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摘要：针对智能变电站数据流的数学结构进行分析，研究了过程层网络与站控层网络合并情况下的VLAN划分方法和原则，并且明确所含设备以及作用，最后通过OPNET Modeler软件验证有无VLAN和优先级标记的通信网络性能，结果表明虚拟局域网和优先级标记可以有效降低全站统一式网络负载和数据传输延时。
关键词：数据流；全站统一式网络；VLAN；优先级标记； OPNET
0 引言
新一代智能变电站的继电保护通信网络是自动化系统的重要组成部分，通信网络在任何故障和非故障情况下都要满足保护功能的可靠性和实时性，目前国家电网已经运行的智能变电站中，大多数采用的是分层式网络，分层式网络主要指站控层网络和过程层网络分开，这种方式可靠性高，但是造价较高；全站统一式的网络是将站内所有IED设备与站控设备都放在一张网上，即将过程层网络和站控层网络合并，这种方式可以有效降低建设成本，数据可以实现最大限度共享，但是同时也对继电保护通信网络的负载和时延都带来了不确定性。
目前对分层式网络主要采用虚拟局域网VLAN、基于IEEE 802.1Q的优先级标记、以及优化设备配置来限制时延，而对全站式的网络缺少研究。基于以上原因，本文首先对继电保护典型数据的进行分析，然后研究了全站统一式网络的VLAN的配置方法和原则，最后在前述分析的基础上，通过OPNET软件验证此种方案下智能变电站通信网络的性能。
1 智能变电站通信网络数据流分析
根据智能变电站实际运行情况，站内数据流向主要为：a.采样值SV报文由合并单元（Merging unit，MU）向保护控制IED发送。b.GOOSE报文，GOOSE跳闸命令采用较短的间隔2*N（即2，4，8等）ms进行一定次数的重发；此外正常情况下的设备状态信息也会发送GOOSE状态报文，让相关设备实时监控断路器的当前状态。c.中速报文，主要是保护测控设备向站控主机周期性上送的测量值等信息。d.文件传输报文，服务器与站控主机之间上传/下载文件等，一般采用FTP协议传输。数据流向见图1
按照表2优先级要求设置报文的优先级标签，保证较高优先级报文在网络节点中优先发送和接收。仿真以母线间隔故障情况下的网络负载为仿真条件，并且对比有无VLAN对全站统一式通信网络延时的影响。为避免同时发送报文对仿真结果的影响，报文采用分时发送，1s开始发送SV报文，5s开始发送设备状态信息报文，10s时刻设置10kV母线I故障，馈线间隔1和馈线间隔2以及母联断路器跳闸，发送GOOSE跳闸和GOOSE状态报文，15s时刻结束；13s开始站控设备从保护控制IED下载FTP文件，GOOSE报文采用无连接 UDP 协议以减少网络延时，报文持续时间间隔采用 ON/OFF 机制，其中ON 状 态 的 出 现 服 从pareto(1.1,0.000512) 分布，而 OFF 状态的出现服从参数为Poission(50)的负指数分布。仿真结果见图3和图4。
图3给出了中央交换机的网络负载情况，如果没有VLAN和优先级标记，中央交换机网络负载率很高而且网络性能不稳定，有形成广播风暴的危险，造成网络阻塞；在划分了VLAN的网络中母线故障后有GOOSE报文而有小幅度上升，但是网络性能较好。
图4给出了母线间隔通信网络的延时对比图，没有VLAN时，报文传输延时明显比划分VLAN的要大，而且抖动很明显，不利于保护功能的速动性和可靠性。在划分VLAN后，延时抖动较小，有利于提高网络利用率，降低网络延时。
4 结论
全站统一的通信网络有利于降低工程造价，本文通过分析全站的数据流结构，并且研究了 VLAN的划分方案，并且通过OPNET软件验证了有无VLAN和报文优先级对网络性能的影响。通过对比可以看出划分VLAN和设置优先级后后，可以有效减轻中央交换机负载并且降低网络延时，这对全站统一式网络的在工程中的应用提供了依据。尤其在低压变压站中，昂贵的交换机对用户来说是不能接受的，那么就可以使用此种方案来降低成本。
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作者简介：
刘斌（1986.01-），男, 研究生，工程师，现从事输变电运检工作，单位：国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司。
丁仁杰（1991.02-)，男，本科，助理工程师，现从事输变电运检工作，单位：国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司。
论文作者:刘斌,丁仁杰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/12
标签：报文论文; 变电站论文; 网络论文; 优先级论文; 通信网络论文; 全站论文; 母线论文; 《电力设备》2017年第29期论文;