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(xí)和轉(zhuǎn)發(fā)原理，然后說明了變電站分層結(jié)構(gòu)下二次系統(tǒng)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(jù)各種IED特點及數(shù)據(jù)流特點，給出各項技術(shù)實際的應(yīng)用方案。根據(jù)不同業(yè)務(wù)需要和不同的報文類型，設(shè)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(wěn)定、可靠地傳輸，從而使得整個變電站變得更加堅強。

引言

隨著信息通信技術(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。智能變電站是采用先進、穩(wěn)定的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能，實現(xiàn)與相鄰變電站、電網(wǎng)調(diào)度等互動的變電站[1-5]。由此可見，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(yīng)用。

1交換原理

交換機是一種連接各類服務(wù)器及終端并負責(zé)它們之間數(shù)據(jù)接收和轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備。，它檢測從以太端口來的數(shù)據(jù)包的源和目的地的MAC(介質(zhì)訪問層)地址，然后與系統(tǒng)內(nèi)部MAC表進行比較，若數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包發(fā)送到所有端口;如果地址在表中則發(fā)送到相應(yīng)的端口，如果目的地址與該端口相對應(yīng)則不進行轉(zhuǎn)發(fā)。

基于以上原理，交換機完成以下功能：

地址學(xué)習(xí)(Address learning)：以太網(wǎng)交換機能夠?qū)W習(xí)到所有連接到其端口的設(shè)備的MAC地址。地址學(xué)習(xí)的過程是通過監(jiān)聽所有流入的數(shù)據(jù)幀，對其源MAC地址進行檢驗，形成一個MAC地址到其相應(yīng)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(zhuǎn)發(fā)和過濾(Forward/filter decision)：當(dāng)一個數(shù)據(jù)幀到達交換機后，交換機首先通過查找MAC地址表來決定如何轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)幀。如果目的地址在MAC地址表中有映射，它被轉(zhuǎn)發(fā)到連接目的節(jié)點的端口，否則將數(shù)據(jù)幀向除源端口以外的所有端口轉(zhuǎn)發(fā)。

環(huán)路避免(Loop avoidance)：當(dāng)交換機包括一個冗余回路時，以太網(wǎng)交換機通過環(huán)網(wǎng)協(xié)議協(xié)議(如rstp)避免回路的產(chǎn)生，防止數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡(luò)中不斷兜圈子的現(xiàn)象發(fā)生，同時允許存在后備路徑。

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、間隔層和過程層。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下：

上圖只是一個間隔內(nèi)的簡單網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中站控層包括監(jiān)控后臺、故障信息系統(tǒng)、工程師工作站等;問隔層包括保護、錄波器、測控裝置等;過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(shè)備通過兩個網(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)系間隔層和過程層的過程網(wǎng)絡(luò)，在站控層網(wǎng)絡(luò)上傳送保護動作事件、保護定值、錄波文件、四遙信息等，在過程網(wǎng)絡(luò)傳送保護跳閘、保護啟動、保護閉鎖、斷路器位置、采樣值等實時信息[1-5]。

3 常用交換技術(shù)

3.1vlan

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

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

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

3.2鏡像技術(shù)

端口鏡像(port Mirroring)把交換機一個或多個端口的數(shù)據(jù)鏡像到一個或多個端口的方法。在一些交換機中，我們可以通過對交換機的配置來實現(xiàn)將某個端口上的數(shù)據(jù)包，拷貝一份到另外一個端口上，這個過程就是“端口鏡像”。