DQZHAN訊：智能變電站中的交換技術
摘要：智能變電站技術的逐步發(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)幀在交換機中的學習和轉發(fā)原理，然后說明了變電站分層結構下二次系統(tǒng)使用交換機的組網(wǎng)方案，再詳細剖析了vlan、qos、鏡像、組播等交換技術原理，根據(jù)各種IED特點及數(shù)據(jù)流特點，給出各項技術實際的應用方案。根據(jù)不同業(yè)務需要和不同的報文類型，設計合理的網(wǎng)絡拓撲，并靈活的使用這些交換技術，可以保障智能變電站中的通信報文**、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、計算機網(wǎng)絡技術的日益成熟，以及智能斷路器、新型互感器技術的發(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)定的智能設備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡化、信息共享標準化為基本要求，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、智能調節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等**功能，實現(xiàn)與相鄰變電站、電網(wǎng)調度等互動的變電站[1-5]。由此可見，通信網(wǎng)絡是變電站智能化的關鍵依托，而以太網(wǎng)交換機又是整個網(wǎng)絡中的樞紐。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服務器及終端并負責它們之間數(shù)據(jù)接收和轉發(fā)的設備。，它檢測從以太端口來的數(shù)據(jù)包的源和目的地的MAC(介質訪問層)地址，然后與系統(tǒng)內部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)送到相應的端口，如果目的地址與該端口相對應則不進行轉發(fā)。
基于以上原理，交換機完成以下功能：
地址學習(Address learning)：以太網(wǎng)交換機能夠學習到所有連接到其端口的設備的MAC地址。地址學習的過程是通過監(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)和過濾(Forward/filter decision)：當一個數(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發(fā)。
環(huán)路避免(Loop avoidance)：當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)避免回路的產生，防止數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡中不斷兜圈子的現(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)絡結構如下：

上圖只是一個間隔內的簡單網(wǎng)絡結構，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。這三層設備通過兩個網(wǎng)絡相聯(lián)，即聯(lián)系站控層和間隔層的站控層網(wǎng)絡，聯(lián)系間隔層和過程層的過程網(wǎng)絡，在站控層網(wǎng)絡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
3.1vlan
VLAN(Virtual Local Area Network)即虛擬局域網(wǎng)，是一種通過將局域網(wǎng)內的設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。VLAN技術允許網(wǎng)絡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內部的廣播和單播流量都不會轉發(fā)到其他VLAN中，從而有助于控制流量、減少設備投資、簡化網(wǎng)絡管理、提高網(wǎng)絡的**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，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、合并單元跟相應的保護測控一體化設備或者同一vlan中。
在變電站網(wǎng)絡中會遇到一個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備通信，這些情況下要設置vlan交集。
3.2鏡像技術
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”。
端口鏡像可以監(jiān)控某個端口或者某些端口的輸入數(shù)據(jù)包，也可以監(jiān)控其輸出數(shù)據(jù)包，也可以監(jiān)控雙向的數(shù)據(jù)包。在智能變電站中，站控層或者間隔層通常要用到交換機的端口鏡像功能，如，網(wǎng)絡分析儀要監(jiān)控整個網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)，可以根據(jù)網(wǎng)絡上IED的功能實現(xiàn)確定鏡像方案。例如，整個間隔網(wǎng)絡都向后臺發(fā)送數(shù)據(jù)，一種方案為將后臺的輸入輸出雙向數(shù)據(jù)鏡像到網(wǎng)絡分析儀上，或者將網(wǎng)絡分析儀所在交換機的所有IED的輸入數(shù)據(jù)鏡像到分析儀上。在做鏡像時要考慮組播泛洪特性，如果網(wǎng)絡上存在未知目的地址組播，根據(jù)組播泛洪特性，可以將網(wǎng)絡分析儀劃入獨立vlan，也可以將發(fā)送組播端口的鏡像功能取消[5]。
在做端口鏡像時，要考慮數(shù)據(jù)流量，確保目的端口帶寬大于所有源數(shù)據(jù)累加。
3.3環(huán)網(wǎng)技術
交換機成環(huán)以后會造成重復幀、MAC地址表不穩(wěn)定、廣播風暴的后果，這種情況下廣播數(shù)據(jù)充斥整個網(wǎng)絡，網(wǎng)絡帶寬被占用殆盡，正常業(yè)務不能運行甚至徹底癱瘓，而且在大型網(wǎng)絡中故障不好定位，所以廣播風暴是二層網(wǎng)絡中災難性的故障。
通信冗余性協(xié)議就是在這種情況下提出的，它在通信網(wǎng)絡中存在環(huán)路時，會自動禁用某些鏈路，防止環(huán)路的形成。而當通信路徑發(fā)生故障時，則會打開前面那些禁用的路徑，提供冗余的通信線路，保證通信的暢通。目前常用的環(huán)網(wǎng)技術RSTP、EAPS等，一些交換機廠家有自定義的私有環(huán)網(wǎng)協(xié)議。有些變電站為了實現(xiàn)網(wǎng)絡的冗余備份，組成環(huán)網(wǎng)，這時候為了防止廣播風暴的產生，交換機必須運行相應的環(huán)網(wǎng)協(xié)議[7]。
3.4 qos技術
IEEE802.1P協(xié)議是IEEE802.1Q協(xié)議的擴充協(xié)議.為以太網(wǎng)上數(shù)據(jù)包定義不同的優(yōu)先級，確保關鍵應用和時間要求高的信息流優(yōu)先進行傳輸，同時照顧優(yōu)先級低的應用和信息流。
交換機中為每個端口分配固定數(shù)量的輸出隊列，這些隊列也定義了內部的優(yōu)先級。需要從該端口輸出的分組被按照一定的規(guī)則(優(yōu)先級映射)放入不同的輸出隊列中。具有不同業(yè)務優(yōu)先級的分組被放入不同的優(yōu)先級隊列后，要采取相應調度機制來決定這些隊列中的分組被送到端口上發(fā)送的先后順序，一般交換機支持嚴格優(yōu)先級調度、隨機調度、權重調度等。以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)在進入交換機之前如果帶有優(yōu)先級標簽，則進入交換機后根據(jù)地址表轉發(fā)到輸出端口，然后根據(jù)數(shù)據(jù)包標簽上指明的優(yōu)先級進行映射到相應輸出隊列，然后通過配置的調度算法輸出。如果數(shù)據(jù)包進入交換機之前沒有帶優(yōu)先級標簽，則交換機會在輸入端口為該數(shù)據(jù)包加上默認的優(yōu)先級標簽進行轉發(fā)。
由于智能變電站中GOOSE報文要求*高的實時性和可靠性，所以需要在站控層和間隔層把GOOSE報文的優(yōu)先級設為*高。過程層GOOSE網(wǎng)絡中傳輸?shù)男畔?yōu)先級按照由高到低的順序做定義[5,7]。
a.***：電氣量保護跳閘;保護閉鎖信號。
b.次**：遙控分合閘;斷路器位置信號。
c.普通級：刀閘位置信號;一次設備狀態(tài)信號。
若GOOSE報文本身沒有設定優(yōu)先級，則需要把連接GOOSE信號的交換機端口的默認優(yōu)先級設定指定的高低。
3.5組播技術
智能變電站中很多IED都會發(fā)送組播報文，對于目的地址未知的組播報文，交換機一般處理方式為以廣播形式泛洪，這樣會對網(wǎng)絡上其它IED造成極大的沖擊，基于此，使用組播技術可以避免網(wǎng)絡上的組播泛洪[6-8]。
組播(也稱多址廣播或多播)技術，是一種允許一臺或多臺主機(多播源)發(fā)送單一數(shù)據(jù)包到多臺主機的網(wǎng)絡技術。組播分為靜態(tài)組播和動態(tài)組播兩種。
靜態(tài)組播地址管理通過在二層地址表中增加相應的組播地址條目來實現(xiàn)對組播成員的管理，當具有該目的地址的組播報文到達時，將只向地址表該條目中定義的成員端口轉發(fā)。靜態(tài)組播地址管理適合于成員數(shù)量較少的組播組，當組播成員較多且成員變化頻繁時，這種方式并不適合。
GARP(Generic Attribute Registration Protocol,通用屬性注冊協(xié)議)多播注冊協(xié)議——GARP Multi Registration Protocol (GMRP)是IEEE 802.1D標準中定義的通用屬性注冊協(xié)議(GARP)的一部分，此協(xié)議用于管理交換機中的動態(tài)多播信息。其工作原理可以簡單描述為：當連接在交換機上的一臺主機設備準備加入某一個多播組時，它會發(fā)出GMRP加入消息，交換機收到消息后，將該主機連接的交換機端口加入該多播組中，并在主機所在的VLAN中廣播該GMRP加入消息，組播源收到該消息就知道該成員的存在了。當組播源向該組發(fā)組播流時,交換機只會將組播流發(fā)送給組播組內的端口。
IGMP(Internet Group Management Protocol, Internet組管理協(xié)議) snooping協(xié)議是IETF(Internet Engineering Task Force, Internet工程師任務組)的標準，它是運行在二層設備上的組播約束機制，用于管理和控制多播組。運行了IGMP snooping的交換機在收到IGMP報文后進行分析，在交換機內建立或者刪除組播MAC與端口的對應關系，交換機根據(jù)該映射關系進行數(shù)據(jù)的轉發(fā) [9]。
目前智能變電站中用的較多的是通過vlan隔離組播，及通過GMRP協(xié)議發(fā)送組播。
4 其他交換技術
4.1 鏈路聚合技術
鏈路聚合是把多個以太網(wǎng)端口捆綁形成一個邏輯的端口。*終形成的Trunk可以看作是一條邏輯的鏈路。通過Trunk這種方式可以提供鏈路的冗余性、鏈路的負載均衡。同時把多個端口捆綁在一起可以提供數(shù)倍于原鏈路的帶寬。
4.2 廣播風暴抑制
在智能變電站通信網(wǎng)絡中，一臺連接到交換機上的機器可能有意(惡意攻擊)或者無意(感染病毒)地以極高的速率發(fā)送廣播/組播數(shù)據(jù)，而這些報文會被洪泛到網(wǎng)絡中的其它部分，從而造成整個網(wǎng)絡的通信異常。交換機的廣播風暴抑制提供了一種抑制這種數(shù)據(jù)流量過多地進入到網(wǎng)絡中的手段[10]。
4.3 端口綁定及鎖定
MAC地址和端口的靜態(tài)綁定技術通過把一個MAC地址和某個指定端口的捆綁來保障端口的**性。在綁定以后，具有該MAC地址的機器只能通過被綁定的端口享受網(wǎng)絡服務，而當該機器移動到其它交換機端口時，將無法訪問網(wǎng)絡。此功能原理上是添加一個靜態(tài)MAC地址到交換機的地址表中。而鎖定是在此基礎上關閉端口的地址學習能力，因而具有其它MAC地址的機器也不能使用該被鎖定端口。
5結論
本文詳細介紹了交換機的原理及在變電站中的組網(wǎng)結構，結合智能變電站中的實際應用介紹了常用的交換技術，靈活的使用這些交換技術，可以充分優(yōu)化智能變電站通信網(wǎng)絡的性能，保障網(wǎng)絡的穩(wěn)定、**得運行，對目前的智能變電站建設有重要意義。
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