智能變電站中的交換技術(shù)

摘要：智能變電站技術(shù)的逐步發(fā)展，使得以太網(wǎng)交換機在變電站中的重要性日益明顯。文章首先介紹了以太網(wǎng)幀在交換機中的學(xué)習和轉發(fā)原理，然后說(shuō)明了變電站分層結構下二次系統使用交換機的組網(wǎng)方案，再詳細剖析了 vlan、qos、鏡像、組播等交換技術(shù)原理，根據各種IED特點(diǎn)及數據流特點(diǎn)，給出各項技術(shù)實(shí)際的應用方案。根據不同業(yè)務(wù)需要和不同的報文類(lèi)型，設計合理的網(wǎng)絡(luò )拓撲，并靈活的使用這些交換技術(shù)，可以保障智能變電站中的通信報文安全、穩定、可靠地傳輸，從而使得整個(gè)變電站變得更加堅強。

引言

隨著(zhù)信息通信技術(shù)、計算機網(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，智能變電站成為了研究的熱點(diǎn)。智能變電站是采用先進(jìn)、穩定的智能設備，以全站信息數字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò )化、信息共享標準化為基本要求，自動(dòng)完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能，并可根據需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調節、在線(xiàn)分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級功能，實(shí)現與相鄰變電站、電網(wǎng)調度等互動(dòng)的變電站[1-5]。由此可見(jiàn)，通信網(wǎng)絡(luò )是變電站智能化的關(guān)鍵依托，而以太網(wǎng)交換機又是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的樞紐。文章介紹以太網(wǎng)的交換原理及其在智能變電站中的應用。

1交換原理

交換機是一種連接各類(lèi)服務(wù)器及終端并負責它們之間數據接收和轉發(fā)的設備。，它檢測從以太端口來(lái)的數據包的源和目的地的MAC(介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層)地址，然后與系統內部MAC表進(jìn)行比較，若數據包的MAC層地址不在查找表中，則將該地址加入查找表中，并將數據包發(fā)送到所有端口;如果地址在表中則發(fā)送到相應的端口，如果目的地址與該端口相對應則不進(jìn)行轉發(fā)。

基于以上原理，交換機完成以下功能：

地址學(xué)習(Address learning)：以太網(wǎng)交換機能夠學(xué)習到所有連接到其端口的設備的MAC地址。地址學(xué)習的過(guò)程是通過(guò)監聽(tīng)所有流入的數據幀，對其源MAC地址進(jìn)行檢驗，形成一個(gè)MAC地址到其相應端口的映射，并將此映射存放在交換機緩存中的MAC地址表中。

幀的轉發(fā)和過(guò)濾(Forward/filter decision)：當一個(gè)數據幀到達交換機后，交換機首先通過(guò)查找MAC地址表來(lái)決定如何轉發(fā)該數據幀。如果目的地址在MAC地址表中有映射，它被轉發(fā)到連接目的節點(diǎn)的端口，否則將數據幀向除源端口以外的所有端口轉發(fā)。

環(huán)路避免(Loop avoidance)：當交換機包括一個(gè)冗余回路時(shí)，以太網(wǎng)交換機通過(guò)環(huán)網(wǎng)協(xié)議協(xié)議(如rstp)避免回路的產(chǎn)生，防止數據幀在網(wǎng)絡(luò )中不斷兜圈子的現象發(fā)生，同時(shí)允許存在后備路徑。

2 交換機在智能變電站中組網(wǎng)

在IEC61850中把變電站分為三層：站控層、間隔層和過(guò)程層。網(wǎng)絡(luò )結構如下：

上圖只是一個(gè)間隔內的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )結構，其中站控層包括監控后臺、故障信息系統、工程師工作站等;問(wèn)隔層包括保護、錄波器、測控裝置等;過(guò)程層包括智能斷路器、電子式互感器、智能終端、合并單元。這三層設備通過(guò)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )相聯(lián)，即聯(lián)系站控層和間隔層的站控層網(wǎng)絡(luò )，聯(lián)系間隔層和過(guò)程層的過(guò)程網(wǎng)絡(luò )，在站控層網(wǎng)絡(luò )上傳送保護動(dòng)作事件、保護定值、錄波文件、四遙信息等，在過(guò)程網(wǎng)絡(luò )傳送保護跳閘、保護啟動(dòng)、保護閉鎖、斷路器位置、采樣值等實(shí)時(shí)信息[1-5]。

3 常用交換技術(shù)

3.1vlan

VLAN(Virtual Local Area Network)即虛擬局域網(wǎng)，是一種通過(guò)將局域網(wǎng)內的設備邏輯地而不是物理地劃分為一個(gè)個(gè)網(wǎng)段從而實(shí)現虛擬工作組的技術(shù)。VLAN技術(shù)允許網(wǎng)絡(luò )管理者將一個(gè)物理的LAN邏輯地劃分成不同的廣播域(或稱(chēng)虛擬LAN，即VLAN)，每一個(gè)VLAN都包含一組有著(zhù)相同需求的計算機工作站，與物理上形成的LAN 有著(zhù)相同的屬性。但由于它是邏輯的而不是物理地劃分，所以同一個(gè)VLAN內的各個(gè)工作站無(wú)須被放置在同一個(gè)物理空間里，即這些工作站不一定屬于同一個(gè)物理 LAN網(wǎng)段。一個(gè)VLAN內部的廣播和單播流量都不會(huì )轉發(fā)到其他VLAN中，從而有助于控制流量、減少設備投資、簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )管理、提高網(wǎng)絡(luò )的安全性。

在智能變電站中，根據不同的電壓等級劃分為不同的邏輯區域，如220kv系統區，110kv系統區，35kv系統區。在不同的電壓等級內，分別按照間隔劃分 vlan，每個(gè)間隔劃分一個(gè)vlan[4-7]。如220kv系統中，智能終端、合并單元跟相應的線(xiàn)路保護或者母線(xiàn)保護劃分在同一個(gè)vlan，35kv系統中，智能終端、合并單元跟相應的保護測控一體化設備或者同一vlan中。

在變電站網(wǎng)絡(luò )中會(huì )遇到一個(gè)IED與多個(gè)vlan中的IED通信，這時(shí)候，要用到交換機的vlan交集功能，或者hybrid vlan模式。如通常母線(xiàn)保護要與多個(gè)vlan中的IED通信，后臺要與多個(gè)間隔層設備通信，這些情況下要設置vlan交集。

3.2鏡像技術(shù)

端口鏡像(port Mirroring)把交換機一個(gè)或多個(gè)端口的數據鏡像到一個(gè)或多個(gè)端口的方法。在一些交換機中，我們可以通過(guò)對交換機的配置來(lái)實(shí)現將某個(gè)端口上的數據包，拷貝一份到另外一個(gè)端口上，這個(gè)過(guò)程就是“端口鏡像”。