黄维芳1 董辉波2 叶睆1 赵曼勇1 文安1 魏承志1
（1.南方电网电力调度通信中心 广东省广州市 510623；2.南京南瑞继保电气有限公司 江苏省南京市 211111）
摘要：在智能变电站中全网络架构代替了传统的二次电缆，为了减少投资和交换机数量，大量采用SV和GOOSE共网模式。工程现场为减轻网络负责，减少无用GOOSE报文对智能IED设备的影响，多采用划分VLAN的方式来解决。本文分析了典型500kV智能站过程层网络单纯采用VLAN技术划分虚拟局域网的缺陷，提出了VLAN与静态组播相结合的局域网划分方案，并搭建模拟变电站网络进行了验证，测试结果证明了该方案的有效性和优势，既符合工程现场对交换机划分工作量的要求，又符合过程层网络需求。
关键词：智能变电站；VLAN；静态组播；过程层网络；交换机
引言
在智能变电站中光纤链路代替了传统的二次电缆，使得大量数据在网络上传输，各种先进的网络通信技术应用于智能变电站[1]。智能变电站内过程层网络担负着模拟量、开关量采集、保护跳闸、启失灵等各个方面的重要任务，其重要性远远超过传统综合自动化变电站。目前保护和测控使用的SV采样频率为每秒4000点，SV信息量是非常庞大的；GOOSE在正常情况下网络流量虽小，但有跳闸等突发情况时，其瞬时流量变化不可忽视[2]。为了限制网络上SV、GOOSE信息的任意传播对交换机网络带来的压力，智能变电站内普遍对过程层交换机划分VLAN或采取组播注册，来达到限制网络流量的目的。
本文针对500kV智能变电站普遍采用VLAN技术划分虚拟局域网的方案，阐述了单纯采用VLAN技术的不足，提出了结合静态组播技术划分虚拟局域网的方案，可作为变电站过程层交换机局域网划分的良好借鉴。
1智能站过程层网络架构和局域网划分
依据智能化变电站的统计资料，现有变电站应用过程层组网主要有以下两种：
（1）SV和GOOSE单独组网模式。
（2）SV和GOOSE共网模式[3]，这是目前最为常见的组网方式，共网模式节省了交换机数量，但带了一个问题是在划分虚拟局域网时需同时考虑SV数据和GOOSE数据网络的隔离。下文针对某智能变电站共网模式下虚拟局域网的划分进行分析。
1.1500kV过程层网络的逻辑分区
智能变电站500kV过程层网络交换机通常采用按串配置，采用VLAN划分虚拟局域网时按串分组的方式划分，结果如图1（双重化配置时分为A、B网，以A网为例）。
1.2过程层的VLAN配置
（1）由于SV和GOOSE共网，为了严格限制SV数据的流向，工程上倾向于在SV数据出合并单元时候带VLAN标签。
（2）为简化GOOSE的VLAN划分工作，GOOSE报文出装置时不带标签，而由交换机完成打标签工作。交换机配置PVID，进入交换机的报文如果不带标签，则交换机端口PVID决定其在交换机内传输的默认VLAN。
（3）支持802.1Q VLAN功能的交换机每个端口只有一个PVID，但每个端口可以属于多个VLAN，每个VLAN包含多个端口，并支持交叉VLAN的设置[4]。根据本站的组网方式和VLAN的工作原理，划分结果如表1、表2。
表1 交换机VLAN配置（第一串）
2单纯VLAN划分方案缺陷的分析
（1）在智能化变电站，一个智能设备的数据是按照多个数据集的方式发出的，且每个数据集的最终流向并不相同，例如智能终端发出的数据至少包含三组：第一组为保护数据集；第二组为普通遥信数据集；第三组为模拟量数据集。三组数据中，第一组是流向保护装置的，第二、第三组只需流向测控，但上述基于端口的VLAN划分并不能精确控制各个数据集的流向，导致保护装置会收到无用的数据。
另一方面，I母侧断路器保护及相关设备同属I母VLAN区，基于端口的VLAN划分将会导致其它串断路器及相关设备的GOOSE数据经中心交换机进入第一串交换机，最终会进入并不需要这些数据的5011断路器保护及相关设备。在串数比较多时这种影响是成倍增长的，甚至流入保护设备的有效数据占比连10%都不到，不仅给设备带来数据处理压力，也给网络管理也造成困扰。
（2）VLAN技术因为不涉及设备本身，只需对交换机进行配置即可，所以是目前数字化变电站中应用最广的报文过滤技术。但是，该方式对交换机的配置较为繁琐，增加了现场施工的复杂性，一旦网络结构有调整就必须重新划分VLAN，势必增加工作量[5]。
（3）网络分析仪属于多端口设备，有多个接口连在不同的交换机上，单一的VLAN划分很难做到将数据完美隔离，经常存在同一数据帧经不同交换机端口进入网络分析仪，导致网分报数据重复。
依据以上分析，对于一个大规模的变电站，GOOSE的应用配置可能会很多，如果要完全隔离无用报文，必须设置大量的VLAN。这将导致交换机的配置异常复杂，而且极易出错，也可能有的交换机并不支持数量庞大的VLAN配置[6]，并且要现场施工人员完全掌握如此复杂配置也是十分困难的。
3 结合静态组播技术后局域网划分方案
3.1静态组播管理
通过手动配置交换机组播表的方式实现特定MAC地址的组播帧向配置端口进行转发，通过该方式在交换机内添加完静态组播表后，适合过程层应用的交换机应支持通过内部控制字决定哪些端口开放静态组播功能，并且可设置未添加到组播表中的组播的处理方式，可根据需要选择丢弃或转发。
通过对VLAN和静态组播管理的分析，采用VLAN和静态组播方式都具有很高的可靠性和稳定性，并且结果是可控的，同时静态组播方式具有未配置组播过滤功能和配置清晰的特点，符合现阶段过程层网络的需求[7]。
3.2结合静态组播的网络划分优化方案
静态组播虽然配置和理解起来都较为简单，但全部采用静态组播来划分网络的工作量是很大的，因此本文提出VLAN和静态组播相结合的方式来划分网络，在上文VLAN划分的基础上，在级联端口增加静态组播设置。
（1）根据专业工具分析SCD文件，确定交换机中哪些组播地址的报文是需要通过级联端口的，哪些只需要在交换机内转发。
（2）根据分析结果在级联端口建立静态组播表，并对交换机进行配置。
配置后，经搭建测试平台（共两个完整串）验证，第一串交换机和中心交换机级联端口网络数据流量大幅度减少。从第一串交换机流入中心交换机的数据，配置后减少约85%，从中心交换机流入第一串交换机的数据，配置后减少约90%。该方案对于减轻网络压力是非常有效果的。
4结语
基于端口的VLAN和静态组播管理有较好的可靠性和可控性，二者都可以有效隔离GOOSE报文的泛滥，减轻网络负责，有效减少无用报文对智能IED设备带来的影响。单纯使用端口VLAN技术难以完全隔离无用报文，本文提出与静态组播相结合的方法，即可以有效减少无用GOOSE报文在交换机间的流动，符合过程层网络需求，又避免了单独采用静态组播技术时的大量配置工作，符合工程现场实际。
参考文献：
[1]丁腾波，林亚男，赵萌.智能变电站虚拟局域网逻辑结构划分方案的研究[J].电力系统保护与控制，2012，40（1）：115-119
[2]高吉普，徐长宝，戴宇，吴杰，张道农.交换机端口安全策略在智能变电站中的应用研究[J].电力系统保护与控制，2014，42（13）：117-122
[3]魏勇，罗丝需，施迪，梁小刚，李俊刚，崔全胜.基于IEC61850-9-2及GOOSE共网传输的数字化变电站技术 应用与分析[J].电力系统保护与控制，2010，38（24）：146-152
[4]杨贵，王兆强，王文龙，刘明慧，周旭峰.智能变电站过程层交换机关键技术探讨[J].电气技术，2012（1）：51-55
[5]樊 陈，倪益民，窦仁辉，沈 健，高春雷，黄国方.智能变电站过程层组网方案分析.电力系统自动化，2011，35（18）：67-71
[6]王松，黄晓明.GOOSE报文过滤方法的研究[J].电力系统自动化，2008，32（19）：54-57
[7]刘明慧，赵晓东，司梦，胡绍谦，杨贵，周旭峰.智能变电站过程层网络流量管理方式研究与应用[J].电力系统保护与控制，2012，40（23）：87-92
作者简介：
黄维芳（1986-），男，硕士，工程师，主要从事电力系统继电保护自动化方面的生产运行与研究工作；
董辉波（1982-），男，本科，助理工程师，主要从事电力系统保护与自动化方面的研究工作；
叶睆（1981-），男，硕士，高级工程师，主要从事电力系统继电保护自动化应用与运行管理工作；
赵曼勇（1957-），女，教授级高级工程师，主要从事继电保护生产运行管理及研究；
文安（1965-），男，博士，高级技术专家，主要从事电网控制保护和柔性直流输电等方面的研究工作；
魏承志（1984-），男，硕士，工程师，主要从事直流输电技术、电能质量分析与控制等方面的研究工作。
论文作者:黄维芳1,董辉波2,叶睆1,赵曼勇1,文安1,魏承
论文发表刊物:《电力设备》2015年4期供稿
论文发表时间:2015/12/4
标签：交换机论文; 变电站论文; 组播论文; 静态论文; 数据论文; 网络论文; 报文论文; 《电力设备》2015年4期供稿论文;