智能變電站過程層網絡風暴的分析與處理

張省三

摘 要：智能變電站過程層網絡的穩定對變電站的可靠運行起著至關重要的作用，如果遇到網絡風暴必然會對全站網絡的信息傳輸和相關設備造成不利的影響。本文根據報文的結構分析，計算了網絡風暴在交換機中的傳輸速率，進而分析了網絡風暴的形成原理，評估了SV和GOOSE報文網絡風暴對站內裝置的影響，并分析了應對網絡風暴的措施，如報文校驗、引入虛擬局域網、生成樹協議等多種形式，這些措施可以有效避免過程層的網絡風暴。

關鍵詞：智能變電站；過程層；網絡風暴

中圖分類號：TM406.64 ；TP393.09 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）24-0084-02

1 概 述

對于智能變電站來說，過程層網絡的作用是對間隔信息進行采樣，完成設備間及上層報文操作命令的指令傳輸。因此，過程層網絡關系著繼電保護設備的正常運行，也會對電能計量設備產生影響，對智能變電站的穩定、可靠運行起著至關重要的作用。

在過程層網絡中進行傳輸的報文有兩種，一種是SV報文，一種是GOOSE報文。SV報文可以包括所有的采樣信息，信息流大，一般不會有突發性的流量；GOOSE報文傳輸的是設備間的配合信息，信息流小，但突發流量較大，對實時性的要求較高。

采用不同的報文，就會產生不同的流量特征，所以必須進行合理的網絡配置，保證報文的正常傳輸，避免網絡風暴。過程層有時還采用SV+GOOSE的結合網絡，所以如果僅是采用某一種報文過濾方法，是不能應對所有過程層網絡風暴的。

本文針對智能變電站中可能發生的網絡風暴，提出了應對網絡風暴事故的處理辦法和一些預防措施。

2 智能變電站的網絡結構

智能變電站的設備是通過報文進行通信的，合并單元發出SV報文傳輸所有電壓、電流在某個時點的采樣值，智能終端發出GOOSE報文傳輸刀閘的開關信息，包括跳閘、重合閘以及聯閉鎖信息等。同時還可以發送其他的GOOSE報文信息，如自檢狀態、報警信息等。

相關標準規定，對采樣信號和跳閘指令進行保護，傳輸時采用直接連接方式，不會形成網絡。站內的GOOSE網絡采用組網方式，合并單元發送給故障錄波器、網絡分析儀和電能表等的SV報文有時也可以采用組網的形式。

在網絡中進行傳輸的報文通過交換機進行交換，會受到吞吐量和時延的影響，現在的智能變電站一般都采用工業以太網交換機。

3 網絡報文的流量分析

3.1 GOOSE網絡報文的流量分析

GOOSE報文每五秒鐘傳遞一次，一幀報文大約有200-1000個字節，如果出現了電網故障，GOOSE報文會按照時間遞增的規律進行發送，所以GOOSE報文的供求率一般不超過每秒4 Mb，這個傳輸速率遠遠低于交換機的限額速率。GOOSE報文還要進行時間間隔時的信息傳輸，將各時間間隔的GOOSE信息連接成GOOSE網絡。

3.2 SV網絡報文的流量分析

SV報文的長度一般在200個字節左右，每秒鐘可以傳輸

4 000幀的報文，這個速度相當于傳輸一幀報文大約需要200 μs，所以單組的SV報文的傳輸速率大約是每秒8 Mb，按這個傳輸速率，一臺交換機中只有傳輸13組的SV報文才可以達到每秒100 Mb的速率。

發送給智能電子設備的采樣值可以按照間隔進行劃分，根據相關標準規定，在同一光口進行傳輸的SV報文不能超過五組，所以利用SV形成全站統一的網絡是不可行的，每個間隔的SV網中只會傳輸本間隔中的SV報文。

智能變電站的網絡報文分析儀是記錄網絡流量信息的，如果用一個網口傳輸GOOSE報文信息，傳輸速率會低于單組報文的傳輸速率上限（500 kB/s），如果每個網口接入一組SV報文進行傳輸，可以達到理論分析值的上限。

4 網絡風暴的形成原理及危險

4.1 網絡風暴的形成原理

不論哪種網絡都是由交換機來進行連接的，如果是正常的運行，交換機之間會有一條鏈路進行信息交換。對間隔進行檢修時，因為交換機上的光口很多，所以如果發生光口的接線錯誤，會出現網絡的重復鏈路，在交換機的內部信號會形成環路，交換機會不自主的進行信息的轉發，于是就形成了網絡風暴。有時網絡的裝置出現故障或者內部芯片出現故障也會造成網絡風暴，一般會表現為很多的重復報文在網絡中進行快速傳播。

4.2 網絡風暴造成的危害

發生網絡風暴以后，交換機的光口轉發速率會升高，甚至達到最大的轉發速率。如果在SV網絡中發生網絡風暴，會形成報文重復，秩序混亂，SV報文幀間隔會在20 μs左右，與正常情況下的間隔是有很大差距的，采樣的序號不連續，報文的波形不呈正弦波的樣子，測控、故障錄波器、電能表的記錄也不能準確的反映各間隔的測量值。

所以為了避免SV網絡風暴，進行保護采樣時會采用直采，不經過SV網絡，這樣可以避免保護被閉鎖或者誤動。

如果在GOOSE網絡中發生網絡風暴，則報文也會重復和亂序，對站中保護的失靈、跳閘、解除電壓閉鎖、開關刀閘位置、告警等信號的傳輸造成影響，進而影響保護對應功能的正常運行。所以為了避免GOOSE網絡風暴，保護裝置會采用直跳，使用保護動作時不經過網絡，這樣可以保證保護正確動作。

網絡風暴會對報文的正常傳輸與處理造成影響，這是因為網絡風暴占用了交換機的資源，一些數據幀被迅速的進行轉發，交換機的轉發資源受到占用而不能進行正常的報文傳輸。在工業以太網交換機中，網絡風暴會占用99%的帶寬，在網絡風暴發生時交換機僅能提供每秒1 Mb的帶寬進行報文的傳輸，于是報文就會丟失。

5 網絡風暴的應對建議

5.1 網絡風暴的發現和處理

如果在站內發生網絡風暴，接收網絡報文的裝置會告警，告警信號顯示收到的報文是異常的。如果有多個裝置都告警網絡異常，后果就更加嚴重了。發生網絡風暴以后，報文會重復和亂序，通過網絡報文分析儀的顯示，雖然可以確定發生了網絡風暴，但是不能確定發生風暴的位置，由于受到網絡風暴的所有報文都會被交換機進行重復轉發，所以不能確認光口連接錯誤的間隔，所以必須核查受到風暴影響的間隔，根據圖紙確認光口的連接，進而檢查出連接的錯誤處。

5.2 網絡風暴的避免建議

由于報文被重復快速轉發，所以會形成網絡風暴，可以在報文接收設備中進行循環冗余檢驗，如判斷出相繼接收的報文校驗信息相同，則可以將此報文認定為風暴發生，直接丟棄，這樣可以使設備的處理報文數量減少。但是在交換機中發生網絡風暴時，并不是只有一幀報文會被重復轉發的，還會有多幀不同的報文被重復轉發，所以這種方法的局限性是非常明顯的。

可以在交換機內部或者不同的交換機之間劃分虛擬局域網，將智能變電站內的GOOSE網絡和SV網絡進行分離，分別進行傳輸，這樣可以保證報文的實時性。同時兩種報文的報文頭都是帶局域網標記的，排列布置各個光口的局域網準入列表，如果報文的局域網標記不一致就不允許進入交換機，從而避免形成網絡風暴。

現在很多的交換機都支持生成樹協議，智能變電站內的交換機進行生成樹配置后，交換機之間發送、接收報文會檢測到網絡中是否有回環現象。如果檢測到發生回環現象，即會將網絡修剪為沒有環路的樹形網絡。利用生成樹協議進行配置，可以避免在交換機環網內形成網絡風暴。

6 結 語

隨著大量智能變電站的成功投運，智能變電站技術得到了迅速發展。但在智能變電站運行過程中，會不可避免的出現網絡風暴，進而影響智能變電站全站的正常運行。

本文對網絡風暴的原理和危害進行了分析，分析站內網絡報文的流量特點并進行比對，可以發現網絡風暴產生的位置，并對風暴進行排查，這樣可以減少智能變電站的運行危害。在變電站進行規劃建設時要引入先進的交換機技術來杜絕網絡風暴的發生，并加強交換機的網絡管理，減少網絡風暴的發生機率，來保證智能變電站的正常運行。

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