏洞以及可能的安全風險，從三個方面的詳細分析了安全防護措施。但這些方法不足以完全解決未來智能電網(wǎng)的需求問題。

在上述研究的基礎(chǔ)上，通過對智能變電站通信網(wǎng)絡的分析，提出了多協(xié)議標簽交換MPLS(Multi-Protocol Label Switching)改進的不間斷雙冗余熱備份相結(jié)合的通信方法，以提高鏈路故障時的自愈能力。通過對正常鏈路和故障鏈路進行仿真分析，驗證文中通信方式的準確性。

1 拓撲結(jié)構(gòu)

根據(jù)IEC 61850標準，智能變電站網(wǎng)絡為三層兩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。三層為過程層、間隔層和站控層。兩網(wǎng)為站控層網(wǎng)絡和過程層網(wǎng)絡[8]。如圖1所示。

圖1 三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)對過程層網(wǎng)絡和站控層網(wǎng)絡沒有進行統(tǒng)一設計，因此不能分析智能變電站通信網(wǎng)絡的整體性能[9]。因此，文中提出了基于人工蛛網(wǎng)拓撲的通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。采用兩層的蛛網(wǎng)拓撲，外層為過程層網(wǎng)絡，假定交換機數(shù)位n。內(nèi)層為站控層網(wǎng)絡，假定交換機數(shù)位m[10]。在變電站的實際設計中，大多數(shù)采用物理間隔進行布置，外層每個物理間隔為一個交換機，內(nèi)層采用平均分配方式與外層連接。圖2所示雙層蛛網(wǎng)拓撲通信網(wǎng)絡。

圖2 人工蜘蛛拓撲通信網(wǎng)絡

2 通信方式研究

由于蛛網(wǎng)拓撲的弦向鏈路可以為通信提供新的鏈路[11]。文中提出了一種MPLS與不間斷式雙冗余熱備份相結(jié)合的通信方式。數(shù)據(jù)報文可以在兩條不同路徑中進行冗余傳輸，鏈路故障后，備份路徑啟動，通信恢復時間為零[12]。同時，在故障發(fā)生后，對冗余路徑進行重新分配，保證數(shù)據(jù)傳輸仍有兩條路徑，使整個網(wǎng)絡運行于雙冗余熱備份通信模式[13]。

2.1 鏈路正常

當網(wǎng)絡正常時，文中提出的MPLS與不間斷式雙冗余熱備份相結(jié)合的通信方式工作原理如圖3所示。

圖3 正常網(wǎng)絡改進通信方式流程

當鏈路正常時，交換機同時維護兩個路由表。通過label的不同進行路由表搜索，實現(xiàn)有、無label的雙鏈路熱備份傳輸[14]。同時，將弦向鏈路進行l(wèi)abel刪除，通過IP的路由表進行傳輸[15]。通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，改進通信方式可以實現(xiàn)報文的不同鏈路分配。步驟如下：

(1)雙端口一個端口發(fā)送報文進行MPLS的加標簽操作，兩一個端口不加；

(2)交換機接收到數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否有MPLS標簽。有標簽跳轉(zhuǎn)到第四步驟，無標簽執(zhí)行下一步；

(3)對無標簽數(shù)據(jù)進行判斷是否需要打標簽，不需要打標簽跳轉(zhuǎn)到步驟四，打標簽的跳轉(zhuǎn)到步驟五；

(4)通過IP的路由表進行傳輸，端口0輸出；

(5)通過 MPLS 轉(zhuǎn)發(fā)表進行傳輸，端口2輸出。

2.2 鏈路故障

為了保證智能變電站通信網(wǎng)絡仍能在雙冗余熱備份模式下運行，有必要分析鏈路故障后備份鏈路的重新分配[16]。蛛網(wǎng)拓撲下通信網(wǎng)絡間隔交換機有三個端口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。因此，對這幾個端口故障組合進行分類，1表示故障，0表示正常[17]。端口故障分類如表1所示。

表1 端口故障分類

當交換機1個端口(鏈路)故障時，根據(jù)表2所示的端口分配方法，可以保證鏈路故障后報文的冗余備份通信[18]。如果只有一個端口正常工作，交換機中的冗余分組通過該端口進行傳輸，而無物理鏈路進行冗余傳輸[19]。為了保證數(shù)據(jù)的正常傳輸，交換機只需要通過無故障端口路徑傳輸一組報文。

表2 故障后報文分配

根據(jù)以上對不同轉(zhuǎn)發(fā)端口的分配，對不同故障類型下的端口轉(zhuǎn)發(fā)等價類FEC(Forwarding Equivalence Class)進行分配，如表3所示[20]。

表3 不同故障FEC分配

根據(jù)正常網(wǎng)絡和鏈路故障情況下的FEC分配模式，鏈路故障時改進的通信方式流程如圖4所示。

圖4 鏈路故障改進通信方式工作流程

步驟如下：

(1)對MPLS轉(zhuǎn)發(fā)表和IP路由表進行配置，進行FEC分配；

(2)根據(jù)則初始 FEC 分類對不同的端口進行不同的加標簽的操作；

(3)如果一個報文發(fā)送周期沒有到，根據(jù)不同MPLS轉(zhuǎn)發(fā)表和IP路由表，對不同的數(shù)據(jù)報文進行轉(zhuǎn)發(fā)，如果到一個報文發(fā)送周期，執(zhí)行下一步；

(4)對FEC分類進行更新，并根據(jù)更新后的分類對不同端口的報文進行不同的加MPLS標簽操作；

(5)通過MPLS轉(zhuǎn)發(fā)表和IP路由表進行傳輸。

當出現(xiàn)網(wǎng)絡故障或一個檢測周期到來時，根據(jù)當前不同的端口故障情況，更新初始的FEC分類[21]。根據(jù)當前FEC分類，對端口報文進行MPLS標記。在下一檢測周期和另一故障到來前，根據(jù)該FEC分類，通過不同的路徑實現(xiàn)雙冗余熱備份路徑傳輸。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真參數(shù)

通過分析蛛網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)下不間斷雙冗余熱備份通信方法，通過OPNET仿真軟件搭建網(wǎng)絡模型，對MPLS與不間斷式雙冗余熱備份相結(jié)合的通信方式進行分析，無需建立一個完整的智能變電站通信網(wǎng)絡模型[22]。因此，以三臺間隔的交換機為例，構(gòu)建仿真模型，如圖5所示。通過仿真模型采用改進通信方式對正常網(wǎng)絡和鏈路故障兩種工況進行了仿真。

圖5 蛛網(wǎng)簡化模型

3.2 鏈路正常

基于上述仿真模型，對正常網(wǎng)絡條件下bay2、bay3、bay4的兩端口設備與bay1進行數(shù)據(jù)通信。圖6所示仿真結(jié)果。

如圖6(a)所示為各雙端口設備的端到端延時仿真結(jié)果，如圖6(b)所示為鏈路利用率仿真結(jié)果。改進的通信方式使每條弦向鏈路，如bay2→bay3，均會傳輸來自左側(cè)相鄰端口node_1報文，如bay2→node1。使每條徑向路徑，如bay2→bay1，除了傳輸自身間隔交換機端口node_0報文也傳輸左側(cè)相鄰交換機node_1報文，如bay4→node1，導致弦向鏈路利用率僅為徑向鏈路的1/2。通過正常鏈路的仿真可知，在改進的通信模式下，報文通過兩條不同的路徑進行傳輸。

圖6 網(wǎng)絡性能對比

3.3 鏈路故障

對徑向和弦向故障進行了仿真分析。以徑向鏈路bay2→bay1為例說明。仿真時間10 s時，徑向鏈路故障。為了明確分析鏈路故障情況下改進通信方式對報文通信的影響，對僅具有bay2和bay4的雙端口設備發(fā)送報文進行了仿真分析。

(1)只有bay2和bay4雙端口設備發(fā)送報文，圖7所示每個端口數(shù)據(jù)包的端到端延時，圖8所示每個鏈路的利用率。

根據(jù)以上仿真結(jié)果，當只有bay2和bay4雙端口設備發(fā)送報文時，僅bay2發(fā)送數(shù)據(jù)時，以徑向鏈路bay2→bay1為例說明。仿真時間10 s時故障，如圖8(a)所示，鏈路利用率變成零。因為改進通信方法故障鏈路成為bay2的徑向鏈路。且bay2→node_0報文通過bay2→bay4和bay4→bay1弦向鏈路傳輸，其速率同bay2→bay1相同，因此經(jīng)過交換機數(shù)相同，如圖7(a)所示，在node_1處于正常狀態(tài)時，兩個交換機的延時變?yōu)槿齻€交換機的延時，對報文延時無影響。

圖7 單一間隔數(shù)據(jù)端對端延時

圖8 單一間隔數(shù)據(jù)鏈路利用率

僅bay4發(fā)送數(shù)據(jù)時，由于徑向鏈路故障，從bay4→node_1傳輸報文路徑將不能正常工作。因此，故障后的路徑重新分配將通過bay2→bay3和bay3→bay1進行。如圖8(b)所示為重分配鏈路利用率，故障后的延時為四個交換機的延遲，對bay4→node_0的數(shù)據(jù)包延時無影響。如圖7(b)所示為報文端到端延時。

因此，根據(jù)仿真結(jié)果，改進的通信方式下雙端口設備的數(shù)據(jù)可以在正常網(wǎng)絡條件下通過兩條不同的路徑傳輸。故障時通過重新分配，實現(xiàn)雙冗余熱備份傳輸。

(2)在實際中，考慮到bay交換機下的雙端口設備都在傳輸數(shù)據(jù)，根據(jù)上述仿真模型，在bay2，bay3和bay4雙端口設備報文情況下進行仿真分析。各端口報文的端到端延遲如圖9所示。

圖9 全數(shù)據(jù)間隔端對端延時

在包含bay2、bay3、bay4雙端口設備的情況下，每個鏈路的利用率如圖10所示。

在整個仿真過程中，每個雙端口上接收和發(fā)送數(shù)據(jù)報文數(shù)如圖11所示。

通過對比圖11可知，徑向鏈路在發(fā)生故障前后發(fā)送和接收數(shù)據(jù)報文數(shù)是相同的，改進后的通信方式不僅保證了正常網(wǎng)絡條件下雙余度余熱備份的數(shù)據(jù)傳輸，而且具有故障后鏈路的在分配。仿真結(jié)果表明，改進通信方式可以在徑向鏈路故障后實現(xiàn)不間斷的雙冗余熱備份數(shù)據(jù)傳輸。

圖10 全數(shù)據(jù)間隔鏈路利用率

圖11 全數(shù)據(jù)間隔發(fā)送/接收報文

整個仿真的端到端延時結(jié)果與單個bay下的雙端口仿真結(jié)果不同。原因是由于仿真在單bay下，其它端口流量沒有影響。在整個仿真過程中，端到端延時是流量和交換機數(shù)量共同影響的結(jié)果。

對于弦向鏈路故障，僅bay2、bay4發(fā)送數(shù)據(jù)的情況下，假設故障弦向鏈路為bay2→bay3。端到端延時仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 單一間隔端到端延時

如圖13所示為鏈路利用率的仿真結(jié)果。

仿真結(jié)果表明，根據(jù)圖12(b)和圖13(b)的仿真結(jié)果，在鏈路bay2→bay3故障時，bay4下雙端口設備的報文傳輸不會受到影響，正常傳輸。對于bay2→ node_0，數(shù)據(jù)報文仍通過徑向路徑傳輸。對于bay2 →node_1，將鏈接bay2→bay3和bay1→bay3的更改為bay2→bay4和bay4→bay1。鏈路故障后重新分配，利用率故障時為零，分配新的鏈路后從零變?yōu)檎！ｆ溌啡匀煌ㄟ^三個交換器傳輸數(shù)據(jù)，所以端到端延時保持不變。

仿真結(jié)果表明，改進通信方式可以在鏈路故障后進行鏈路重新分配，進一步加強鏈路故障時的自愈能力。

圖13 單一間隔鏈路利用率

4 結(jié)束語

文中在智能變電站通信網(wǎng)絡的基礎(chǔ)上，提出了MPLS與不間斷雙冗余熱備份相結(jié)合的通信方法，提高了鏈路故障的自愈能力。通過對正常鏈路和故障鏈路進行仿真，驗證了改進通信方法的可靠性。研究結(jié)果表明，改進通信方式在一定程度上提高了鏈路故障時的自愈能力。由于當前實驗室硬件要求和實驗數(shù)據(jù)規(guī)模的原因，智能變電站通信網(wǎng)絡中故障自愈的研究仍處于起步階段。在此基礎(chǔ)上，下一步的工作重點將是逐步改進和完善。