VLAN技术在智能变电站中的应用

VLAN技术在智能变电站中的应用

【摘 要】以湖北柏泉500kV智能变电站工程为例，介绍VLAN技术在智能变电站过程层网络中的应用，重点阐述智能变电站过程层网络典型组网方案、交换机配置以及交换机VLAN划分。本文可为老站智能化改造或新建智能站网络规划设计提供参考。

【关键词】智能变电站；VLAN；过程层网络；SV；GOOSE

0 引言

IEC61850标准中，智能变电站过程层SV、GOOSE报文均使用多播地址传送。默认情况下，交换机将收到的多播报文全网广播，这将造成装置收到大量与自身无关的报文，尤其是网络中有采样值报文时，往往容易造成装置CPU过载、链路中断等现象。因此，需要对多播报文进行过滤，从大量的网络报文中筛选出装置需要的报文。

目前，过程层网络常用的多播报文过滤技术有静态多播地址表、GMRP（GARP多播注册协议）和VLAN。本文将重点阐述VLAN技术在过程层网络中的工程应用。

1 VLAN技术概述

VLAN（Virtual Local Area Network）又称虚拟局域网，是一种将局域网（LAN）内的设备从逻辑上划分成一个个网段，从而实现虚拟工作组的技术，即在不改变物理连接的条件下，对网络做逻辑分组[1]。它是根据IEEE 802.1Q标准，把一个物理上的局域网划分为多个逻辑上的局域网，每个虚拟局域网就是一个独立的广播域。同一个VLAN内的装置采用传统的以太网通信方式进行报文的交互，而不同VLAN内的装置之间在逻辑上相互隔离。

VLAN的工作原理是在以太网帧内增加VLAN头信息，用VLAN ID将网络划分为更小的工作组，限制不同工作组之间的二层访问，网络中的信息通过报文中的VLAN标识符来决定在哪个VLAN内传播。二层交换机收到带有VID标签的报文后，只将该报文转发到属于该VLAN的端口，并不是所有的交换机端口，从而有效的限制报文的广播范围。IEEE 802.1Q协议规定，具有优先级标记的以太网帧在目的MAC地址和源MAC地址之后定义4个字节的VLAN标签，用于标识VLAN的有关信息，前两个字节固定为0x8100，后两个字节的前3位用于标记0～7共8种不同的优先级，最后的12位是VID标识符，标识以太网帧属于哪个VLAN[2]，其格式如图1所示。

图1 IEEE 802.1Q定义的VLAN标签格式

VLAN的划分方式有基于端口、基于IP地址、基于MAC地址等多种方式。

采用VLAN技术后，可将交换机的某些端口划分到一个VLAN中，同一个VLAN内的成员可以互相通信，且一个VLAN的广播风暴不会影响其它VLAN的性能，从而有效控制网络的广播风暴。

2 工程应用

2.1 工程概况

湖北柏泉500kV智能变电站一期工程包括1200MVA变压器2组，500kV出线2回，220kV出线7回，66kV电容器、电抗器各4组。变电站采用常规电磁式电流、电压互感器，通过智能控制柜内的合并单元与智能终端实现就地数字化。保护装置直接采样，直接跳闸，保护之间的联闭锁信息、失灵启动等信息采用网络传输方式[3]。

2.2 网络结构

柏泉智能变电站分为三层：站控层、间隔层、过程层。连接站控层与间隔层的网络称为站控层网络，通过MMS报文实现站控层设备和间隔层设备之间的通信；连接过程层与间隔层的网络称为过程层网络，过程层智能装置通过GOOS、SV报文与间隔层设备通信，是典型的“三层两网”结构。根据继电保护对网络的要求，站控层网络和过程层网络均采用星形拓扑结构，网络结构简单清晰，任意两个智能装置之间最多不超过4台交换机，延时较小，有效避免网络风暴的发生，即能满足站控层可靠性的要求，还可以满足过程层跨间隔信号的实时性[4]。

2.3 过程层网络流量计算

SV报文流量计算：

以9-2格式的SV报文为例，某个线路间隔合并单元发送的ASDU数据集共有20个模拟量通道，发送频率为4000Hz，每帧一个采样点，典型的报文长度为224个字节，其流量=224*8*4000=7.168 （Mbit/s）。

GOOSE报文流量计算：

GOOSE采用心跳报文和变位报文快速重发相结合的发送机制，在GOOSE数据集中的数据无变位的情况下，心跳报文发送间隔时间一般设为5秒（T0=5S）。假设单个智能设备GOOSE报文的长度为250字节，其流量=250*8/5=400（bit/s），可见GOOSE报文流量远远小于SV报文流量。

2.4 VLAN划分思路

智能变电站过程层网络SV报文数据量巨大、流量固定；而GOOSE报文实时性要求高，对网络带宽占用少。根据SV/GOOSE报文流量的特点，将全站过程层网络划分为：500kV GOOSE A网、B网、500kV SV A网、B网、220kV/66kV

过程层A网、B网。其中500kV电压等级交换机按串配置，GOOSE网络与SV网络分别组网，220kV电压等级则按间隔配置交换机，GOOSE、SV共网传输，66kV不单独组网，其过程层网络并入220kV网络。GOOSE网络按电压等级划分为一个VLAN，默认VID=1，SV按合并单元依次划分为单独的VLAN，VID号全站唯一。

2.5 VLAN划分实例

柏泉500kV智能变电站采用基于端口的VLAN划分原则，交换机通过报文中的VLAN Tag标签来识别不同VLAN的报文。现以220kV过程层A网中心交换机为例，详细介绍VLAN的划分和交换机的配置。

220kV部分过程层SV、GOOS报文共网传输，保护装置直采直跳，线路保护与母线保护之间的失灵启动、启动远跳等信息采用网络传输方式；交流采样信息经线路合并单元同步处理后，以点对点方式发送给保护装置，以网络方式发送给测控装置、故障录波器、网络分析仪等。网络连接示意图如图2所示。图2 220kV过程层中心交换机连接示意图

需要注意的是，北京四方公司的智能终端在接收GOOSE报文时，约定先判断报文中的VID值是否与自身发送GOOSE报文的VID值一致，只有VID值相等才接收处理该GOOSE报文，否则丢弃该报文。由于各厂家装置发送的GOOSE报文默认情况下VID=0，而交换机端口在向外转发报文时无法带上VID=0的标签（交换机端口属性设置为Untagged）。因此，VLAN的划分方案是将GOOSE网络划分为VLAN2，智能终端发送的GOOSE报文自带VID=2标签，交换机转发给智能终端的GOOSE报文也带VID=2标签，保证智能终端收发GOOSE报文正常。其它厂家装置发送的GOOSE报文保持自带VID=0的标签，统一由交换机端口在接收GOOSE报文时打上VID=2标签，再转发给交换机其它端口；交换机端口转发GOOSE报文给其它厂家装置时，需要脱掉VID标签，因为其他智能装置接收GOOSE报文不需要判断VID标签。因此，GOOSE网络划分在VLAN2中，SV网络则按每一个合并单元单独划分一个VLAN，VID号保持全站唯一。根据装置间的连接需要，利用交换机的VLAN功能来控制GOOSE、SV报文流向，以满足工程需求。中心交换机的详细配置信息如表1所示。

由于该网络层合并单元装置较多，网络层所有交换机的备用端口都屏蔽了SV报文，防止今后启用备用端口时因透传过多的SV报文而导致交换机与其它装置通迅中断。

3 结语

随着智能变电站建设步伐的加快，投运的智能变电站越来越多，过程层网络多种组网方案得到了深入的应用和探讨。本文以湖北柏泉500kV智能变电站工程应用为例，阐述了VLAN技术在过程层网络中的应用。目前，该站运行将近一年，运行状况良好，网络流量分配合理，进一步说明本文所述组网方案及VLAN划分方式是有效可行的。