智能變電站通信架構和過程層VLAN劃分的探討

江 軍，封 濤，汪文熙

（1.國網遼陽供電公司，遼寧 遼陽 111000；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106）

智能變電站通信架構和過程層VLAN劃分的探討

江 軍1，封 濤2，汪文熙2

（1.國網遼陽供電公司，遼寧 遼陽 111000；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106）

智能變電站的出現，不僅是對變電站架構的變革，更是一種新的建設模式、操作模式和生產模式，在智能電網建設中的地位日益突出。智能變電站現已取代傳統的電纜傳輸模式，而采用光纖數字通信技術和網絡技術。在通信技術上，按照IEC61850標準通信體系要求以及對智能變電站過程層網絡架構特點的分析，提出了基于功能、電壓等級的智能變電站過程層網絡VLAN劃分方案。通過工程應用實例，也證明了該方法配置簡單、實用且具有可讀性，易于工程設計和維護。

智能變電站；過程層；虛擬局域網

智能變電站自動化比傳統變電站自動化的范圍進一步擴大［1］。智能變電站自動化是由監控系統、繼電保護、輔助設備、輸變電設備狀態監測、時鐘同步、計量等設備組成。智能變電站的監控系統，對內與站內各變電站智能電子設備 （IED）設備相聯，采集數據完成信息交互；對外則縱向貫通于安全Ⅰ區的調度監控平臺，是智能變電站自動化的核心組成部分。

VLAN（Virtual Local Area Network），即虛擬局域網，是一組邏輯上的設備和用戶，這些設備和用戶不受物理位置的限制，可以根據功能、需求及實際應用等因素將它們組織起來。在智能變電站內，由于層次定義的需求、功能以及實際應用等方面的原因，采用VLAN可以優化數據傳輸、提高通信效率。

本文結合遼陽首山220 kV智能變電站，分析智能變電站的網絡，探索VLAN的管理和傳輸方式及在工程調試中的技術優勢。

1 智能變電站的通信架構及網絡特點

智能變電站采用合理、先進的網絡架構，按照標準的要求選擇網絡方式，真正實現設備間信息的共享、互通，達到數據標準化、統一化、網絡共享化。智能變電站的系統結構自上而下分別為站控層、間隔層和過程層。網絡架構由 MMS（Manu?factoring Message Specification，制造報文規范）、GOOSE、SV網絡組成［2］。

智能站的三層網絡架構如圖1所示。

智能變電站由站控層網絡和過程層網絡組成。

站控層網絡是間隔層設備與站控層設備之間的網絡，負責實現站控層內部及站控層與間隔層之間的數據傳輸，即負責全站設備的監控、管理和高級應用。

過程層網絡是間隔層設備和過程層設備之間的網絡，負責實現間隔層設備與過程層設備之間的數據傳輸，其作用主要負責采樣值的采集、設備間配合命令的傳輸［3］。過程層網絡包含 SV網絡和GOOSE網絡。SV網絡內信息主要為采樣值信息（SV報文），其主要特點是數據量大，流量較為穩定，無突發流量，占用帶寬資源多。GOOSE網絡內信息主要為面向通用對象的變電站事件（GOOSE報文），其主要特點是流量較小，但存在突發報文流量［4］，對實時性及優先級要求高。

圖1 智能變電站網絡架構示意

2 過程層網絡VLAN劃分的必要性

過程層設備通過光纖媒介與間隔層設備通信，過程層網絡主要傳輸采樣值信息 （SV）、開入開出和事件信息 （GOOSE），SV報文是以4 000幀／s報文實時發送，其特點是發送數據量大，GOOSE報文是定期 “心跳”發送和變位瞬時發送，其特點是平時數據量不大，當發生擾動啟動或區內外故障時不同設備會同時發生突發GOOSE變位報文，可能引起網絡負荷瞬時過重［5］。因此，采取有效的方法對SV、GOOSE報文進行隔離、過濾是十分必要的。針對以上分析，過程層網絡中的GOOSE報文、SV報文的發布，一般可考慮采用VLAN網絡技術手段對數據進行分類導向和流量控制，以滿足智能變電站對信息實時性及高效性的要求。

3 過程層網絡VLAN劃分的優勢

VLAN在過程層網絡的應用，可實現網絡的動態管理，增加安全性，限制廣播包等優勢［6］。

a. 限制網絡上的廣播。VLAN可以提供建立防火墻的機制，防止交換網絡的過量廣播。

b.增強局域網的安全性。不同VLAN內的報文在傳輸時是相互隔離的，即一個VLAN內的用戶不能與其他VLAN內的用戶直接通信，如果不同VLAN要進行通信，則需要通過路由器或三層交換機等三層設備［7］。

c.增加了網絡連接的靈活性。借助于VLAN技術，可以將不同地點、不同網絡、不同用戶組合在一起，形成一個虛擬的網絡環境，如同使用本地LAN一樣方便、靈活、有效。

4 過程層網絡VLAN劃分的原則

為便于智能變電站過程層網絡在VLAN劃分的實際工程應用，總結交換機VLAN劃分如下原則。

a.VLAN劃分應根據虛端子連接來進行，沒有數據交換的設備不能放在同一VLAN，并盡量減少跨交換機的數據交換。

b. PVID（Port?base Vlan ID，端口的虛擬局域網ID號）相同的端口屬于同一VLAN。兩端口PVID不同，但VID（VLAN ID，虛擬局域網標識號）互相包含對方的 PVID，則也能相互收發數據，屬于同一VLAN。

c.VID劃分方法建議按間隔GOOSE網和間隔SV網來劃分，即同一間隔所有設備對應的端口分配為同一VLAN。進行GOOSE的VLAN劃分時，同一間隔的合并單元、智能終端、測控裝置 （保護裝置GOOSE組網時也包括保護裝置）在同一個VLAN里，且盡量在同一個交換機上以減少交換機之間的流量。進行SV的VLAN劃分時，同一間隔的合并單元、測控裝置 （保護裝置SV組網時也包括保護裝置）在同一個VLAN里；由于SV報文流量大，不同間隔建議不劃入同一VLAN，即不同間隔使用劃入不同VLAN［8］。

d.VLAN中的某個設備與其他VLAN的設備發生數據交換時，如跨間隔設備母線保護裝置、備自投裝置，需單獨分配PVID號，以便可靠隔離潛在的網絡風暴。

e.按圖2示意分配VID。

f.交換機級聯時VID設置為1。

圖2 遼陽首山220 kV智能變電站VID分配方法

5 過程層網絡VLAN劃分的實際應用

基于上述劃分原則，VLAN劃分已在多個智能變電站中使用，表1-表3是首山220 kV變電站220 kV過程層SV-A網交換機VLAN的劃分情況。

首山220 kV變電站的過程層網絡是以電壓等級為基礎，實行SV、GOOSE分網的方式進行劃分的。全站過程層網絡分為220 kV過程層SV-A網、220 kV過程層SV-B網、220 kV過程層GOOSE-A網、220 kV過程層GOOSE-B網、66 kV過程層SV網、66 kV過程層GOOSE網等6個過程層子網。該過程層網絡只是單純從物理上對站內設備進行簡單隔離，雖然在一定程度上達到了無效報文的有效隔離，但各過程層子網的報文數據量仍然較大，增加了過程層交換機的正常運行負荷，同時對間隔層設備、過程層設備的接收端口也存在一定的沖擊性。而在此基礎上，使用VLAN進行進一步的劃分，不僅可以抑制廣播信息泛濫，同時大大減少過程層交換機的負荷和網絡延時，達到了數據量優化的效果，降低設備的故障風險。

表1 220 kV過程層SV-A網中心交換機VLAN分配表

表2 220 kV過程層SV-A網1號交換機VLAN分配表

表3 220 kV過程層SV-A網2號交換機VLAN分配表

6 結論

本文重點分析了智能變電站過程層網絡VLAN的劃分，闡述了其可追溯性和傳輸實時性，全面考慮技術現狀及發展趨勢，并根據發展現狀和高壓設備保護的重要原則，對構造智能變電站的過程層網絡進行了實例劃分。過程層網絡的配置與一、二次設備配置、網絡及通信技術的發展密切相關，VLAN技術劃分已在工程中普遍實現。隨著技術的進步及新設備、新概念在電力系統中的不斷應用，組網形式和設備配置將出現更多創新。

［1］ 劉振亞.智能電網技術 ［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［2］ 黃少雄，黃太貴，程 栩.智能變電站信息一體化平臺建設方案研究 ［J］.東北電力技術，2012，33（2）：21-24.

［3］ 胡 國，唐成虹，徐子安，等.數字化變電站新型合并單元的研制 ［J］.電力系統自動化，2010，34（24）：51-54.

［4］ 李兆祺，楊 貴.智能變電站通信網絡架構研究 ［J］.東北電力技術，2014，35（4）：27-30.

［5］ 李志堅，姜利華，陳麗紅，等.數字化保護裝置時鐘同步的實現 ［J］.電力系統保護與控制，2011，39（7）：105 -109.

［6］ 黃少雄，張沛超.智能變電站GOOSE網配置方案研究 ［J］.東北電力技術，2010，31（10）：47-50.

［7］ 殷志良，劉萬順，楊奇遜，等.基于IEC61850標準的采樣值傳輸模型構建及映射實現 ［J］.電力系統自動化，2004，28（21）：38-42.

［8］ 張志鵬，常風然，朱 萍.220 kV智能變電站過程層網絡設計研究 ［J］.河北電力技術，2014，33（1）：17-20.

Discussion on Communication Structure and Division of VLAN in Smart Substation

JIANG Jun1，FENG Tao2，WANG Wen?xi2
（1.State Grid Liaoyang Power Electric Supply Company，Liaoyang，Liaoning 111000，China；2.NARI Technology Co.，Ltd.，Nanjing，Jiangsu 211106，China）

The emergence of smart substation，not only change the architecture，but also become a new construction mode，operation and production style.It is more important than ever.Smart substation uses optical digital communication technology and network tech?nology instead of traditional cable transmission mode.According to the IEC 61850 communication system requirements and the analysis of process layer network architecture features，classification scheme based on function，the voltage level of substation intelligent net?work layer virtual local area network（VLAN）is proposed，then is tested in engineering.This method is simple allocation，useful，and a good readability.This design faciliatates and eases maintenance.

Smart substation；Process level；VLAN

TM76；TM63

A

1004-7913（2015）11-0056-04

江 軍 （1963—），男，學士，高級工程師，從事調度自動化專業工作。

2015-06-23）