VLAN技术在智能化变电站网络中的应用探讨

    参照IEC61850标准通信体系要求，通过对单间隔传输流量的计算，给出了用VLAN技术解决过程层数据流量的技术方案，并从VLAN技术作用、定义方式、802.1p协议、划分原则等方面深入探讨VLAN技术在智能化变电站组网中的应用。

    虚拟局域网VLAN(Virtual LocalArea Networ)技术充分体现了现代网络技术的重要特征：高速、灵活、管理简便和扩展容易。是否具有VLAN功能是衡量局域网交换机的一项重要指标，网络的虚拟化也是未来网络发展的潮流。VLAN技术是通过将局域网内的设备逻辑地划分成不同网段，从而实现组建虚拟工作组的技术，达到减少碰撞和广播风暴、增强网络安全性，并为802.1p协议的实现奠定了技术基础，提供了实现手段。

    交换机在网络中占据着绝对的位置，所以从某种意义上来说，交换机的性能与成本决定了网络的性能与成本。目前10/100M自适应网络交换机是市场的主流，1000M网络交换机由于成本原因没有得到大面积推广。智能化变电站过程层网络信息数据总量十分可观，但大部份信息数据不需要横向流通，在过程层网络中采用VLAN组网技术，为100M以太网交换机在智能化变电站组网中的应用奠定了理论基础，既降低了组网成本，又满足了网络安全、可靠性。

    IEC61850标准把变电站自动化系统从功能逻辑上分配为三层(站层、间隔层、过程层)。这些层及逻辑接口的逻辑关系如图1所示。

    根据IEC61850-7-1标准，过程层和间隔层采用IEC61850-9-1/2协议和GOOSE协议通信，间隔层装置和站控层采用IEC61850-8-1(MMS)通信。IEC61850-9-1采用点对点传送方式，只需考虑传送介质的带宽和接受方CPU处理数据的能力，而不用担心数据流量对于其他间隔设备传输的影响，因为它并没有通过网络与其他间隔共享网络带宽，所以不需要交换机。这种方式简单可靠，但光纤连线繁杂，无法在标准范围内实现跨间隔保护，安装方式不灵活。而IEC61850-9-2方式将合并器采样数据信号以光纤方式接入过程层网络，间隔层保护、测控、计量等设备不再与合并器直接相连，通过过程层网络获取信息数据，从而达到采样信号的信息共享。通过在交换网络中采用网络优先级技术、VLAN技术、组播技术等网络技术有效的防止采样值传输流量、速度对过程层网络地影响，保证过程层数据在100M以太网上安全、高效、有序传输。

    IEC61850-3部分定义了变电站自动化系统(SAS)站内智能电子设备(IED)之间的通信及相关系统要求，对站内设备监视、配置和控制的通信系统的可靠性、可用性、可维护性、安全性、数据完整性等性能提出了要求。为了满足这些要求，设备间通讯依靠基于IEC61850标准的100-Mbit/s光纤以太网实现，过程层设备通过过程级总线互联，间隔层设备通过站级总线互联。

    网络交换机要求具备以下管理功能：

    可靠性符合IEC61850-3标准

    交换机支持多环组网方案

    高速eRSTP环网冗余技术，每台交换机的恢复时间<5ms

    Zero-Packet-Loss零丢包技术

    宽温度范围

    超强的抗电磁干扰能力

    MTBF长，保证了高可用性

    支持802.1QVLANs

    支持802.1p协议

    2.1 传输流量计算

    因为不同间隔间需要共享部分信息，而不是全部信息，因此将全站过程层交换机经过主干交换机进行星型模式级联，如图2所示。如果不对间隔层交换机流出数据进行流量控制，主干网交换机很容易流入流量超负荷的情况，使网络产生阻塞甚至瘫痪。我们对单个间隔的SMV数据流量及GOOSE数据流量进行理论计算和实际测试，结果基本一致。

    IEC61850-9-2工程中实际最大报文长度(SVLD为变长量)，单间隔SMV理论计算流量：按照每帧1点(12个模拟量通道)计算，一个合并器每秒种的数据流量：

    S=159字节×8bit/字节×50周波/s×80点/周波=5.088Mbit/s;

    单间隔实际测试SMV流量和理论计算数据相当。

    GOOSE工程中实际最大报文长度：

    按照T0=10s计算，一个智能设备每秒种的数据流量：

    S=6016字节×8bit/字节×(1s/10)帧=0.048Mbit/s;

    交换机数据吞吐总量由流入交换机的数据决定，理论上流入数据都可以正确流出，只是数据流量的大小决定了网络(延时)性能。主干网交换机上流入的数据主要是跨间隔保护需要的数据，如失灵保护、母线保护等需要的数据。按照单位间隔估算，如SMV数据中的保护电流、GOOSE数据等。由于GOOSE信息流量和SMV相比可以忽略不计，所以流入主干网交换机的数据相当于间隔交换机的三分之一，按照理论计算数据为1.6Mbit/s。所以主干网交换机除了在交换口数量上要满足工程选型外，对于一般规模的智能化变电站都可以满足容量的要求。

    2.2 VLAN解决方案

    上述已经明确了网络上需要横向传输的数据并不是全部数据，而是跨间隔保护或者其它设备需要的一部分，所以必须采用VLAN方案，即802.1p协议使其横向通过需要的数据，不需要共享和跨间隔利用的数据就在本间隔纵向流通即可。其次数据流通需要优先级区分，IEC61850规范对变电站内的网络上的数据进行了详细的划分，根据网络信息的不同需求和要求，给予不同的报文不同的优先级。

    2.2.1 VLAN划分的几种模式

    基于端口的VLAN

    基于MAC地址的VLAN

    基于路由的VLAN

    基于策略的VLAN

    基于端口的VLAN划分模式是最简单、有效的方法，在智能化变电站网络中得到了充分有效的应用。基于端口的VLAN模式是从逻辑上把交换机按照端口划分成不同的虚拟局域网络，使其在所需用的局域网络上流通。

    2.2.2 过程层网络VLAN划分原则

    对于采样值的处理：

    电流合并器和其对应的装置应该划分到一个VLAN，且全站唯一;电流合并器应和其所在母线上的全部需要电压的装置划分为一个VLAN且全站唯一。

    GOOSE信息的处理：

    采用IEC61850-9-2方式，对全站GOOSE信息统一分配一个VLAN，且全站唯一。当采用IEC61950-9-2方式时，考虑到和采样值相比较，GOOSE的信息量非常少，不对其划分VLAN也不会对网络性能造成太大影响。

    对时报文处理：

    统一分配一个VLAN，默认为VLAN1。

    2.2.3 过程层网络VLAN划分方法

    按照间隔划分VLAN，是过程组网的基本原则，每个间隔划成一个VLAN。如110kV线路间隔、110kV分段间隔、110kVPT测控间隔、主变间隔、10kV线路间隔、10kV分段间隔、10kVPT测控间隔、电容器间隔、电抗器间隔、所用变间隔等。如果10kV线路的间隔比较多(例如50多个)，而所用交换机支持的最大VLAN个数又比较有限(如RUGGEDCOM型号交换机支持64个VLAN)，可以一段母线或者多条线路间隔划为1个VLAN，以满足交换机的本身参数要求。如图3所示，某变电站的VLAN示意图。

    2.2.4 线路间隔解决方案

    3 结论

    本文通过对VLAN技术的说明以及数字化变电站系统和站内智能电子设备IED通信及相关的系统要求，系统地论述了VLAN技术在数字化变电站中的应用情况。经过数字化变电站实际运行，采用IEC61850-9-2规约和VLAN方案配置，具有光纤连线简洁，便于实现跨间隔保护，安装方式灵活，运行维护简单，其通信可靠性，简单性、安全性、数据完整性以及其他性能要求均完全符合IEC61850的要求。<