变电站数据通信模仿刍议

VLAN能方便变电站网络管理并减少其管理开销，当变电站扩充或减少设备的时候，若采用多VLAN技术，只需在交换机上进行相应的设置，在VLAN中增加或减少设定的设备即可，不需要考虑设备的物理位置，进而可以减少变电站的管理成本。这样利用交换技术从逻辑上将变电站通信划分成了三个层次，非常符合IEC61850标准的分层思想[13]。VLAN的设置VLAN的组网方法有四种，结合变电站结构特性应该采用交换机端口号定义的VLAN，这种划分方法简单易实现，而且变电站里的设备不经常移动，于是不存在设备变动端口后需从新配置VLAN的缺点。由于变电站类型很多，本文以D2-1型数字化星型变电站为研究对象进行有针对性的研究和分析，对此变电站进行VLAN划分时，需要9个抑制广播信息泛滥的VLAN；另外需要1个实现跨间隔通信和跨层通信的VLAN；最后需要1个进行变电站层内部通信的VLAN，总共需要划分不同用途的11个VLAN。由于通信网络系统默认的VLAN是VLAN_1，它包含整个网络的所有设备，另外根据交换机端口要求，Trunk端口加入的VLAN不能是VLAN_1。本文将整个数字化变电站划分为11个VLAN，考虑了跨交换机的同一个VLAN参数设置、跨交换机的不同VLAN参数设置以及不跨交换机的同一个VLAN参数设置。由于跨交换机通信时，会有多个VLAN的报文经过交换机的同一端口进行发送和接收，必须使交换机具有判断所接受的数据属于哪个VLAN的能力，所以本文将与中央交换机端口相连接的间隔交换机端口类型设置为Trunk(发送)tagged，传送时保存VLAN信息，中央交换机相应的Trunk(接收)tagged端口判断接收到的数据属于哪个VLAN，然后再根据相应设置转发到相应的端口上。

采用VLAN的变电站建模仿真

本仿真以数据通信最复杂的馈线间隔故障为例，采用VLAN的馈线间隔1故障时的D2-1型变电站数据由于数字化变电站中有许多高低压智能设备，对实际设备组成的网络环境进行研究不仅危险而且耗资大，收集分析统计数据也存在一定困难，因此选择基于离散事件驱动的OPNET网络仿真软件对变电站数据流进行建模仿真。OPNET是业界公认的最优秀的通信网络、设施、协议的仿真及建模工具，它主要由网络编辑器、节点编辑器、进程编辑器和探针编辑器组成。在OPNET的网络编辑器中根据D2-1型变电站构建的模型如图3所示，其中每个间隔作为一个子网与中央交换机连接。仿真中忽略原始电流电压数据从电流电压互感器到合并单元的传输时间，直接取用ethernet_station_adv节点模拟过程层合并单元，以及合并单元产生SAV数据报文，该节点可直接将原始电流电压采样数据映射到数据链路层，减少高层协议开销，基本符合IEC61850规定。仿真中所有数据包大小都选择在16~1024Bytes之间，同时不同数据流在不同时刻发送，避免短时间内集中发送。而数据通信行为由VideoConference服务模拟，采用不可靠的无连接UDP协议以减少网络延时，文件传输采用的是可靠的TCP协议以保证可靠传输；整个变电站除服务器和合并单元外所有的设备都由ethernet_wkston_adv模拟，具体数据流参数设置如表2所示。表中GOOSE报文采用ON/OFF机制，ON期间才产生GOOSE报文。ON状态的出现服从pareto(1.1,512)分布，而OFF状态的出现服从Poission(50)分布。根据数据流特性不同仿真采用的方式也不同：采用重复多个业务主洵的方式产生自相似的模拟突发数据流；采用videoconference业务模拟的设备状态信息、跳闸信息和GOOSE报文；采用FTP业务模拟文件传输。对实时性要求相对较高的报文，仿真中设置较高优先级标签，保证较高优先级报文在网络节点中优先发送和接收、在交换机中有优先交换权，使报文满足IEC61850对实时性的要求。VLAN标签字段的长度是4个字节，用户优先级标签位于第三个字节的高三位，优先级最高为7、最低为0[14]。由此本仿真设置跳闸信息和GOOSE报文为7级，而设备状态信息为6级，文件传输等级最低，采取系统默认等级。

仿真结果分析

论文对采用VLAN与没有采用VLAN的通信网络进行了对比仿真。合并单元模拟的SAV报文产生速率如图4所示，从图中可以看出合并单元在0s时刻，SAV报文以4000packets/s的速度传给本间隔交换机，此结果说明完全可以采用ethernet_station_adv节点模拟过程层合并单元。而变电站数据通道采用的是100Mb/s数据链路，节点处理能力是500000packets/s，完全满足该变电站数据通信的要求。进行VLAN划分能够抑制广播泛滥的仿真结果如图5所示。从图中可看出，当间隔交换机switch7接收到SAV报文后，会转发给保护控制单元IED，当没有采用VLAN，保护控制单元IED会由于广播的泛滥接收到其他8个间隔的合并单元传来的SAV报文，大量泛滥的广播数据加重中央交换机的负荷，增加排队延时，导致网络延时加大；而采用VLAN后，保护控制IED接收到switch7转发来的数据流量是4000packets/s，即VLAN_70将SAV报文限制在母线间隔，抑制大约32000packets/s的流量。划分多个VLAN大大减少中央交换机的负荷的仿真结果如图6所示。结果表明，变电站采用VLAN前，中央交换机5s前接收速率都为36000packets/s；而采用VLAN后，接收速率是0packets/s，在5s时刻由于设备状态信息报文的影响延时有少许增加，在10～11s之间又由于跨间隔传输的跳闸命令和GOOSE报文，文件传输的影响，使中央交换机的接收速率增加到10500packets/s左右，但由图6可知采用VLAN后大大减少了中央交换机负荷。VLAN对变电站实时性的影响，仿真结果显示出划分VLAN可以大大减少网络延时，采用VLAN后网络延时最多能减少72μs左右，使实时性要求较高的报文进一步符合IEC61850规定。

结论

仿真中将整个数字化变电站从逻辑上划分成11个VLAN，将同一工作性质的设备集中在同1个VLAN中，通过对采用或不采用VLAN的D2-1型星型数字化变电站的对比仿真分析，得出数字化变电站采用VLAN是可行而且必要的，它不仅可以抑制广播信息泛滥，还可以大大减少交换机的负荷和网络延时。在构建数字化变电站时，采用VLAN技术和标签优先级技术不仅可以减少网络延时，增加网络安全性，也可以降低交换机负荷，更加便于日后的电站设备管理。

作者：秦川红 王宁 任宏达 段雄英 张可畏 单位：大连理工大学电气工程学院 大连交通大学电气工程学院