交換技術在數字化變電站中的應用

王旭暉 于鴻潔

摘要：根據交換機自身的學習功能以及交換機工作時轉發報文的原理，結合數字化變電站中，交換機的組網方案，介紹了VLAN等交換技術的工作原理。

不同的數字化變電站一般會有不同的業務需求和報文類型，基于這些需求，可以輔助設計者設計出數字化變電站中較為合理的網絡拓撲，也可以幫助應用者靈活地掌握這些交換技術，保障數字化變電站中的通信報文安全、穩定、可靠的傳輸，從而使得整個變電站變得更加堅強。

關鍵詞：數字化變電站;交換;VLAN;廣播風暴;

1.引言

數字化變電站，又稱為智能變電站。數字化變電站實現智能的基本標準是自動完成信息的采集、測量、控制、保護、計量和監測等功能。基于這些功能，不同的數字化變電站之間還要實現通信平臺網絡化和信息共享標準化，由于電網的負荷情況瞬息萬變，還要做出自動控制、智能調節、在線分析決策等動作，以實現與相鄰變電站、電網調度等互動的變電站。

隨著信息通信技術、計算機網絡技術的日益成熟以及智能斷路器、新型互感器技術的發展，數字化變電站成為研究的熱點。由此可見，通信網絡是數字化變電站的關鍵依托，而以太網交換機又是整個網絡中的樞紐。

2.交換原理

數字化變電站中，交換機是智能的核心，為了完成變電站內設備狀態的采集、判斷與分析，交換機需要完成以下功能。

2.1自動的學習地址

數字化變電站內的交換機能需要具備自動學習所有連接到其端口的設備的MAC地址的能力，通過監聽所有流入的數據幀，對監測數據的源MAC地址分別進行檢驗，形成一個MAC地址到其相應端口的映射，存放在地址表中。

2.2幀的轉發和過濾（forward/filter?decision）

當交換機收到一個數據幀時，它要做的首先是通過查找MAC地址表決定如何轉發該數據幀，如果目的地址在MAC地址表中有映射，它會被轉發到連接目的節點的端口，否則交換機會將數據幀發送至除源端口以外的所有端口。

2.3避免環路的產生

當交換機中包括一個冗余回路時，以太網交換機通過環網協議避免回路的產生，防止數據幀在網絡中不斷兜圈子的現象發生，同時允許存在后備路徑。

3.交換機在數字化變電站中組網

在IEC61850中，變電站分為三層;站控層、間隔層和過程層。網絡結構如圖1所示。

圖1只是一個間隔內的簡單網絡結構，其中的站控層、間隔層與過程層設備通過兩個網絡相聯，變電站內的保護動作事件、保護定值、錄波文件、四遙信息等通過站控層進行傳送，而保護跳閘等實時信息則在過程層進行傳送。

4.常用交換技術

4.1?VLAN

VLAN（virtual?local?area?network，虛擬局域網）的定義是一種通過將局域網內的設備邏輯地而不是物理地劃分為一個網段，從而實現虛擬工作組的技術。規定一個VLAN內部的廣播和單播流量都不允許被轉發到其他的VLAN中，這樣一來，有助于控制流量，也可以減少設備投資、簡化網絡管理和提高網絡的安全性能。

在數字化變電站中，存在不同的電壓等級，也據此劃分成為不同的邏輯區域，在不同的電壓等級內，分別按照間隔劃分VLAN。如在220kV系統中，智能終端、合并單元跟相應的線路保護或者母線保護劃分在同一個VLAN;二而在35kV系統中，智能終端、合并單元跟相應的保護測控一體化設備劃分在同一個VLAN中、

4.2?鏡像技術

端口鏡像可以監控某一個或者某一些端口的輸入數據分組，也可以監控其輸出數據分組或者雙向數據分組。在數字化變電站中，站控層或者間隔層的很多數據，都要用到交換機的這個功能。需要注意的是，在做端口鏡像時，端口的帶寬是主要考慮因素之一，一定要確保所有數據源累加之后，不會由于目的端口帶寬過窄而造成擁塞。

舉例，在數字化變電站中，所有設備的監控數據都會經由網絡發送至后臺，這時，可以將輸入輸出雙向數據在后臺備份到網絡分析儀上，也可以將交換機的所有IED的輸入數據鏡像到分析儀上。

4.3?環網技術

重復幀、MAC地址表不穩定以及廣播風暴，往往是交換機成環后產生的后果。這種情況下，由于大量的廣播數據涌入網絡，擠占帶寬，會使得正常的網絡業務癱瘓，因而，在二層網絡中，廣播風暴無疑是災難性的故障。

在這種情況下，提出了通信冗余性協議，在通信網絡中存在環路時，冗余協議會自動禁用某些鏈路，也能提供冗余的通信線路，保證通信的暢通。這樣，既防止了環路的形成又能為變電站實現網絡的冗余備份。

它在一臺連接到交換機上的機器惡意地發送廣播或多播數據時，會對其發送的數據進行抑制，從而防止造成整個網絡的通信異常。

4.4?鏈路聚合技術

鏈路聚合是把多個以太網端口捆綁成一個邏輯的端口，最終形成可以看作一條邏輯的鏈路。鏈路聚合技術，可以提供鏈路的冗余性，也可以均衡鏈路的負載，通過這種方式，也可以實現鏈路帶寬的提升。

4.5?端口綁定及鎖定

MAC地址和端口的靜態綁定技術是通過把一個MAC地址和某個指定端口的捆綁來保證端口的安全性。當MAC地址和端口進行了綁定以后，計算機就只能通過被這個端口連接到網絡，當將這臺計算機移動到其他交換機端口后，此計算機將無法訪問網絡。此功能原理是添加一個靜態MAC地址到交換機的地址表中。二鎖定時在此基礎上關閉端口的地址學習功能，因而具有其他MAC地址的機器不能使用該被鎖定的端口。

參考文獻：

[1]牛占平.VLAN技術在數字化變電站網絡中的應用探討

[2]曹津平.數字化變電站過程層的通信技術研究

[3]高志勇.數字化變電站中廣播風暴的防治