您好, 歡迎來到化工儀器網(wǎng)
智能變電站中的交換技術
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*、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)同互動等高級功能,，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(chǎn)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)絡的安全性。
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*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(chǎn)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)*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.zui高級：電氣量保護跳閘;保護閉鎖信號,。
b.次高級：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*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地址和某個端口的捆綁來保障端口的安全性,。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