內(nèi)容摘要：參照IEC61850標準通信體系要求，通過對單間隔傳輸流量的計算,，給出了用VLAN技術(shù)解決過程層數(shù)據(jù)流量的技術(shù)方案,，并從VLAN技術(shù)作用、定義方式,、802.1p協(xié)議,、劃分原則等方面深入探討VLAN技術(shù)在智能化變電站組網(wǎng)中的應用,。
虛擬局域網(wǎng)VLAN(Virtual LocalArea Networ)技術(shù)充分體現(xiàn)了現(xiàn)代網(wǎng)絡技術(shù)的重要特征：高速、靈活,、管理簡便和擴展容易,。是否具有VLAN功能是衡量局域網(wǎng)交換機的一項重要指標，網(wǎng)絡的虛擬化也是未來網(wǎng)絡發(fā)展的潮流,。VLAN技術(shù)是通過將局域網(wǎng)內(nèi)的設備邏輯地劃分成不同網(wǎng)段,，從而實現(xiàn)組建虛擬工作組的技術(shù)，達到減少碰撞和廣播風暴,、增強網(wǎng)絡安全性,，并為802.1p協(xié)議的實現(xiàn)奠定了技術(shù)基礎，提供了實現(xiàn)手段,。
交換機在網(wǎng)絡中占據(jù)著絕對的位置,，所以從某種意義上來說，交換機的性能與成本決定了網(wǎng)絡的性能與成本,。目前10/100M自適應網(wǎng)絡交換機是市場的主流,，1000M網(wǎng)絡交換機由于成本原因沒有得到大面積推廣。智能化變電站過程層網(wǎng)絡信息數(shù)據(jù)總量十分可觀,，但大部份信息數(shù)據(jù)不需要橫向流通,，在過程層網(wǎng)絡中采用VLAN組網(wǎng)技術(shù)，為100M以太網(wǎng)交換機在智能化變電站組網(wǎng)中的應用奠定了理論基礎,，既降低了組網(wǎng)成本,，又滿足了網(wǎng)絡安全、可靠性,。
1 數(shù)字化變電站的通信要求
IEC61850標準把變電站自動化系統(tǒng)從功能邏輯上分配為三層(站層,、間隔層、過程層),。這些層及邏輯接口的邏輯關(guān)系如圖1所示,。
根據(jù)IEC61850-7-1標準，過程層和間隔層采用IEC61850-9-1/2協(xié)議和GOOSE協(xié)議通信,，間隔層裝置和站控層采用IEC61850-8-1(MMS)通信,。IEC61850-9-1采用點對點傳送方式，只需考慮傳送介質(zhì)的帶寬和接受方CPU處理數(shù)據(jù)的能力,，而不用擔心數(shù)據(jù)流量對于其他間隔設備傳輸?shù)挠绊?，因為它并沒有通過網(wǎng)絡與其他間隔共享網(wǎng)絡帶寬，所以不需要交換機,。這種方式簡單可靠,，但光纖連線繁雜，無法在標準范圍內(nèi)實現(xiàn)跨間隔保護,，安裝方式不靈活,。而IEC61850-9-2方式將合并器采樣數(shù)據(jù)信號以光纖方式接入過程層網(wǎng)絡,，間隔層保護、測控,、計量等設備不再與合并器直接相連,，通過過程層網(wǎng)絡獲取信息數(shù)據(jù)，從而達到采樣信號的信息共享,。通過在交換網(wǎng)絡中采用網(wǎng)絡優(yōu)先級技術(shù),、VLAN技術(shù)、組播技術(shù)等網(wǎng)絡技術(shù)有效的防止采樣值傳輸流量,、速度對過程層網(wǎng)絡地影響,，保證過程層數(shù)據(jù)在100M以太網(wǎng)上安全、高效,、有序傳輸,。
IEC61850-3部分定義了變電站自動化系統(tǒng)(SAS)站內(nèi)智能電子設備(IED)之間的通信及相關(guān)系統(tǒng)要求，對站內(nèi)設備監(jiān)視,、配置和控制的通信系統(tǒng)的可靠性,、可用性、可維護性,、安全性,、數(shù)據(jù)完整性等性能提出了要求。為了滿足這些要求,，設備間通訊依靠基于IEC61850標準的100-Mbit/s光纖以太網(wǎng)實現(xiàn),，過程層設備通過過程級總線互聯(lián)，間隔層設備通過站級總線互聯(lián),。
網(wǎng)絡交換機要求具備以下管理功能：
可靠性符合IEC61850-3標準
交換機支持多環(huán)組網(wǎng)方案
高速eRSTP環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù),，每臺交換機的恢復時間<5ms
Zero-Packet-Loss零丟包技術(shù)
寬溫度范圍
超強的抗電磁干擾能力
MTBF長，保證了高可用性
支持802.1QVLANs
支持802.1p協(xié)議
2 單間隔傳輸流量計算和VLAN解決方案
2.1 傳輸流量計算
因為不同間隔間需要共享部分信息,，而不是全部信息,，因此將全站過程層交換機經(jīng)過主干交換機進行星型模式級聯(lián)，如圖2所示,。如果不對間隔層交換機流出數(shù)據(jù)進行流量控制,，主干網(wǎng)交換機很容易流入流量超負荷的情況，使網(wǎng)絡產(chǎn)生阻塞甚至癱瘓,。我們對單個間隔的SMV數(shù)據(jù)流量及GOOSE數(shù)據(jù)流量進行理論計算和實際測試，結(jié)果基本一致,。
IEC61850-9-2工程中實際最大報文長度(SVLD為變長量),，單間隔SMV理論計算流量：按照每幀1點(12個模擬量通道)計算，一個合并器每秒種的數(shù)據(jù)流量：
S=159字節(jié)×8bit/字節(jié)×50周波/s×80點/周波=5.088Mbit/s;
單間隔實際測試SMV流量和理論計算數(shù)據(jù)相當,。
GOOSE工程中實際最大報文長度：
按照T0=10s計算,，一個智能設備每秒種的數(shù)據(jù)流量：
S=6016字節(jié)×8bit/字節(jié)×(1s/10)幀=0.048Mbit/s;
交換機數(shù)據(jù)吞吐總量由流入交換機的數(shù)據(jù)決定,，理論上流入數(shù)據(jù)都可以正確流出，只是數(shù)據(jù)流量的大小決定了網(wǎng)絡(延時)性能,。主干網(wǎng)交換機上流入的數(shù)據(jù)主要是跨間隔保護需要的數(shù)據(jù),，如失靈保護、母線保護等需要的數(shù)據(jù),。按照單位間隔估算,，如SMV數(shù)據(jù)中的保護電流、GOOSE數(shù)據(jù)等,。由于GOOSE信息流量和SMV相比可以忽略不計,，所以流入主干網(wǎng)交換機的數(shù)據(jù)相當于間隔交換機的三分之一，按照理論計算數(shù)據(jù)為1.6Mbit/s,。所以主干網(wǎng)交換機除了在交換口數(shù)量上要滿足工程選型外,，對于一般規(guī)模的智能化變電站都可以滿足容量的要求。
2.2 VLAN解決方案
上述已經(jīng)明確了網(wǎng)絡上需要橫向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并不是全部數(shù)據(jù),，而是跨間隔保護或者其它設備需要的一部分,，所以必須采用VLAN方案，即802.1p協(xié)議使其橫向通過需要的數(shù)據(jù),，不需要共享和跨間隔利用的數(shù)據(jù)就在本間隔縱向流通即可,。其次數(shù)據(jù)流通需要優(yōu)先級區(qū)分，IEC61850規(guī)范對變電站內(nèi)的網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)進行了詳細的劃分,，根據(jù)網(wǎng)絡信息的不同需求和要求,，給予不同的報文不同的優(yōu)先級。
2.2.1 VLAN劃分的幾種模式
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劃分模式是最簡單,、有效的方法,，在智能化變電站網(wǎng)絡中得到了充分有效的應用?；诙丝诘腣LAN模式是從邏輯上把交換機按照端口劃分成不同的虛擬局域網(wǎng)絡,，使其在所需用的局域網(wǎng)絡上流通。
2.2.2 過程層網(wǎng)絡VLAN劃分原則
對于采樣值的處理：
電流合并器和其對應的裝置應該劃分到一個VLAN,，且全站唯一;電流合并器應和其所在母線上的全部需要電壓的裝置劃分為一個VLAN且全站唯一,。
GOOSE信息的處理：
采用IEC61850-9-2方式，對全站GOOSE信息統(tǒng)一分配一個VLAN,，且全站唯一,。當采用IEC61950-9-2方式時，考慮到和采樣值相比較,，GOOSE的信息量非常少,，不對其劃分VLAN也不會對網(wǎng)絡性能造成太大影響。
對時報文處理：
統(tǒng)一分配一個VLAN，默認為VLAN1,。
2.2.3 過程層網(wǎng)絡VLAN劃分方法
按照間隔劃分VLAN,，是過程組網(wǎng)的基本原則，每個間隔劃成一個VLAN,。如110kV線路間隔,、110kV分段間隔、110kVPT測控間隔,、主變間隔,、10kV線路間隔、10kV分段間隔,、10kVPT測控間隔,、電容器間隔、電抗器間隔,、所用變間隔等,。如果10kV線路的間隔比較多(例如50多個)，而所用交換機支持的最大VLAN個數(shù)又比較有限(如RUGGEDCOM型號交換機支持64個VLAN),，可以一段母線或者多條線路間隔劃為1個VLAN,，以滿足交換機的本身參數(shù)要求。如圖3所示,，某變電站的VLAN示意圖,。
2.2.4 線路間隔解決方案
3 結(jié)論
本文通過對VLAN技術(shù)的說明以及數(shù)字化變電站系統(tǒng)和站內(nèi)智能電子設備IED通信及相關(guān)的系統(tǒng)要求，系統(tǒng)地論述了VLAN技術(shù)在數(shù)字化變電站中的應用情況,。經(jīng)過數(shù)字化變電站實際運行,，采用IEC61850-9-2規(guī)約和VLAN方案配置，具有光纖連線簡潔,，便于實現(xiàn)跨間隔保護,，安裝方式靈活，運行維護簡單,，其通信可靠性,，簡單性、安全性,、數(shù)據(jù)完整性以及其他性能要求均完全符合IEC61850的要求,。
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