基于全站唯一网络的数字化变电站通信流量控制策略研究论文_朱建军,张奕灿,李兴旺

（湖北襄阳供电公司湖北省襄阳市 441001）

摘要：数字化变电站采用全站唯一通信网络后，站内实时数据和非实时数据、控制性数据和非控制性数据共享同一网络，易导致网络资源争用且通信实时性也更加难以保证。采用虚拟局域网技术（VLAN）和优先级控制为解决上述问题的提供了思路和方法。本文以IEC61850-5中D3型变电站为模型，研究了基于全站唯一网络的数字化变电站的通信流量控制策略。

关键词：数字化变电站；全站唯一通信网络；VLAN；流量控制

1 基于全站唯一网络的数字化变电站

IEC61850将数字化变电站的功能在逻辑上分配到过程层、间隔层和站控层，站内各种功能的实现都依赖通信网络，通信网络扮演着数字化变电站中枢神经的角色。数字化变电站通信网络的结构取决于过程层网络与站控层网络的存在形式，目前三层两网结构的数字化变电站应用技术理论已成熟。由于三层两网结构的数字化变电站在设备投资与过程层信息共享等方面有局限性，而全站唯一网络却可以很好地解决这些缺陷，同时三层两网结构中过程层网络和站控层网络都使用制造报文规范（MMS）作为应用层协议以及采用交换式以太网，为站控层网络和过程层网络连接合并构成全站唯一通信网络（图1-1）提供了理论基础，因此全站唯一网络通信模式是数字化变电站发展的必然趋势，

图1-1 基于全站唯一网络的数字化变电站

2全站唯一网络的数字化变电站通信组网方案

基于全站唯一网络的数字化变电站的过程层IED和间隔层IED可以采用4种不同的基本组网方案：①面向间隔原则；②面向位置原则；③单一总线原则；④面向功能原则，文献[1][2]对上述四种方案做了详细研究。

本文以IEC61850-5中D3型变电站[3]（电气主接线共32个间隔：L1、L2为进线间隔，T1、T2为主变间隔，Fl-F22为馈线间隔，S2为母联间隔， S1、S3为母线分段间隔，三个母线间隔）为研究模型，采用方案①对过程层IED与间隔层IED组网，每个间隔根据包含的IED组成一个独立的子网，每个子网配置自身的总线段，同时还配置1个独立的全站范围的总线以连接各间隔的总线段，如图2-1所示：

图2-1 面向间隔组网的D3型变电站

过程设备接入方案

3基于全站唯一网络的数字化变电站通信报文流量控制策略研究

3.1数字化变电站通信数据流的特征分析

根据站内数据报文实现功能及报文重要程度的不同，可将数据报文分为7类：快速报文、中速报文、低速报文、原始数据报文、文件传输报文、时间同步报文以及访问控制命令报文，IEC61850对每类报文的传输时延都有明确的要求。根据变电站内数据流到达时间规律，变电站通信报文类型也可以概括为3类：周期性数据流、随机性数据流、突发性数据流。

3.2全站唯一网络通信报文流量控制策略

数字化变电站采用全站唯一通信网络后，变电站中的实时数据和非实时数据、控制性数据和非控制性数据共享同一网络，易导致网络资源争用以及安全性问题，同时还必须保证网络传输的实时性。虚拟局域网技术（VLAN）和通信报文优先级控制为解决上述问题提供了思路和方法，IEEE802.1Q是实现VLAN功能的国际标准。

VLAN的划分方法主要有以下3种：

（1）基于端口的VLAN划分：把一个或多个交换机上的几个端口划入到一个VLAN，这是最简单也是最有效的划分方法。该方法只要求网络管理员对交换机端口进行分配，不用考虑交换机端口所连接的装置。

（2）基于MAC地址的VLAN划分： MAC地址由12位16进制数表示，前8位为厂商标识，后4位为网卡标识。网络管理员可按MAC地址把一些站点划分为一个逻辑子网。

（3）基于路由的VLAN划分：路由协议工作在网络层，相应的工作设备有路由器和路由交换机（即三层交换机）。该方式允许一个VLAN跨越多个交换机或一个端口位于多个VLAN。

变电站内IED一般不存在位置移动变更的问题，根据IEC61850，SAV报文和GOOSE报文直接映射到链路层，没有3层报文封装结构，因此采用基于端口划分VLAN是比较合适的方式。为了能过滤不同VLAN的GOOSE报文，根据实际需求，一个端口可划分在不同的VLAN中。

为了区分与保护相关的时延重要且高优先级的总线传输和低优先级的总线负载，SAV和GOOSE报文采用了符合IEEE802.1Q的优先级标记（即在以太网报文中增加一个4字节的VLAN标识符）。

3.3 基于交换机端口划分VLAN的流量控制策略实例

本文以D3型变电站为模型，研究VLAN逻辑结构的划分方案及SAV报文与GOOSE报文在基于交换机端口划分VLAN中的网络传输方案，同时结合RUGGEDCOM（罗杰康）交换机给出了SAV报文与GOOSE报文传输网络的VLAN划分实例。

VLAN 划分规则：

首先需对站内二次设备进行逻辑分区。本文分3个步骤实现站内二次设备逻辑分区及VLAN划分（未考虑网络冗余）。

（1）按电压等级将变电站划分为220kV系统区、110kV系统区、10kV系统区及主变区。T1、T2主变相关设备与三个电压等级分区相交，对于跨电压等级的主变保护设备单独分区，见图3-3。

图3-3 逻辑分区（按电压等级）

（2）针对各个电压等级对各二次设备进行逻辑分组

220 kV系统按间隔分组：间隔L1、母线I段及T1分为一组，用1台交换机组网，接入Switch 1；间隔L2、母线II段及T2分为另一组，用1台交换机组网，接入Switch 2。鉴于主变保护的重要性及对实时性、可靠性要求较高，将T1、T2主变的高、中、低压侧合并单元及智能断路器分别接入220 kV系统间隔交换机Switch 1 、Switch 2。每个分组按间隔进行VLAN划分。

110kV系统按母线分组：母线上的设备用1台交换机组网，接入交换机Switch 3，按馈线间隔划分VLAN。

10kV系统按母线分组：10kV母线I段上的设备共用1台交换机，接入交换机Switch 4，按馈线间隔划分VLAN。10kV母线II段上的设备共用1台交换机，接入交换机Switch 5，按馈线间隔划分VLAN。

由于220 kV母线保护的数据传输跨越多个间隔，故将其直接接入核心交换机Switch 6实现母线保护功能。

本文设计的基于全站唯一网络的数字化变电站全站网络连接图及交换机端口分配图，如图3-4所示。

（3）按间隔进行VLAN划分时，根据交换机各端口连接的IED所需的信息不同，将端口划分为多个VLAN，分别传输SAV和GOOSE报文，例：Switch 1（图3-5）中将端口1、2、3、4、5、6、7、8划分为2个VLAN，其中：端口1、2、3、7、8划分为一个VLAN，传输SAV报文；端口4、5、6、7、8划分为一个VLAN，传输GOOSE报文。端口7、8同时属于两个VLAN。本文给出了基于RUGGEDCOM交换机的VLAN划分详细配置策略，限于篇幅仅列出了Switch 1 、Switch 3、Switch 6配置策略，主要配置步骤分为两步：

1）设置VLAN组，如表4-1所示。需要注意交换机有几个VLAN就有几个VLAN设置。如果交换机上的某个VLAN数据不要转发到某个端口，则在Forbidden Ports填入该端口号，如Switch 6中不希望Switch 6中的VLAN 2接收到端口6、7、8中的VLAN数据，则需在交换机设置VLAN2时，在Forbidden Ports项中禁止掉端口6、7、8。

2）交换机端口VLAN配置。在实现配置过程中需要准确理解与运用下面三个概念：第一、端口的类型，在端口VLAN的设置中，端口分为两种类型：Edge类型和Trunk类型，对于Edge类型支持本交换机的1个VLAN，对于Trunk类型，支持本交换机的所有VLAN；交换机级联口设置为Trunk类型；同时属于两个VLAN的端口也应设置为Trunk类型；第二，数据帧从端口的传入规则，见表4-2所示；第三，数据帧从端口的传出规则，见表4-3所示。据此3台交换机（Switch 1 、Switch 3、Switch 6）端口的VLAN配置如表4-4。

图3-4 全站唯一网络的数字化变电站全站网络连接图及交换机端口分配图

4 结语

数字化变电站采用全站唯一通信网络后，站内的实时数据和非实时数据、控制性数据和非控制性数据都将共享同一网络，从而使得网络运行状况变得十分复杂，然而必须保证通信传输实时性。本文采用的VLAN和报文优先级控制策略能很好的优化SAV报文与GOOSE报文传输，同时也保证了网络传输的实时性。

参考文献

[1]IEC61850-9-2．Communication Networks and Systems in Substations. Part 9-2: Specific communication service mapping(SCSM)– Sampled values over ISO/IEC8802-3，2002．

[2]高翔．数字化变电站应用技术研究[M]．北京：中国电力出版社，2008．

[3]IEC61850-5.Communication Networks and Systems in Substations.Part 5Communication

requirements for functions and device mode，2002，27-28

作者简介

朱建军：（1984-）男，硕士，研究方向：电力系统运行与控制、数字化变电站、输电线路运行，单位：湖北襄阳供电公司。