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摘要：虚拟局域网VLAN(Virtual Local Area Net w o r)技术充分体现了现代网络技术的重要特征：高速、灵活、管理简便和扩展容易。是否具有VLAN功能是衡量局域网交换机的一项重要指标，网络的虚拟化也是未来网络发展的潮流。基于此，本文主要对VLAN技术在智能变电站网络系统中的应用进行分析，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：VLAN技术；智能变电站；网络系统；应用
1、前言
VLAN技术是通过将局域网内的设备逻辑地划分成不同网段，从而实现组建虚拟工作组的技术，达到减少碰撞和广播风暴、增强网络安全性，并为802.1p协议的实现奠定了技术基础，提供了实现手段。智能化变电站过程层网络信息数据总量十分可观，但大部份信息数据不需要横向流通，在过程层网络中采用VLAN组网技术，为100M以太网交换机在智能化变电站组网中的应用奠定了理论基础，既降低了组网成本，又满足了网络安全、可靠性。
2、数字化变电站的通信要求
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。
IEC61850标准把变电站自动化系统从功能逻辑上分配为三层(站层、间隔层、过程层)。根据IEC61850-7-1标准，过程层和间隔层采用IEC61850-9-1/2协议和GOOSE协议通信，间隔层装置和站控层采用IEC61850-8-1（MMS）通信。IEC61850-9-1采用点对点传送方式，只需考虑传送介质的带宽和接受方CPU处理数据的能力，而不用担心数据流量对于其他间隔设备传输的影响，因为它并没有通过网络与其他间隔共享网络带宽，所以不需要交换机。这种方式简单可靠，但光纤连线繁杂，无法在标准范围内实现跨间隔保护，安装方式不灵活。而IEC61850-9-2方式将合并器采样数据信号以光纤方式接入过程层网络，间隔层保护、测控、计量等设备不再与合并器直接相连，通过过程层网络获取信息数据，从而达到采样信号的信息共享。通过在交换网络中采用网络优先级技术、VLAN技术、组播技术等网络技术有效的防止采样值传输流量、速度对过程层网络地影响，保证过程层数据在100M以太网上安全、高效、有序传输。
IEC61850-3部分定义了变电站自动化系统(SAS)站内智能电子设备(IED)之间的通信及相关系统要求，对站内设备监视、配置和控制的通信系统的可靠性、可用性、可维护性、安全性、数据完整性等性能提出了要求。为了满足这些要求，设备间通讯依靠基于IEC61850标准的100-Mbit/s光纤以太网实现，过程层设备通过过程级总线互联，间隔层设备通过站级总线互联。
网络交换机要求具备以下管理功能：可靠性符合IEC61850-3标准；交换机支持多环组网方案；高速e RSTP环网冗余技术，每台交换机的恢复；时间<5ms；Zero-Packet-Loss零丢包技术；宽温度范围；超强的抗电磁干扰能力；MTBF长，保证了高可用性；支持802.1QVLANs；支持802.1p协议。
3、工程应用
3.1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网络结构
柏泉智能变电站分为三层：站控层、间隔层、过程层。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆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。
3.3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(M bit/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。
3.4VLAN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：500kVGOOSEA网、B网、500kVSVA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。
3.5VLAN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。
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U n tagged）。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。
4、结语
本文通过对VLAN技术的说明以及数字化变电站系统和站内智能电子设备IED通信及相关的系统要求，系统地论述了VLAN技术在数字化变电站中的应用情况。经过数字化变电站实际运行，采用IEC61850-9-2规约和VLAN方案配置，具有光纤连线简洁，便于实现跨间隔保护，安装方式灵活，运行维护简单，其通信可靠性，简单性、安全性、数据完整性以及其他性能要求均完全符合IEC61850的要求。
参考文献
[1] 张沛超.变电站通信网络和系统协议IEC61850的研究[Z].
[2] 高翔.智能变电站技术[M].北京：中国电力出版社，2012.
[3] 黄锡伟.虚拟局域网[M].北京：清华大学出版社，2004.
论文作者:邹超
论文发表刊物:《电力设备》2016年第23期
论文发表时间:2017/1/18
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