VLAN技術在智能化變電站網絡中的應用探討
加入技術交流群
內容摘要：參照IEC61850標準通信體系要求，通過對單間隔傳輸流量的計算，給出了用VLAN技術解決過程層數據流量的技術方案，并從VLAN技術作用、定義方式、802.1p協議、劃分原則等方面深入探討VLAN技術在智能化變電站組網中的應用。
虛擬局域網VLAN(Virtual LocalArea Networ)技術充分體現了現代網絡技術的重要特征：高速、靈活、管理簡便和擴展容易。是否具有VLAN功能是衡量局域網交換機的一項重要指標，網絡的虛擬化也是未來網絡發展的潮流。VLAN技術是通過將局域網內的設備邏輯地劃分成不同網段，從而實現組建虛擬工作組的技術，達到減少碰撞和廣播風暴、增強網絡安全性，并為802.1p協議的實現奠定了技術基礎，提供了實現手段。
交換機在網絡中占據著絕對的位置，所以從某種意義上來說，交換機的性能與成本決定了網絡的性能與成本。目前10/100M自適應網絡交換機是市場的主流，1000M網絡交換機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絡信息數據總量十分可觀，但大部份信息數據不需要橫向流通，在過程層網絡中采用VLAN組網技術，為100M以太網交換機在智能化變電站組網中的應用奠定了理論基礎，既降低了組網成本，又滿足了網絡安全、可靠性。
1 數字化變電站的通信要求
IEC61850標準把變電站自動化系統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系如圖1所示。
根據IEC61850-7-1標準，過程層和間隔層采用IEC61850-9-1/2協議和GOOSE協議通信，間隔層裝置和站控層采用IEC61850-8-1(MMS)通信。IEC61850-9-1采用點對點傳送方式，只需考慮傳送介質的帶寬和接受方CPU處理數據的能力，而不用擔心數據流量對于其他間隔設備傳輸的影響，因為它并沒有通過網絡與其他間隔共享網絡帶寬，所以不需要交換機。這種方式簡單可靠，但光纖連線繁雜，無法在標準范圍內實現跨間隔保護，安裝方式不靈活。而IEC61850-9-2方式將合并器采樣數據信號以光纖方式接入過程層網絡，間隔層保護、測控、計量等設備不再與合并器直接相連，通過過程層網絡獲取信息數據，從而達到采樣信號的信息共享。通過在交換網絡中采用網絡優先級技術、VLAN技術、組播技術等網絡技術有效的防止采樣值傳輸流量、速度對過程層網絡地影響，保證過程層數據在100M以太網上安全、高效、有序傳輸。
IEC61850-3部分定義了變電站自動化系統(SAS)站內智能電子設備(IED)之間的通信及相關系統要求，對站內設備監視、配置和控制的通信系統的可靠性、可用性、可維護性、安全性、數據完整性等性能提出了要求。為了滿足這些要求，設備間通訊依靠基于IEC61850標準的100-Mbit/s光纖以太網實現，過程層設備通過過程級總線互聯，間隔層設備通過站級總線互聯。
網絡交換機要求具備以下管理功能：
可靠性符合IEC61850-3標準
交換機支持多環組網方案
高速eRSTP環網冗余技術，每臺交換機的恢復時間5ms
Zero-Packet-Loss零丟包技術
寬溫度范圍
超強的抗電磁干擾能力
MTBF長，保證了高可用性
支持802.1QVLANs
支持802.1p協議
2 單間隔傳輸流量計算和VLAN解決方案
2.1 傳輸流量計算
因為不同間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經過主干交換機進行星型模式級聯，如圖2所示。如果不對間隔層交換機流出數據進行流量控制，主干網交換機很容易流入流量超負荷的情況，使網絡產生阻塞甚至癱瘓。我們對單個間隔的SMV數據流量及GOOSE數據流量進行理論計算和實際測試，結果基本一致。
IEC61850-9-2工程中實際最大報文長度(SVLD為變長量)，單間隔SMV理論計算流量：按照每幀1點(12個模擬量通道)計算，一個合并器每秒種的數據流量：
S=159字節×8bit/字節×50周波/s×80點/周波=5.088Mbit/s;
單間隔實際測試SMV流量和理論計算數據相當。
GOOSE工程中實際最大報文長度：
按照T0=10s計算，一個智能設備每秒種的數據流量：
S=6016字節×8bit/字節×(1s/10)幀=0.048Mbit/s;
交換機數據吞吐總量由流入交換機的數據決定，理論上流入數據都可以正確流出，只是數據流量的大小決定了網絡(延時)性能。主干網交換機上流入的數據主要是跨間隔保護需要的數據，如失靈保護、母線保護等需要的數據。按照單位間隔估算，如SMV數據中的保護電流、GOOSE數據等。由于GOOSE信息流量和SMV相比可以忽略不計，所以流入主干網交換機的數據相當于間隔交換機的三分之一，按照理論計算數據為1.6Mbit/s。所以主干網交換機除了在交換口數量上要滿足工程選型外，對于一般規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
上述已經明確了網絡上需要橫向傳輸的數據并不是全部數據，而是跨間隔保護或者其它設備需要的一部分，所以必須采用VLAN方案，即802.1p協議使其橫向通過需要的數據，不需要共享和跨間隔利用的數據就在本間隔縱向流通即可。其次數據流通需要優先級區分，IEC61850規范對變電站內的網絡上的數據進行了詳細的劃分，根據網絡信息的不同需求和要求，給予不同的報文不同的優先級。
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劃分模式是最簡單、有效的方法，在智能化變電站網絡中得到了充分有效的應用。基于端口的VLAN模式是從邏輯上把交換機按照端口劃分成不同的虛擬局域網絡，使其在所需用的局域網絡上流通。
2.2.2 過程層網絡VLAN劃分原則
對于采樣值的處理：
電流合并器和其對應的裝置應該劃分到一個VLAN，且全站唯一;電流合并器應和其所在母線上的全部需要電壓的裝置劃分為一個VLAN且全站唯一。
GOOSE信息的處理：
采用IEC61850-9-2方式，對全站GOOSE信息統一分配一個VLAN，且全站唯一。當采用IEC61950-9-2方式時，考慮到和采樣值相比較，GOOSE的信息量非常少，不對其劃分VLAN也不會對網絡性能造成太大影響。
對時報文處理：
統一分配一個VLAN，默認為VLAN1。
評論