虛擬局域網技術在智能電網中的應用研究

劉寧，趙飛

(河北軟件職業技術學院，河北保定071000)

虛擬局域網技術在智能電網中的應用研究

劉寧，趙飛

(河北軟件職業技術學院，河北保定071000)

針對現有的主流網絡技術的對比和分析，提出一種適用于智能電網的網絡構建方案。解決方案主要采用虛擬局域網VLAN技術對智能電網的網絡進行構建。經實驗證明，這種構建方式，可以使網絡結構更加清晰，便于提高網絡的運行效率。

智能電網；網絡；虛擬局域網；故障定位

智能就是電網的智能化(智電電力)，也就是將電網的運行過程進行智能化控制。一般來說，智能電網是建立在集成的、高速雙向通信網絡的基礎上，通過先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法以及先進的決策支持系統技術的應用，實現電網的、、經濟、、環境友好和使用安全的目標。根據國家相關標準，智能電網有其明顯的特征，其主要特征如下：

(1)堅強和自愈的能力。智能電網必須具有實時、在線和連續的安全評估和分析能力，強大的預警和預防控制能力，以及自動故障診斷、故障隔離和系統自我恢復的能力。在電網發生大擾動和故障時，仍能保持對用戶的供電能力，以保證在極端情況下依舊能保證電網的安全運行，直到故障排除；

(2)兼容和集成的能力。智能電網必須具有廣闊的包容性，可以支持多種可再生能源及分布式電源或微網的有序合理接入，并能夠實現電網信息的高度集成和共享，同時提供與用戶的有效交互和多種增值服務；

(3)經濟和資源優化的能力。優化能源形式，提高能源利用效率，降低投資成本和運行維護成本。

1 智能網絡的需求特點

智能電網是一種新的電力系統構建方式。其核心是通過先進的傳感器、通信、控制、智能分析等技術，建立全網絡所有信息采集、傳輸、分析和處理的統一數字化應用平臺，從而實現智能電網的自動運行控制、設備狀態檢測、智能決策分析、分布協同控制等功能，完成整個電力系統的高效自動運行。

為了實現以上的功能，智能電網直接所面臨的問題就是數據流的極大擴張，使得在整個網絡運行的控制當中，數據的采集、傳輸、處理成為重點。因此，好的網絡控制方案是解決這一問題的重點。

網絡控制系統是近十幾年來隨著網絡技術和計算機應用技術的飛速發展而出現的一種新的控制系統。它是以信息科學為核心的各學科理論及應用交叉、滲透和融合的綜合性科技。典型的網絡結構體系如圖1所示。

圖1 網絡控制系統典型結構圖

如圖1所示，網絡控制系統的基本原理是將傳感器、執行器和上層控制中心利用某種類型的網絡連接起來，以完成最終的控制現場設備運行功能。目前，網絡控制系統可以分為分布式和集中式。所利用的技術主要有現場總線形式、工業以太網、無線通信網絡，而上層控制中心進行通信主要依靠Internet網或者是移動通信網絡。

智能電網的控制系統中，其控制指令、傳感器數據和系統信息的傳輸是通過相應的通信網絡來實現。因此，對通信網絡的要求較高。相對于以上的技術，虛擬局域網具有系統結構簡單、適應能力強、成本低、可靠性高的優點，可以有利于整體控制效率的提高。

2 虛擬局域網技術

虛擬局域網VLAN(Virtual Local Area Network)，是將局域網內的設備邏輯地而不是物理地劃分成一個個網段來實現虛擬工作組的一門新興技術[1]。本質上，VLAN技術是根據某一明確的目標而劃分的邏輯網絡單元。這些單元的具體物理位置并不能成為劃分的障礙，所以，同一個VLAN的各個計算機的工作站無須局限在同一個物理空間內[1]。

VLAN是為解決以太網的廣播問題和安全性而提出的一種新型的網絡構建方式。在傳統以太網中，為了確定某一通信節點所發出的某一個消息，就需要向全網的一個廣播域中播放相應的廣播幀，廣播幀需要通過全網的交換機，到達各個通信節點，以獲取廣播幀的目標MAC地址，這樣就會造成各個交換機及節點都需要對該廣播幀信息進行處理，占用了大量CPU的時間。同時，一個網絡中廣播幀的數目是相當可觀的，因此，廣播幀的工作過程會極大地影響整個網絡的工作效率。尤其在通信較為復雜、規模較大的網絡中，這個矛盾更為突出。

為了解決以上的問題，可以采用小交換機技術，將網絡的規模和通信的復雜度限制在一定的范圍內，從而減少廣播幀的數目，但是這樣做也會引出一些弊端，那就是整個網絡的成本會上升，布線更為麻煩，維護也更為困難，網絡靈活性更差。

更好的解決辦法就是在原有交換局域網的基礎上構建VLAN。VLAN的本質是利用軟件系統來構建邏輯網段，形成一組需求及目的相同，而物理地址不受限制的終端工作站。這些工作站將用戶依據功能、應用等因素在邏輯上劃分為一個個功能相對獨立的工作組，一個工作組形成一個廣播域，并在以太網幀的基礎上增加了VLAN頭，從而形成功能完善，工作范圍減小，且通信效率提高的邏輯網絡。

由于結構合理，一個完善的VLAN具有幾大優勢：(1) VLAN具有較小的邏輯范圍，范圍的形成依據軟件來實現，可以在邏輯上將某一個交換機的端口劃分為某一個VLAN，與其他VLAN之間相隔離，因此可以有效地控制相應的廣播風暴；(2)提高網絡的安全性，VLAN可以利用相關的軟件技術限制用戶的訪問，控制廣播組的大小，有效防御外部用戶的入侵，因此具有較強的網絡安全性；(3)網絡結構更為靈活、組成成本低、維護方便，由于VLAN是在原有交換局域網的基礎上構成的邏輯網絡，因此利用軟件技術構造臨時的工作組網絡極為簡單，也不用增加硬件成本，而且維護靈活方便。

3 智能電網網絡傳輸解決方案的分析

智能電網的通信網絡主要由過程層網絡和站控層網絡所構成。在這兩層中，過程層網絡屬于底層，主要負責設備運行狀態數據的采集和接收站控層網絡發送過來的控制指令。該網絡的主要特點是數據量大，占用帶寬資源多，同時突發數據要求得到及時的反應，時延小；站控層網絡屬于整個網絡的上層部分，它的主要任務是負責底層數據的處理、分析，從而實現相應的監控、管理和高級應用。其主要的特點是數據處理量大，準確性高，指令下達至過程層網絡要迅速。針對以上問題，本系統利用VLAN技術對站內過程層網絡進行邏輯劃分，在有效范圍內實現數據傳輸的及時性。

VLAN主要有三種類型，分別是基于端口的VLAN、基于MAC地址的VLAN和基于協議的VLAN。對比三種類型，基于MAC地址的VLAN和基于協議的VLAN不能隔離廣播，網絡性能不高，這使得網絡無法防止外部的入侵和網內廣播幀的竊聽，從而降低系統的安全性，因此，目前主要應用的是基于端口的VLAN網絡[2]。

基于端口的VLAN網絡，交換機是其核心部件之一。每一個交換機都包括若干個端口，每一個端口可以配置成一個VLAN子系統，也可以將兩個或兩個以上的端口配置成一個VLAN子系統，但是不能將一個端口分配給兩個或兩個以上的VLAN子系統，以完成隔離廣播域的功能。基于端口的VLAN網絡具有劃分簡單、管理方便、安全性高等優勢，但是靈活性不夠，因此，需結合動態主機協議來保證主機移動時網絡的自動配置功能。

基于端口的VLAN的方式一般是建立在物理層上；MAC方式建立在數據鏈路層上；基于協議的VLAN方式建立在網絡層上，因此，相對于智能電網而言，以交換機的端口作為劃分網絡的方式，也是最為簡單可靠的方案。

圖2是智能電網中的一個500 kV的變電站的邏輯保護網絡結構圖。系統以電壓作為網絡的劃分依據，分別為500 kV子系統、220 kV子系統、110 kV子系統和35 kV子系統等。

圖2 邏輯保護分區

而在每一個邏輯保護區中，以交換機為核心，為每種電壓設定相應的分組原則，例如，550 kV可以按串分組，每串依據設備的多少設置1至2個交換機；220和110 kV可以按間隔分組，每組也是依據設備的多少設置1～2個交換機；35 kV按母線分級，每組母線上的設備分為一組，一組設定一臺交換機。

以110 kV為例，在一個VLAN中，包括著智能單元、合并單元和相應的線路保護或母線保護，具體結構如圖3所示。

圖3 110 kV邏輯分區

4 結論

本文利用VLAN技術設計了適用于智能電網的信息通信網絡。這一技術的應用，可以有效提高網絡安全性，增強網絡連接的靈活性。同時，對于流量風暴，具有良好的防御效果。

[1]肖軍弼.虛擬局域網(VLAN)技術研究[D].青島：石油大學(華東)，2004：36-39.

[2]丁騰波，林亞男.智能變電站虛擬局域網邏輯結構劃分方案的研究[J].電力系統保護與控制，2012(1)：115-118.

Application of virtual localarea network in smartpower grid

LIU Ning，ZHAO Fei
(HebeiSoftware Institute，Baoding Hebei071000，China)

Focused on com parison and analysis of existing mainstream network technology，a kind of construction scheme suitable for smart grid network was put forward.VLAN technology was adopted to build the smart grid network.Experiments prove that this construction way can make network structure clearer，easy to improve the operation efficiency of the network.

smartpower grid;network;VLAN;fault location

TM 131

A

1002-087 X(2016)07-1501-02

2016-02-25

劉寧(1981—)，女，河北省人，講師，本科，主要研究方向為計算機應用。