風電場遠程監控單核心網絡的雙機冗余備份改造

文 | 董定勇，楊十力，胡凱凱，陳林

隨著風電行業的不斷發展，風電場對監控的功能要求增多，從而對監控網絡的可靠性要求也越來越高。

然而，出于成本等多方面因素的考慮，大量的風電場監控網絡采用的是使用二層交換機的單核心網絡設計。這種網絡的特點是簡單、成本低，但缺點也是顯而易見的：一旦核心交換機出現問題，整個風電場網絡就完全癱瘓，絲毫沒有冗余可言。監控系統不能監控風電機組運行狀況，整個風電場將處于無監控狀態。因此，使用一種簡單、有效和可靠的單核心網絡雙機熱備份改造方式就能體現出其價值。

風電場網絡狀況

一、典型的風電場組網模式

典型的風電場SCADA 系統由變電站、風電機組、遠程接口單元（RIU） 、現場通信網絡、SCADA 現場服務器、現場工作站、遠程客戶端等組成。風電場設備網絡連接如圖1，風電機組的各種運行數據通過PLC連接到風電機組環網交換機，一般10個－20個風電機組環網交換機加一個中控室環網交換機組成一個光纖環網，根據風電機組數量不同，每個風電場有若干個光纖環網，光纖環網的中控室交換機通過以太網網線連接到核心交換機，服務器、工作站、路由器等網絡設備也連接到核心交換機上，從而構成一個整體的網絡結構。

二、單核心交換機隱患

這種單核心交換機連接方式簡單、成本低、容易實現，在這種情況下，一旦核心交換機發生故障，則整個網絡中斷，用戶不能及時掌握風電機組運行狀況，將造成風電機組停機甚至是安全事故。為此，需要對核心交換機進行冗余備份改造，用兩臺核心交換機互為備份，當一臺核心交換機發生故障時，網絡能通過另一臺交換機繼續獲取風電機組運行數據。

雙交換機熱備份實現難點

雙交換機熱備的主要難點是要防止交換機形成環路。在交換的網絡中，當交換機接收到一個未知目的地址數據幀時，交換機的操作是將這個數據幀廣播出去，在這樣的物理環路的交換網絡中，就會產生一個雙向的廣播環，甚至產生廣播風暴，導致交換機死機等故障發生。在實驗中，設計連接方式如圖2。兩個核心交換機均為SLM224G2－CN二層交換機，環網交換機型號為708FXE2－SC－15，按圖將網絡連接后發現整個網絡通訊中斷，分析原因為兩個核心交換機與兩個中控室環網交換機之間形成了環路，產生的廣播風暴堵塞了網絡。通過對核心交換機SLM224G2－CN與環網交換機708FXE2－SC－15進行設置也不能解決環路問題。

圖1 風電場遠程監控網絡連接示意圖

圖2 交換機連接形成環路

雙機熱備解決方案

一、使用三層交換機做核心交換機

目前使用的雙機熱備方式一般用兩個三層交換機作為核心交換機實現雙機熱備方式，用三層交換機中的生成樹、VRRP（虛擬路由冗余協議）等協議來防止交換機環路的產生，如：用H3C S5800－23C、RG－6806、LE0KS9303等型號的三層交換機做核心交換機，這種實現方式因為是使用三層交換機做核心交換機，所以價格高昂且原來網絡的二層核心交換機也要廢棄。另外，三層交換機進行雙機熱備需要進行設置，其設置也比較麻煩。

二、針對風電場網絡的雙機熱備方案

（一）網絡連接方式

針對圖1風電場這種典型的連接方式，可以在原來設備不動的基礎上再增加一個二層的核心交換機，每臺連接的電腦增加一塊網卡及幾條網線就能滿足雙交換機熱備的要求。圖3為錦州老龍口風電場核心交換機冗余備份改造連接示意圖，中控室環網交換機先串聯起來，再把中控室環網交換機1接到核心交換機1上，中控室環網交換機3接到核心交換機2上，服務器、工作站分別與核心交換機1、核心交換機2連接，這樣就避免了環路的產生。服務器與工作站上的兩塊網卡IP地址要設置為同一網段，如老龍口風電場中服務器網卡1的IP為：193.168.1.100，網卡2的IP為：193.168.1.101。

圖3 風電場核心交換機冗余備份改造連接示意圖

（二） 服務器的工作機制

1 服務器獲取風電機組數據

在各設備正常的情況下，服務器上的通訊軟件通過服務器定時向各風電機組PLC發送傳輸數據請求，這個數據包默認通過網卡1（IP地址：193.168.1.100）發送到核心交換機1，核心交換機1收到這個請求的數據包，它先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就知道源MAC地址的機器是連在哪個端口上的，再去讀取包頭中的目的MAC地址，并在地址表中查找相應的端口，如表中有與這目的MAC地址對應的端口，把數據包直接復制到這端口上，如表中找不到相應的端口則把數據包廣播到所有端口上，當目的機器對源機器回應時，交換機又可以學習目的MAC地址與哪個端口對應，在下次傳送數據時就不再需要對所有端口進行廣播了，同理這個數據包經過中控室環網交換機、各光纖環網最后發送到各風電機組PLC上；對應的風電機組PLC在接到服務器發來的請求后將數據也通過核心交換機1、網卡1發送到服務器。

采用這種冗余備份方案，要求服務器上的通信程序在設計時，必須在INADDR_ANY這個地址上進行偵聽，含義是告訴操作系統，其進程會在某個端口上進行偵聽，所有發送到服務器這個端口的數據（不管是哪個網卡接收到的），都應該是由此進程處理的。

2 網絡故障的自動檢測

服務器針對其對應的網絡端口（網卡1或網卡2），都任意選擇其它3個風電機組PLC作為檢測點。在針對網絡端口的每一個檢測周期中， 依次向每個檢測點直接發送檢測包；收到對應檢測包的PLC將向發送方回復確認包。在一個檢測周期內如果有一個PLC回復確認則認為網絡無故障，不會再發剩余的檢測包；如果在一個檢測周期內3個檢測包都得不到回復確認則認為網絡中斷，服務器以同樣的方式再檢測另一個網絡端口。

（三） 通訊線路故障時網絡通訊的切換

1 核心交換機故障時網絡通訊的切換

當核心交換機1發生故障，服務器通過對網絡的自動檢測會檢測到網卡1方向的網絡有故障，這時服務器再檢測網卡2方向的網絡，如果網卡2方向的網絡正常，則服務器通過網卡2向風電機組PLC發送請求，風電機組PLC在接到請求后則將數據通過核心交換機2、網卡2發送到服務器，網卡2端口被設為默認端口，從而保持網絡通訊的通暢。

2 中控室環網交換機故障時網絡通訊的切換

當中控室環網交換機1發生故障時，除環網1中的風電機組不能通訊外，環網2與環網3的風電機組數據分別通過中控室環網交換機2與中控室環網交換機3，經核心交換機2、網卡2傳送到服務器。

當中控室環網交換機3發生故障后，環網2與環網1的風電機組通過核心交換機1與服務器繼續通訊。

當中控室環網交換機2發生故障后，環網1與環網3中的風電機組分別通過核心交換機1與核心交換機2與服務器繼續通訊。

（四）工作站獲取服務器數據的工作機制

工作站的通訊軟件對服務器的訪問不能以服務器的IP地址為尋址方式，要設置成以服務器名尋址的方式，正常情況下，工作站通過核心交換機1對服務器發送請求獲取數據。當核心交換機1發生故障后，工作站通過核心交換機2對服務器發生請求，獲取服務器數據。

（五）實驗測試

在錦州老龍口風電場雙交換機熱備改造項目中，將設備按圖3連接好后網絡工作正常；分別斷開核心交換機1與核心交換機2后，網絡通訊正常；分別斷開網線5與網線6，網絡照樣通訊正常。經驗證此種雙機熱備方式成功。

結語

風電場的雙核心交換機熱備方式使用的都是二層交換機作為核心交換機，原來的二層核心交換機可以繼續使用，因此，改造費用少，連接簡單、可靠，并且不涉及到核心交換機的設置，容易實現。