VLAN技术在智能变电站中的应用

【摘 要】以湖北柏泉500kV智能变电站工程为例,介绍VLAN技术在智能变电站过程层网络中的应用,重点阐述智能变电站过程层网络典型组网方案、交换机配置以及交换机VLAN划分.本文可为老站智能化改造或新建智能站网络规划设计提供参考.

【关 键 词 】智能变电站；VLAN；过程层网络；SV；GOOSE

0 引言

IEC61850标准中,智能变电站过程层SV、GOOSE报文均使用多播地址传送.默认情况下,交换机将收到的多播报文全网广播,这将造成装置收到大量与自身无关的报文,尤其是网络中有采样值报文时,往往容易造成装置CPU过载、链路中断等现象.因此,需要对多播报文进行过滤,从大量的网络报文中筛选出装置需要的报文.

目前,过程层网络常用的多播报文过滤技术有静态多播地址表、GMRP（GARP多播注册协议）和VLAN.本文将重点阐述VLAN技术在过程层网络中的工程应用.

1.VLAN技术概述

VLAN（Virtual Local Area Network）又称虚拟局域网,是一种将局域网（LAN）内的设备从逻辑上划分成一个个网段,从而实现虚拟工作组的技术,即在不改变物理连接的条件下,对网络做逻辑分组[1].它是根据IEEE 802.1Q标准,把一个物理上的局域网划分为多个逻辑上的局域网,每个虚拟局域网就是一个独立的广播域.同一个VLAN内的装置采用传统的以太网通信方式进行报文的交互,而不同VLAN内的装置之间在逻辑上相互隔离.

VLAN的工作原理是在以太网帧内增加VLAN头信息,用VLAN ID将网络划分为更小的工作组,限制不同工作组之间的二层访问,网络中的信息通过报文中的VLAN标识符来决定在哪个VLAN内传播.二层交换机收到带有VID标签的报文后,只将该报文转发到属于该VLAN的端口,并不是所有的交换机端口,从而有效的限制报文的广播范围.IEEE 802.1Q协议规定,具有优先级标记的以太网帧在目的MAC地址和源MAC地址之后定义4个字节的VLAN标签,用于标识VLAN的有关信息,前两个字节固定为0x8100,后两个字节的前3位用于标记0～7共8种不同的优先级,最后的12位是VID标识符,标识以太网帧属于哪个VLAN[2],其格式如图1所示.

图1 IEEE 802.1Q定义的VLAN标签格式

VLAN的划分方式有基于端口、基于IP地址、基于MAC地址等多种方式.采用VLAN技术后,可将交换机的某些端口划分到一个VLAN中,同一个VLAN内的成员可以互相通信,且一个VLAN的广播风暴不会影响其它VLAN的性能,从而有效控制网络的广播风暴.

2.工程应用

2.1 工程概况

湖北柏泉500kV智能变电站一期工程包括1200MVA变压器2组,500kV出线2回,220kV出线7回,66kV电容器、电抗器各4组.变电站采用常规电磁式电流、电压互感器,通过智能控制柜内的合并单元与智能终端实现就地数字化.保护装置直接采样,直接跳闸,保护之间的联闭锁信息、失灵启动等信息采用网络传输方式[3].

2.2 网络结构

柏泉智能变电站分为三层：站控层、间隔层、过程层.连接站控层与间隔层的网络称为站控层网络,通过MMS报文实现站控层设备和间隔层设备之间的通信；连接过程层与间隔层的网络称为过程层网络,过程层智能装置通过GOOS、SV报文与间隔层设备通信,是典型的“三层两网”结构.根据继电保护对网络的要求,站控层网络和过程层网络均采用星形拓扑结构,网络结构简单清晰,任意两个智能装置之间最多不超过4台交换机,延时较小,有效避免网络风暴的发生,即能满足站控层可靠性的要求,还可以满足过程层跨间隔信号的实时性[4].

2.3 过程层网络流量计算

SV报文流量计算：

以9-2格式的SV报文为例,某个线路间隔合并单元发送的ASDU数据集共有20个模拟量通道,发送频率为4000Hz,每帧一个采样点,典型的报文长度为224个字节,其流量等于224*8*4000等于7.168 （Mbit/s）.

GOOSE报文流量计算：

GOOSE采用心跳报文和变位报文快速重发相结合的发送机制,在GOOSE数据集中的数据无变位的情况下,心跳报文发送间隔时间一般设为5秒（T0等于5S）.检测设单个智能设备GOOSE报文的长度为250字节,其流量等于250*8/5等于400（bit/s）,可见GOOSE报文流量远远小于SV报文流量.

2.4 VLAN划分思路

智能变电站过程层网络SV报文数据量巨大、流量固定；而GOOSE报文实时性要求高,对网络带宽占用少.根据SV/GOOSE报文流量的特点,将全站过程层网络划分为：500kV GOOSE A网、B网、500kV SV A网、B网、220kV/66kV过程层A网、B网.其中500kV电压等级交换机按串配置,GOOSE网络与SV网络分别组网,220kV电压等级则按间隔配置交换机,GOOSE、SV共网传输,66kV不单独组网,其过程层网络并入220kV网络.GOOSE网络按电压等级划分为一个VLAN,默认VID等于1,SV按合并单元依次划分为单独的VLAN,VID号全站唯一.

2.5 VLAN划分实例

柏泉500kV智能变电站采用基于端口的VLAN划分原则,交换机通过报文中的VLAN Tag标签来识别不同VLAN的报文.现以220kV过程层A网中心交换机为例,详细介绍VLAN的划分和交换机的配置.

220kV部分过程层SV、GOOS报文共网传输,保护装置直采直跳,线路保护与母线保护之间的失灵启动、启动远跳等信息采用网络传输方式；交流采样信息经线路合并单元同步处理后,以点对点方式发送给保护装置,以网络方式发送给测控装置、故障录波器、网络分析仪等.网络连接示意图如图2所示. 图2 220kV过程层中心交换机连接示意图

需要注意的是,北京四方公司的智能终端在接收GOOSE报文时,约定先判断报文中的VID值是否与自身发送GOOSE报文的VID值一致,只有VID值相等才接收处理该GOOSE报文,否则丢弃该报文.由于各厂家装置发送的GOOSE报文默认情况下VID等于0,而交换机端口在向外转发报文时无法带上VID等于0的标签（交换机端口属性设置为Untagged）.因此,VLAN的划分方案是将GOOSE网络划分为VLAN2,智能终端发送的GOOSE报文自带VID等于2标签,交换机转发给智能终端的GOOSE报文也带VID等于2标签,保证智能终端收发GOOSE报文正常.其它厂家装置发送的GOOSE报文保持自带VID等于0的标签,统一由交换机端口在接收GOOSE报文时打上VID等于2标签,再转发给交换机其它端口；交换机端口转发GOOSE报文给其它厂家装置时,需要脱掉VID标签,因为其他智能装置接收GOOSE报文不需要判断VID标签.因此,GOOSE网络划分在VLAN2中,SV网络则按每一个合并单元单独划分一个VLAN,VID号保持全站唯一.根据装置间的连接需要,利用交换机的VLAN功能来控制GOOSE、SV报文流向,以满足工程需求.中心交换机的详细配置信息如表1所示.

由于该网络层合并单元装置较多,网络层所有交换机的备用端口都屏蔽了SV报文,防止今后启用备用端口时因过多的SV报文而导致交换机与其它装置通迅中断.

3.结语

随着智能变电站建设步伐的加快,投运的智能变电站越来越多,过程层网络多种组网方案得到了深入的应用和探讨.本文以湖北柏泉500kV智能变电站工程应用为例,阐述了VLAN技术在过程层网络中的应用.目前,该站运行将近一年,运行状况良好,网络流量分配合理,进一步说明本文所述组网方案及VLAN划分方式是有效可行的.

【参考文献】

[1]黄锡伟.虚拟局域网[M].北京：清华大学出版社,2004.

[2]冯军.智能变电站原理及测试技术[M].北京：中国电力出版社,2011.

[3]国家电网公司企业标准（Q/GDW 441-2010） .智能变电站继电保护技术规范[S].

[4]高翔.智能变电站技术[M].北京：中国电力出版社,2012.

[责任编辑：汤静]