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智能变电站自动化网络及交换机优化方案研究裴兴

发表时间：2020/5/8 来源：《电力设备》2020年第2期作者：裴兴李波

[导读] 摘要：为了增加电网系统的灵活性和稳定性，我们必须对过程层的流量进行限制，那么就必须对过程层网络VLAN进行合理划分，具体的划分原则如下：依照合并单元格、智能单元格、保护、测控之间的逻辑关系。

        （国家电网保定供电分公司河北保定 071000）
        摘要：为了增加电网系统的灵活性和稳定性，我们必须对过程层的流量进行限制，那么就必须对过程层网络VLAN进行合理划分，具体的划分原则如下：依照合并单元格、智能单元格、保护、测控之间的逻辑关系。依照电网中线路之间的逻辑关系。线路间隔与母线和主变压器之间的逻辑关系。VLAN划分应该从长远出发满足远期的扩容要求。
        关键词：智能变电站、自动化网络、交换机、优化方案、研究
        1网络交换机信息模型概述
        智能变电站网络，尤其是通信网络，所承载的是保护跳闸、采样值等信号，在网络交换机应用基础上实现信息数据的可靠传输。变电站网络交换机信息模型构建，是实施智能化管理的基础和前提条件。根据OSI网络模型，交换机包括二层和三层交换机两种。其中，二层交换机为数据链路层上的设备，依据报文地址（MAC）查找相应的端口，然后存储、转发报文。实践中可以看到，因其交换速度非常快而广泛应用于变电站（智能）的站控层、过程层网络。第一，QOS（服务标识）。在以太网的包头中加上优先级，按权重或者流量分配，优先转发GOOSE报文。第二，VLAN（虚拟局域网）、多播过滤。端口、协议和MAC基础上的VLAN，静态组播以及GMRP或者IGMPsnooping。协议基础上的动态组播，通过划分通信区域，安全隔离。第三，RSTP（快速生成树协议）。智能变电站通信环形网络，基于RSTP，可缩短交换机的恢复时间，一般可控制在50ms范围之内。第四，PTP（精确同步协议）。过程层在利用诸如IEEE1588等类型的网络时，对方交换机必须支持同步协议，并且支持P2P、E2E时钟技术。第五，TRUNK（多链路聚合）。逻辑上，支持多条独立链路，作为独立链路应用，开启链路聚合功能以后不会丢失数据。第六，网管协议（SNMPV2/V3）。该协议支持端口实时监控，统计流量数据；同时，还提供端口位置断线告警、异常告警，并做好日志以及自检报告。在研究过程中，对交换机按协议（IEC61850）统一建模，并且将交换机纳入全站监控系统之中，从而实现互操作、无缝连接。
        2智能变电站交换机的应用
        交换机技术在智能变电站中的占据重要地位，可以说没有交换机的使用，就无法实现智能变电站的信息传输，更不用说实现智能变电站智能化。目前我国的交换机技术在智能变电站中的应用相对成熟，交换机技术的应用极大的推进了我国的智能变电站的发展。在目前的智能变电站中交换机的使用中，使用最多的是100兆工业以太网交换机，这种交换机的特点就是端口较多，有16端口或者是24端口。使用这种交换机时，MMS传输对延时要求不是非常的高，GOOSE报文即使对延时有一定要求，但是通过对设置GOOSE报文优先通过可以很好的解决延时问题。最值得关注的是SMV网，它的报文数量是庞大的，通常在使用百兆交换节进行传输时很有可能导致通道拥挤或者爆满的情况。百兆交换机所构成的网络，将数据传输给十几台电脑的信息，在实际的应用过程中是不能满足宽带和延时要求的。因此在实际的应用过程中，需要采用特殊的方法来满足智能变电站对网络的需求。在实际应用过程中，我们通常以下几种措施来完成目标：一是更换更大的交换机，使用千兆端口的交换机来组成变电站网络，把千兆端口用做级联端口来进行组网，这样便增加了各个交换机之间的报文传输的带宽。二是将测控保护装置以及相应的合并单元整合到一台交换机上，在将数据传输到SMV网中。三是还可以通过降低交换机的联级次数来达到目的，这样便减少交换机在传输报文时发生延时的情况。
        3智能变电站对交换机的功能要求
        3.1冗余技术
        交换机的标准网络中对冗余技术的要求主要是IEEE802.1D生成树STP协议，g该协议的生成树收敛时间一般是在60秒。经过改进之后的IEEE802.1W快速生成树RSTP协议，它的生成树收敛时间的范围是在1到10s左右，有可能达到100ms。
        3.2网络监控和诊断
        目前较开放的SNMP协议能够支持监控交换机端口、划分VLAN、设置Trunk端口等管理功能。
        3.3PTP精确时钟协议
        高精度网络对时协议，这个协议实现方式是通过软件和硬件的相结合，通过这两方面的结合使得时间能够精确到亚微秒级的时间同步精度。而工业以太网的应用便能够很好的支持P2P和E2E透明时钟技术。
        3.4优先传送通常根据
        IEEE802.1p标准，对于需要优先传送的报文，我们可以通过对太网报文头增设的优先级顺序号，对QOS服务标质量做好标识，通过交换机依据流量分配原则或者是对权重进行重新设置来实现报文的优先转发。

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        3.5虚拟局域网技术
        虚拟局域网可以分为两部分：一个是虚拟局域网VLAN技术另一个是多播过滤技术，这两种技术能够将通信区域的进行有效的划分，能够很大程度上防止广播风暴，同时能够最大程度上实现安全隔离。虚拟局域网VLAN技术主要是依靠协议、MAC地址、端口，以IEEE802.1q作为主流标准。其中涉及到的通用多播技术有两种类型：一种是静态，另一种动态。静态多播技术通常主要基于多播MAC地址表，而动态多播技术则是主要包含GMRP和IGMPsnooping两种协议。虚拟局域网VLAN在智能变电站中的应用具有以下几个特点：一是可以明显的阻断网络上的广播量，通过VLAN建立的防火墙可以明显的阻断网络上的广播。二是不同的虚拟局域网VLAN之间是相互独立的，他们互相之间报文传输是彼此隔离的，也就是说不同虚拟局域网VLAN内的用户之间是无法直接进行通信的，如果两个VLAN之间必须要进行通信，那必须借助路由器或者是第三层交换机来实现。三是通过使用VLAN技术可以将不同用户、不同区域、不同网络组合在一起，形成一个庞大的虚拟局域网，这样的虚拟局域网的特点就是方便灵活，能够很好的实现数据的传输。虚拟局域网VLAN划分标准有以下几种：按照端口进行划分VLAN，这种划分方式简单明了；按照MAC地址进行VLAN划分，这种划分方式优点在于，当用户物理位置出现变动时，VLAN不需要重新配置；按照网络层划分VLAN，这种方式最耗时，技术要求高；在智能变点中VLAN划分方式应用最广泛的是按照端口划分，因为这种划分方式简单、快速、有效。按照端口划分VLAN的方式主要是将交换机的端口划分成若干个虚拟局域网。举例来说，同一个交换机上有10个端口，1至4端口可以组成虚拟局域网X，5至10端口可以组成虚拟局域网Y，这样可以实现端口之间进行通信。
        4网络交换机信息建模
        4.1逻辑节点零建模
        对于逻辑节点零代表而言，可被访问逻辑设备公用信息数据。其中，逻辑设备的逻辑节点零具有唯一性。本文所研究的交换机属于LLN0类型，是基于与网络交换机功能没有关系的相关系统配置，同时也包括系统状态下的特定信息数据，在公用逻辑节点类数据继承的基础上，建立兼容性良好的逻辑节点类。
        4.2逻辑节点（功能性）命名
        基于对网络交换机功能的研究，由于标准中没有定义逻辑节点类适合待建模功能的内容，因此应当结合实际，新建交换机系列功能逻辑节点类，并在此基础上建立健全数据对象、属性以及数据对象的利用方式。对于新建的逻辑节点而言，命名的第一个字母是“Z”，并将其定义成电力系统设备，比如FurtherPowerSystemEquipment。
        4.3两类建模
        以端口管理ZSPM类以及流量统计ZSTS类为例，对其进行建模分析。从实践来看，目前多数交换机（管控型）网络管理系统，主要是基于SNMP代理功能，对管理信息库进行访问，其中包括私有库和标准库。比如，MIB-II库，是由RFC1213以及RFC2819对其进行定义的；在此过程中，将MIB库中的管控信息结构中的对象类型（比如OBJECT-TYPE等）有效地映射到逻辑节点类的数据对象，通过MIS语法利用、优选访问方式以及属性类型，将状态在M/O上得以映射，由此实现了ZSPM、ZSTS类新建。
        4.4告警管理类建模
        实践中，以国网标准为基础，根据告警建模规范要求，告警管理基于GGIO类扩展来实现。在告警管理（比如ZASM类）建模过程中，温度控制门限以及端口告警的启动，是基于“控制”来配设的，而且告警状态信息数据对象，通过原总告警扩展获得；同时，GGIO中定义了若干个端口告警信息。
        4.5物理装置建模
        对于物理设备而言，应当将其建模成IED对象。就该对象来讲，其作为容器，其中包括了服务器对象，server对象中包含的LD对象至少一个。每一个LD对象至少包含三个LN对象，即LLN0、应用型以及LPHD等逻辑节点。网络交换机中，包含了服务器（至少一个），由逻辑设备、高级逻辑设备构成。其中，逻辑设备内的ZSPM以及ZSTS，可结合端口的数目，建立很多个实例；对于高级逻辑设备而言，其中的逻辑节点根据现行的建模方式进行自行建模。
        结束语：智能变电站中的网络交换机质量直接关系着变电站运行的稳定可靠性。网络交换机基于后台监控系统的利用，有效地实现了网络设备的智能化管控，这将成为未来发展之势。
        参考文献：
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        [3]刘鹏. 新一代智能变电站网络结构设计方案研究[D].西安电子科技大学,2018.
        [4]卢福木. 智能变电站自动化网络及交换机优化方案研究[D].山东大学,2017.