VLAN技術(shù)的特點(diǎn)及在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用

參照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通信體系要求，通過對(duì)單間隔傳輸流量的計(jì)算，給出了用VLAN技術(shù)解決過程層數(shù)據(jù)流量的技術(shù)方案，并從VLAN技術(shù)作用、定義方式、802.1p協(xié)議、劃分原則等方面深入探討VLAN技術(shù)在智能化變電站組網(wǎng)中的應(yīng)用。

虛擬局域網(wǎng)VLAN(Virtual LocalArea Networ)技術(shù)充分體現(xiàn)了現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要特征：高速、靈活、管理簡(jiǎn)便和擴(kuò)展容易。是否具有VLAN功能是衡量局域網(wǎng)交換機(jī)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)的虛擬化也是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的潮流。VLAN技術(shù)是通過將局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備邏輯地劃分成不同網(wǎng)段，從而實(shí)現(xiàn)組建虛擬工作組的技術(shù)，達(dá)到減少碰撞和廣播風(fēng)暴、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性，并為802.1p協(xié)議的實(shí)現(xiàn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，提供了實(shí)現(xiàn)手段。

交換機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)著絕對(duì)的位置，所以從某種意義上來說，交換機(jī)的性能與成本決定了網(wǎng)絡(luò)的性能與成本。目前10/100M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)是市場(chǎng)的主流，1000M網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)由于成本原因沒有得到大面積推廣。智能化變電站過程層網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)總量十分可觀，但大部份信息數(shù)據(jù)不需要橫向流通，在過程層網(wǎng)絡(luò)中采用VLAN組網(wǎng)技術(shù)，為100M以太網(wǎng)交換機(jī)在智能化變電站組網(wǎng)中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)，既降低了組網(wǎng)成本，又滿足了網(wǎng)絡(luò)安全、可靠性。

1 數(shù)字化變電站的通信要求

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)把變電站自動(dòng)化系統(tǒng)從功能邏輯上分配為三層(站層、間隔層、過程層)。這些層及邏輯接口的邏輯關(guān)系如圖1所示。

根據(jù)IEC61850-7-1標(biāo)準(zhǔn)，過程層和間隔層采用IEC61850-9-1/2協(xié)議和GOOSE協(xié)議通信，間隔層裝置和站控層采用IEC61850-8-1(MMS)通信。IEC61850-9-1采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳送方式，只需考慮傳送介質(zhì)的帶寬和接受方CPU處理數(shù)據(jù)的能力，而不用擔(dān)心數(shù)據(jù)流量對(duì)于其他間隔設(shè)備傳輸?shù)挠绊?，因?yàn)樗]有通過網(wǎng)絡(luò)與其他間隔共享網(wǎng)絡(luò)帶寬，所以不需要交換機(jī)。這種方式簡(jiǎn)單可靠，但光纖連線繁雜，無法在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)跨間隔保護(hù)，安裝方式不靈活。而IEC61850-9-2方式將合并器采樣數(shù)據(jù)信號(hào)以光纖方式接入過程層網(wǎng)絡(luò)，間隔層保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量等設(shè)備不再與合并器直接相連，通過過程層網(wǎng)絡(luò)獲取信息數(shù)據(jù)，從而達(dá)到采樣信號(hào)的信息共享。通過在交換網(wǎng)絡(luò)中采用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級(jí)技術(shù)、VLAN技術(shù)、組播技術(shù)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有效的防止采樣值傳輸流量、速度對(duì)過程層網(wǎng)絡(luò)地影響，保證過程層數(shù)據(jù)在100M以太網(wǎng)上安全、高效、有序傳輸。

IEC61850-3部分定義了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)(SAS)站內(nèi)智能電子設(shè)備(IED)之間的通信及相關(guān)系統(tǒng)要求，對(duì)站內(nèi)設(shè)備監(jiān)視、配置和控制的通信系統(tǒng)的可靠性、可用性、可維護(hù)性、安全性、數(shù)據(jù)完整性等性能提出了要求。為了滿足這些要求，設(shè)備間通訊依靠基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的100-Mbit/s光纖以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，過程層設(shè)備通過過程級(jí)總線互聯(lián)，間隔層設(shè)備通過站級(jí)總線互聯(lián)。

網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)要求具備以下管理功能：

可靠性符合IEC61850-3標(biāo)準(zhǔn)

交換機(jī)支持多環(huán)組網(wǎng)方案

高速eRSTP環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)，每臺(tái)交換機(jī)的恢復(fù)時(shí)間<5ms

Zero-Packet-Loss零丟包技術(shù)

寬溫度范圍

超強(qiáng)的抗電磁干擾能力

MTBF長(zhǎng)，保證了高可用性

支持802.1QVLANs

支持802.1p協(xié)議

2 單間隔傳輸流量計(jì)算和VLAN解決方案

2.1 傳輸流量計(jì)算

因?yàn)椴煌g隔間需要共享部分信息，而不是全部信息，因此將全站過程層交換機(jī)經(jīng)過主干交換機(jī)進(jìn)行星型模式級(jí)聯(lián)，如圖2所示。如果不對(duì)間隔層交換機(jī)流出數(shù)據(jù)進(jìn)行流量控制，主干網(wǎng)交換機(jī)很容易流入流量超負(fù)荷的情況，使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生阻塞甚至癱瘓。我們對(duì)單個(gè)間隔的SMV數(shù)據(jù)流量及GOOSE數(shù)據(jù)流量進(jìn)行理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)試，結(jié)果基本一致。

IEC61850-9-2工程中實(shí)際最大報(bào)文長(zhǎng)度(SVLD為變長(zhǎng)量)，單間隔SMV理論計(jì)算流量：按照每幀1點(diǎn)(12個(gè)模擬量通道)計(jì)算，一個(gè)合并器每秒種的數(shù)據(jù)流量：

S=159字節(jié)×8bit/字節(jié)×50周波/s×80點(diǎn)/周波=5.088Mbit/s;

單間隔實(shí)際測(cè)試SMV流量和理論計(jì)算數(shù)據(jù)相當(dāng)。

GOOSE工程中實(shí)際最大報(bào)文長(zhǎng)度：

按照T0=10s計(jì)算，一個(gè)智能設(shè)備每秒種的數(shù)據(jù)流量：

S=6016字節(jié)×8bit/字節(jié)×(1s/10)幀=0.048Mbit/s;

交換機(jī)數(shù)據(jù)吞吐總量由流入交換機(jī)的數(shù)據(jù)決定，理論上流入數(shù)據(jù)都可以正確流出，只是數(shù)據(jù)流量的大小決定了網(wǎng)絡(luò)(延時(shí))性能。主干網(wǎng)交換機(jī)上流入的數(shù)據(jù)主要是跨間隔保護(hù)需要的數(shù)據(jù)，如失靈保護(hù)、母線保護(hù)等需要的數(shù)據(jù)。按照單位間隔估算，如SMV數(shù)據(jù)中的保護(hù)電流、GOOSE數(shù)據(jù)等。由于GOOSE信息流量和SMV相比可以忽略不計(jì)，所以流入主干網(wǎng)交換機(jī)的數(shù)據(jù)相當(dāng)于間隔交換機(jī)的三分之一，按照理論計(jì)算數(shù)據(jù)為1.6Mbit/s。所以主干網(wǎng)交換機(jī)除了在交換口數(shù)量上要滿足工程選型外，對(duì)于一般規(guī)模的智能化變電站都可以滿足容量的要求。

2.2 VLAN解決方案

上述已經(jīng)明確了網(wǎng)絡(luò)上需要橫向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并不是全部數(shù)據(jù)，而是跨間隔保護(hù)或者其它設(shè)備需要的一部分，所以必須采用VLAN方案，即802.1p協(xié)議使其橫向通過需要的數(shù)據(jù)，不需要共享和跨間隔利用的數(shù)據(jù)就在本間隔縱向流通即可。其次數(shù)據(jù)流通需要優(yōu)先級(jí)區(qū)分，IEC61850規(guī)范對(duì)變電站內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的劃分，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信息的不同需求和要求，給予不同的報(bào)文不同的優(yōu)先級(jí)。

2.2.1 VLAN劃分的幾種模式

基于端口的VLAN

基于MAC地址的VLAN

基于路由的VLAN

基于策略的VLAN

基于端口的VLAN劃分模式是最簡(jiǎn)單、有效的方法，在智能化變電站網(wǎng)絡(luò)中得到了充分有效的應(yīng)用?；诙丝诘腣LAN模式是從邏輯上把交換機(jī)按照端口劃分成不同的虛擬局域網(wǎng)絡(luò)，使其在所需用的局域網(wǎng)絡(luò)上流通。

2.2.2 過程層網(wǎng)絡(luò)VLAN劃分原則

對(duì)于采樣值的處理：

電流合并器和其對(duì)應(yīng)的裝置應(yīng)該劃分到一個(gè)VLAN，且全站唯一;電流合并器應(yīng)和其所在母線上的全部需要電壓的裝置劃分為一個(gè)VLAN且全站唯一。

GOOSE信息的處理：

采用IEC61850-9-2方式，對(duì)全站GOOSE信息統(tǒng)一分配一個(gè)VLAN，且全站唯一。當(dāng)采用IEC61950-9-2方式時(shí)，考慮到和采樣值相比較，GOOSE的信息量非常少，不對(duì)其劃分VLAN也不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能造成太大影響。

對(duì)時(shí)報(bào)文處理：

統(tǒng)一分配一個(gè)VLAN，默認(rèn)為VLAN1。

2.2.3 過程層網(wǎng)絡(luò)VLAN劃分方法

按照間隔劃分VLAN，是過程組網(wǎng)的基本原則，每個(gè)間隔劃成一個(gè)VLAN。如110kV線路間隔、110kV分段間隔、110kVPT測(cè)控間隔、主變間隔、10kV線路間隔、10kV分段間隔、10kVPT測(cè)控間隔、電容器間隔、電抗器間隔、所用變間隔等。如果10kV線路的間隔比較多(例如50多個(gè))，而所用交換機(jī)支持的最大VLAN個(gè)數(shù)又比較有限(如RUGGEDCOM型號(hào)交換機(jī)支持64個(gè)VLAN)，可以一段母線或者多條線路間隔劃為1個(gè)VLAN，以滿足交換機(jī)的本身參數(shù)要求。如圖3所示，某變電站的VLAN示意圖。

2.2.4 線路間隔解決方案

3 結(jié)論

本文通過對(duì)VLAN技術(shù)的說明以及數(shù)字化變電站系統(tǒng)和站內(nèi)智能電子設(shè)備IED通信及相關(guān)的系統(tǒng)要求，系統(tǒng)地論述了VLAN技術(shù)在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用情況。經(jīng)過數(shù)字化變電站實(shí)際運(yùn)行，采用IEC61850-9-2規(guī)約和VLAN方案配置，具有光纖連線簡(jiǎn)潔，便于實(shí)現(xiàn)跨間隔保護(hù)，安裝方式靈活，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，其通信可靠性，簡(jiǎn)單性、安全性、數(shù)據(jù)完整性以及其他性能要求均完全符合IEC61850的要求。