智能變電站中的交換技術

摘要：智能變電站技術的逐步發(fā)展，使得以太網交換機在變電站中的重要性日益明顯。文章首先介紹了以太網幀在交換機中的學習和轉發(fā)原理，然后說明了變電站分層結構下二次系統(tǒng)使用交換機的組網方案，再詳細剖析了 vlan、qos、鏡像、組播等交換技術原理，根據各種IED特點及數據流特點，給出各項技術實際的應用方案。根據不同業(yè)務需要和不同的報文類型，設計合理的網絡拓撲，并靈活的使用這些交換技術，可以保障智能變電站中的通信報文安全、穩(wěn)定、可靠地傳輸，從而使得整個變電站變得更加堅強。

引言

隨著信息通信技術、計算機網絡技術的日益成熟，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。智能變電站是采用先進、穩(wěn)定的智能設備，以全站信息數字化、通信平臺網絡化、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，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能，實現與相鄰變電站、電網調度等互動的變電站[1-5]。由此可見，通信網絡是變電站智能化的關鍵依托，而以太網交換機又是整個網絡中的樞紐。文章介紹以太網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據接收和轉發(fā)的設備。，它檢測從以太端口來的數據包的源和目的地的MAC(介質訪問層)地址，然后與系統(tǒng)內部MAC表進行比較，若數據包的MAC層地址不在查找表中，則將該地址加入查找表中，并將數據包發(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)聽所有流入的數據幀，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)：當一個數據幀到達交換機后，交換機首先通過查找MAC地址表來決定如何轉發(fā)該數據幀。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，否則將數據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，以太網交換機通過環(huán)網協(xié)議協(xié)議(如rstp)避免回路的產生，防止數據幀在網絡中不斷兜圈子的現象發(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

在IEC61850中把變電站分為三層：站控層、間隔層和過程層。網絡結構如下：

上圖只是一個間隔內的簡單網絡結構，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絡相聯，即聯系站控層和間隔層的站控層網絡，聯系間隔層和過程層的過程網絡，在站控層網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，是一種通過將局域網內的設備邏輯地而不是物理地劃分為一個個網段從而實現虛擬工作組的技術。VLAN技術允許網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、簡化網絡管理、提高網絡的安全性。

在智能變電站中，根據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據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將某個端口上的數據包，拷貝一份到另外一個端口上，這個過程就是“端口鏡像”。