交換技術(shù)在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用

王旭暉 于鴻潔

摘要：根據(jù)交換機(jī)自身的學(xué)習(xí)功能以及交換機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的原理，結(jié)合數(shù)字化變電站中，交換機(jī)的組網(wǎng)方案，介紹了VLAN等交換技術(shù)的工作原理。

不同的數(shù)字化變電站一般會(huì)有不同的業(yè)務(wù)需求和報(bào)文類型，基于這些需求，可以輔助設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)出數(shù)字化變電站中較為合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌部梢詭椭鷳?yīng)用者靈活地掌握這些交換技術(shù)，保障數(shù)字化變電站中的通信報(bào)文安全、穩(wěn)定、可靠的傳輸，從而使得整個(gè)變電站變得更加堅(jiān)強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化變電站;交換;VLAN;廣播風(fēng)暴;

1.引言

數(shù)字化變電站，又稱為智能變電站。數(shù)字化變電站實(shí)現(xiàn)智能的基本標(biāo)準(zhǔn)是自動(dòng)完成信息的采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測(cè)等功能。基于這些功能，不同的數(shù)字化變電站之間還要實(shí)現(xiàn)通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化和信息共享標(biāo)準(zhǔn)化，由于電網(wǎng)的負(fù)荷情況瞬息萬(wàn)變，還要做出自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策等動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)與相鄰變電站、電網(wǎng)調(diào)度等互動(dòng)的變電站。

隨著信息通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟以及智能斷路器、新型互感器技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化變電站成為研究的熱點(diǎn)。由此可見，通信網(wǎng)絡(luò)是數(shù)字化變電站的關(guān)鍵依托，而以太網(wǎng)交換機(jī)又是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的樞紐。

2.交換原理

數(shù)字化變電站中，交換機(jī)是智能的核心，為了完成變電站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)的采集、判斷與分析，交換機(jī)需要完成以下功能。

2.1自動(dòng)的學(xué)習(xí)地址

數(shù)字化變電站內(nèi)的交換機(jī)能需要具備自動(dòng)學(xué)習(xí)所有連接到其端口的設(shè)備的MAC地址的能力，通過監(jiān)聽所有流入的數(shù)據(jù)幀，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的源MAC地址分別進(jìn)行檢驗(yàn)，形成一個(gè)MAC地址到其相應(yīng)端口的映射，存放在地址表中。

2.2幀的轉(zhuǎn)發(fā)和過濾（forward/filter?decision）

當(dāng)交換機(jī)收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，它要做的首先是通過查找MAC地址表決定如何轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)幀，如果目的地址在MAC地址表中有映射，它會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)到連接目的節(jié)點(diǎn)的端口，否則交換機(jī)會(huì)將數(shù)據(jù)幀發(fā)送至除源端口以外的所有端口。

2.3避免環(huán)路的產(chǎn)生

當(dāng)交換機(jī)中包括一個(gè)冗余回路時(shí)，以太網(wǎng)交換機(jī)通過環(huán)網(wǎng)協(xié)議避免回路的產(chǎn)生，防止數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡(luò)中不斷兜圈子的現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)允許存在后備路徑。

3.交換機(jī)在數(shù)字化變電站中組網(wǎng)

在IEC61850中，變電站分為三層;站控層、間隔層和過程層。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1只是一個(gè)間隔內(nèi)的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中的站控層、間隔層與過程層設(shè)備通過兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)，變電站內(nèi)的保護(hù)動(dòng)作事件、保護(hù)定值、錄波文件、四遙信息等通過站控層進(jìn)行傳送，而保護(hù)跳閘等實(shí)時(shí)信息則在過程層進(jìn)行傳送。

4.常用交換技術(shù)

4.1?VLAN

VLAN（virtual?local?area?network，虛擬局域網(wǎng)）的定義是一種通過將局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備邏輯地而不是物理地劃分為一個(gè)網(wǎng)段，從而實(shí)現(xiàn)虛擬工作組的技術(shù)。規(guī)定一個(gè)VLAN內(nèi)部的廣播和單播流量都不允許被轉(zhuǎn)發(fā)到其他的VLAN中，這樣一來，有助于控制流量，也可以減少設(shè)備投資、簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理和提高網(wǎng)絡(luò)的安全性能。

在數(shù)字化變電站中，存在不同的電壓等級(jí)，也據(jù)此劃分成為不同的邏輯區(qū)域，在不同的電壓等級(jí)內(nèi)，分別按照間隔劃分VLAN。如在220kV系統(tǒng)中，智能終端、合并單元跟相應(yīng)的線路保護(hù)或者母線保護(hù)劃分在同一個(gè)VLAN;二而在35kV系統(tǒng)中，智能終端、合并單元跟相應(yīng)的保護(hù)測(cè)控一體化設(shè)備劃分在同一個(gè)VLAN中、

4.2?鏡像技術(shù)

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

舉例，在數(shù)字化變電站中，所有設(shè)備的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)都會(huì)經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至后臺(tái)，這時(shí)，可以將輸入輸出雙向數(shù)據(jù)在后臺(tái)備份到網(wǎng)絡(luò)分析儀上，也可以將交換機(jī)的所有IED的輸入數(shù)據(jù)鏡像到分析儀上。

4.3?環(huán)網(wǎng)技術(shù)

重復(fù)幀、MAC地址表不穩(wěn)定以及廣播風(fēng)暴，往往是交換機(jī)成環(huán)后產(chǎn)生的后果。這種情況下，由于大量的廣播數(shù)據(jù)涌入網(wǎng)絡(luò)，擠占帶寬，會(huì)使得正常的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)癱瘓，因而，在二層網(wǎng)絡(luò)中，廣播風(fēng)暴無(wú)疑是災(zāi)難性的故障。

在這種情況下，提出了通信冗余性協(xié)議，在通信網(wǎng)絡(luò)中存在環(huán)路時(shí)，冗余協(xié)議會(huì)自動(dòng)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(huán)路的形成又能為變電站實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的冗余備份。

它在一臺(tái)連接到交換機(jī)上的機(jī)器惡意地發(fā)送廣播或多播數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)對(duì)其發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行抑制，從而防止造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信異常。

4.4?鏈路聚合技術(shù)

鏈路聚合是把多個(gè)以太網(wǎng)端口捆綁成一個(gè)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(shù)，可以提供鏈路的冗余性，也可以均衡鏈路的負(fù)載，通過這種方式，也可以實(shí)現(xiàn)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(tài)綁定技術(shù)是通過把一個(gè)MAC地址和某個(gè)指定端口的捆綁來保證端口的安全性。當(dāng)MAC地址和端口進(jìn)行了綁定以后，計(jì)算機(jī)就只能通過被這個(gè)端口連接到網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)將這臺(tái)計(jì)算機(jī)移動(dòng)到其他交換機(jī)端口后，此計(jì)算機(jī)將無(wú)法訪問網(wǎng)絡(luò)。此功能原理是添加一個(gè)靜態(tài)MAC地址到交換機(jī)的地址表中。二鎖定時(shí)在此基礎(chǔ)上關(guān)閉端口的地址學(xué)習(xí)功能，因而具有其他MAC地址的機(jī)器不能使用該被鎖定的端口。

參考文獻(xiàn)：

[1]牛占平.VLAN技術(shù)在數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用探討

[2]曹津平.數(shù)字化變電站過程層的通信技術(shù)研究

[3]高志勇.數(shù)字化變電站中廣播風(fēng)暴的防治