双环网网络结构在吉牛水电站计算机监控系统中的应用论文_张志辉

张志辉

四川革什扎水电开发有限责任公司 四川 丹巴 626300

摘要:针对安德里茨公司生产的AK1703大型水电站中计算机监控系统在吉牛水电站中的成功运用,通过对其开放式、分层、分布的双环网冗余网络结构进行全面分析,说明该结构在吉牛水电站运行中“可靠、实用、先进、高效”的特点,从而展望未来监控系统双环网网络结构的美好前景。

关键词:计算机监控系统;网络结构;双环网;冗余;结构特点

1 概述

吉牛水电站的建设和运行融合了国内外众多先进水电技术,如监控系统双环网冗余技术、OPGW特种电力光纤长距离通讯技术等。这些新技术、新工艺的引进和运用,不仅是我国水电行业在高水头冲击式水电站建设史上的一次大胆尝试,也是我国水电开发实力最好的体现。本文以吉牛水电站计算机监控系统的数据流为出发点,重点针对计算机监控系统双环网结构进行了全面的阐述,并指出其设计理念的先进性、安全性和可靠性。

2 网络结构综述

2.1 冗余网络结构的实施目的

由于监控系统属于集中控制的方式,各监控系统现地控制柜间数据传输的光缆铺设复杂。因此,为了保证整个计算机监控系统的数据流时刻处在一个安全、可靠的交换状态,为其选择一个技术先进、可靠性高、容易实施、具有较高性价比的网络结构就显得尤为突出。

任何一个以太网都是由在计算机上的网络适配器、传输通道和网络设备组成。首先,不能因为某个网络适配器工作不正常就影响整个网络的通信,所以,在每个计算机上的网络适配器必须是冗余的;其次,也不能因为某条传输通道的失效,或者某个网络设备的失效就影响整个计算机网络的正常通信,所以,传输通道和网络设备也必须是冗余的;甚至当整个以太网失效时,也要考虑采用其他网络来实现信息的传输。因此,利用冗余的网络适配器、冗余的传输通道、冗余的网络设备,最终就构成了多重冗余的网络结构。只有这样才能达到提高吉牛水电站网络结构安全、可靠和高效的目的。

2.2 网络拓扑结构的选型分析和资源规划特点

(1)网络拓扑结构的选型分析。

一个先进的计算机监控系统,必须要有可靠的自动化控制元件、执行元件和正确的逻辑算法,同时,它们之间传输的通道也必须是高速度性、高可靠性、高安全性的。因此,在结构选型上必须满足这些要求。

目前,常见的网络拓扑结构主要包括星型、总线型、环型,考虑到环网在拓扑结构上可以包括总线型,在此,只针对星型和环型网络结构进行分析,具体情况详见表1。

根据对表1进行的分析后可以看出:网络冗余的拓扑结构在可靠性上远远优于无冗余结构的网络。双星型和双环网型结构都具有允许部分网络传输设备和通道故障而不影响整个网络正常运行的特点。同时,双星型结构适合于控制中心集中、网络结构要求扩展性高的系统;双环网型结构适用于系统安全稳定性高、控制中心分散、扩展要求低的系统。

双星型与双环网型结构相比,在铺设网络通道的过程中具有施工难度复杂、材料消耗过多的缺点,如果选用星型结构,必将增加工程资金预算,不利于成本的控制。因此,在选型时,吉牛水电站计算机网络优先选用开放式、双环网冗余结构。其基本结构为:电站内部各个监控屏柜间的数据传输采用光纤双环网冗余结构,从而形成了网络双环的网络拓扑结构。

(2) 网络资源规划特点。

通过选型分析和结构建模,可以很容易的规划出整个吉牛水电站监控系统的网络结构,如图1所示。

图1中,规划出了吉牛水电站主干网的双环拓扑结构。其中,作为主干环网的设备接入通讯柜内的厂级交换机(MS20-1600),又分别与上位机系统后台及GPS形成双星型网络,形成了双环网与星型网络结合的一个综合性冗余网络结构。另外,在上位机系统中,两台互为主从冗余的数据服务器由于考虑到其巨大的数据吞吐量而采用了分别采用具有屏蔽功能的网线以星型方式分别接入两台厂级交换机(MS20-1600),而其他操作员站上位机则采用两路100 MB/s屏蔽超五类双绞线以太网通道接入分别接入两台厂级交换机,从而构成了双星型冗余的上位机网络系统。来自电站内部各个LCU柜(现地控制单元)的数据流通过它们柜内的RS20-1600交换机,采用100 MB/s的多模(MM)光纤作为传输介质,进行双环网连接通讯。同时,每个LCU柜内的RS20-1600交换机均为双机冗余配置,从而形成了电站内部不同机组LCU之间,1号机组LCU1与公用LCU3之间,公用LCU3与通讯网络柜LCU6之间,2号机组LCU2与开关站LCU4间,以及公用LCU3与通讯网络柜LCU6之间冗余环网结构。该结构允许交换机、光纤、网线、网卡等最多四种设备故障,并且链路通讯恢复时间<500 ms,最大限度地保证了生产现场的网络安全。

图1 吉牛水电站监控系统网络拓扑图

(3)吉牛水电站网络结构传输通道的特点。

由于吉牛水电站大坝LCU距离厂级交换机距离长达35km对于这种远距离通讯,目前普遍采用光纤作为首选传输介质。光纤通讯具有传输距离远,抗干扰能力强,通信容量大,抗化学腐蚀能力强等特点。同时,吉牛水电站到闸首到厂房地理环境复杂,以高山为主,从大坝到厂房天然落差达498 m,给光缆的铺设工作带来巨大的难度。因此,通过租用电信的2M光纤通道不失为一种比较经济的设计方案,避免了单独敷设光缆而带来的项目重复投资。

3 网络特点

3.1 先进的网络结构

吉牛水电站计算机监控系统采用的双环网冗余结构,是目前工业运用中非常先进、可靠的网络结构之一,已经开始在我国许多新建电站中推广应用。与此同时,环网中还设计了环间耦合功能,这些设计结构均大大增加了网络通道的可靠性。另外,为了增加网络终端接人的灵活性,采用了部分双星型网络结构。这种星型结构的应用,不仅丰富了整个网络层次,优化了网络资源配置,也使其拥有了更高的可扩展性。

3.2 高冗余、高可靠性的网络通道

该网络结构通过网线、交换机、网卡双重冗余的配置,如图1中的环网A、环网B在网络运行过程中互为主从冗余。环网A中因任意一个交换机或者任意一点传输介质的故障,中断了环网A的数据通讯,这时网络交换机将启动自愈功能,快速的切换到环网B作为主用通道进行数据交换,从而保证了数据流的连续性和可靠性。

3.3 高效的网络交换机

吉牛水电站监控系统选用了支持环网+星型网络结构的德国赫斯曼交换机。该交换机作为国际顶尖的工业级网络设备,拥有VLAN(802.1Q)、组播(IGMP snooping/querier、GMRP)、广播限制、简单网络时间协议(SNTP) IEEE 802.3x流量控制、故障自诊断报警等功能。其中MACH3000系列交换机还具有支持最大达16 Gbit/s数据流量,HIPER—Ring千兆环网自愈时间<50 ms,百兆环网自愈时间<500 ms(环上50台)等领先技术。另外,该交换机在吉牛水电站运用中均采用交直流双供电源,从而保证了其运行的稳定性、可靠性。

3.4 高安全性的网络结构

对于本系统网络功能来说,一方面,上位机系统要通过网络访问服务器的数据,另一方面,水电站系统又需与其他外部系统进行必要的接口。因此,为了有效保障网络数据流的安全,吉牛水电站的监控系统网络结构采用了各种安全策略,如:(1)在MS20-1600交换机中进行端口配置,将MAC地址进行端口绑定;(2)网络二层(数据链路层)的虚拟网VLAN技术;(3)使用物理隔离装置,将外网与监控内部网络进行安全隔离。外部网络用户只能通过隔离装置进入监控系统内部,并在一定权限范围内进行功能的使用;(4)系统采用开放式设计,兼容linux、unix、windows等不同操作系统,既提高了系统的稳定性、兼容性和可扩展性,也最大程度的抵御了各种计算机病毒以及黑客的攻击。

4 结语

随着吉牛水电站双环网技术的成功应用,相信其高冗余性、高可靠性、结构多元化的特点必定会受到越来越多电站的青睐,这项技术也必将得到更加广泛的推广和应用。

参考文献:

[1]王延尧.以太网技术与应用.人民邮电出版社.2005.

[2]张民,许进,黄学田.光纤以太网,北京邮电大学出版社.

[3]赫斯曼交换机说明书.

作者简介

张志辉(1987—),男,四川革什扎水电开发有限责任公司,助理工程师,大学本科,从事电力生产工作。

论文作者:张志辉

论文发表刊物:《防护工程》2018年第18期

论文发表时间:2018/11/13

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