面向智能變電站通信網絡故障自愈能力研究

熊楠，饒赟，寧楠，劉華麟

(貴州電網有限責任公司貴安供電局，貴州 貴安 550003)

0 引 言

隨著我國國家電力公司“能源互聯網”項目的發展和推廣，智能變電站作為電力系統輸、配電的重要節點[1]。對其內部海量智能電子設備進行實時狀態監測和可靠控制是電力物聯網全方位感知和精細化調控的基本要求。通訊網絡作為智能的“神經系統”，性能直接決定了智能變電站的穩定性[2]。目前，智能變電站通信網絡協議、拓撲等已無法滿足智能變電站的發展需要[3]。因此，對智能變電站通信網絡的故障自愈能力進行研究具有重要的現實意義。

當前，國內外學者對智能變電站進行了大量研究。然而，目前對于變電站通信網絡評價沒有統一的標準，并且關于智能變電站通信網絡的可靠性的研究很少。文獻[4]中，對使用高可用性無縫冗余技術的智能變電站過程層網絡的工作原理進行分析，提出了兩種高可用性無縫冗余方案：交叉方案和四連通環方案。其次，為避免過程層網絡引起的擁塞導致傳輸時效性差，提出了一種基于貪心算法的流量調度策略。文獻[5]中，在分析智能變電站網絡異常數據的基礎上，提出了一種基于數據流控制的信息管理技術，該技術具有異常信息識別、權限管理等功能，這對于提高智能變電站數據傳輸的可靠性有一定的幫助。文獻[6]中，對提高智能變電站信息傳輸的可靠性和實時性進行研究，提出一種定制交換技術，并通過算例驗證了該方法的準確性和有效性。文獻[7]中，提出一種智能變電站的信息網絡安全標準，分析了智能變電站的信息物理融合系統特征，并在此基礎上確定了信息網絡系統的安全漏洞以及可能的安全風險，從三個方面的詳細分析了安全防護措施。但這些方法不足以完全解決未來智能電網的需求問題。

在上述研究的基礎上，通過對智能變電站通信網絡的分析，提出了多協議標簽交換MPLS(Multi-Protocol Label Switching)改進的不間斷雙冗余熱備份相結合的通信方法，以提高鏈路故障時的自愈能力。通過對正常鏈路和故障鏈路進行仿真分析，驗證文中通信方式的準確性。

1 拓撲結構

根據IEC 61850標準，智能變電站網絡為三層兩網的結構。三層為過程層、間隔層和站控層。兩網為站控層網絡和過程層網絡[8]。如圖1所示。

圖1 三層兩網結構

傳統網絡拓撲結構對過程層網絡和站控層網絡沒有進行統一設計，因此不能分析智能變電站通信網絡的整體性能[9]。因此，文中提出了基于人工蛛網拓撲的通信網絡結構。采用兩層的蛛網拓撲，外層為過程層網絡，假定交換機數位n。內層為站控層網絡，假定交換機數位m[10]。在變電站的實際設計中，大多數采用物理間隔進行布置，外層每個物理間隔為一個交換機，內層采用平均分配方式與外層連接。圖2所示雙層蛛網拓撲通信網絡。

圖2 人工蜘蛛拓撲通信網絡

2 通信方式研究

由于蛛網拓撲的弦向鏈路可以為通信提供新的鏈路[11]。文中提出了一種MPLS與不間斷式雙冗余熱備份相結合的通信方式。數據報文可以在兩條不同路徑中進行冗余傳輸，鏈路故障后，備份路徑啟動，通信恢復時間為零[12]。同時，在故障發生后，對冗余路徑進行重新分配，保證數據傳輸仍有兩條路徑，使整個網絡運行于雙冗余熱備份通信模式[13]。

2.1 鏈路正常

當網絡正常時，文中提出的MPLS與不間斷式雙冗余熱備份相結合的通信方式工作原理如圖3所示。

圖3 正常網絡改進通信方式流程

當鏈路正常時，交換機同時維護兩個路由表。通過label的不同進行路由表搜索，實現有、無label的雙鏈路熱備份傳輸[14]。同時，將弦向鏈路進行label刪除，通過IP的路由表進行傳輸[15]。通過上述分析可以發現，改進通信方式可以實現報文的不同鏈路分配。步驟如下：

(1)雙端口一個端口發送報文進行MPLS的加標簽操作，兩一個端口不加；

(2)交換機接收到數據，判斷數據是否有MPLS標簽。有標簽跳轉到第四步驟，無標簽執行下一步；

(3)對無標簽數據進行判斷是否需要打標簽，不需要打標簽跳轉到步驟四，打標簽的跳轉到步驟五；

(4)通過IP的路由表進行傳輸，端口0輸出；

(5)通過 MPLS 轉發表進行傳輸，端口2輸出。

2.2 鏈路故障

為了保證智能變電站通信網絡仍能在雙冗余熱備份模式下運行，有必要分析鏈路故障后備份鏈路的重新分配[16]。蛛網拓撲下通信網絡間隔交換機有三個端口轉發數據。因此，對這幾個端口故障組合進行分類，1表示故障，0表示正常[17]。端口故障分類如表1所示。

表1 端口故障分類

當交換機1個端口(鏈路)故障時，根據表2所示的端口分配方法，可以保證鏈路故障后報文的冗余備份通信[18]。如果只有一個端口正常工作，交換機中的冗余分組通過該端口進行傳輸，而無物理鏈路進行冗余傳輸[19]。為了保證數據的正常傳輸，交換機只需要通過無故障端口路徑傳輸一組報文。

表2 故障后報文分配

根據以上對不同轉發端口的分配，對不同故障類型下的端口轉發等價類FEC(Forwarding Equivalence Class)進行分配，如表3所示[20]。

表3 不同故障FEC分配

根據正常網絡和鏈路故障情況下的FEC分配模式，鏈路故障時改進的通信方式流程如圖4所示。

圖4 鏈路故障改進通信方式工作流程

步驟如下：

(1)對MPLS轉發表和IP路由表進行配置，進行FEC分配；

(2)根據則初始 FEC 分類對不同的端口進行不同的加標簽的操作；

(3)如果一個報文發送周期沒有到，根據不同MPLS轉發表和IP路由表，對不同的數據報文進行轉發，如果到一個報文發送周期，執行下一步；

(4)對FEC分類進行更新，并根據更新后的分類對不同端口的報文進行不同的加MPLS標簽操作；

(5)通過MPLS轉發表和IP路由表進行傳輸。

當出現網絡故障或一個檢測周期到來時，根據當前不同的端口故障情況，更新初始的FEC分類[21]。根據當前FEC分類，對端口報文進行MPLS標記。在下一檢測周期和另一故障到來前，根據該FEC分類，通過不同的路徑實現雙冗余熱備份路徑傳輸。

3 仿真結果與分析

3.1 仿真參數

通過分析蛛網拓撲結構下不間斷雙冗余熱備份通信方法，通過OPNET仿真軟件搭建網絡模型，對MPLS與不間斷式雙冗余熱備份相結合的通信方式進行分析，無需建立一個完整的智能變電站通信網絡模型[22]。因此，以三臺間隔的交換機為例，構建仿真模型，如圖5所示。通過仿真模型采用改進通信方式對正常網絡和鏈路故障兩種工況進行了仿真。

圖5 蛛網簡化模型

3.2 鏈路正常

基于上述仿真模型，對正常網絡條件下bay2、bay3、bay4的兩端口設備與bay1進行數據通信。圖6所示仿真結果。

如圖6(a)所示為各雙端口設備的端到端延時仿真結果，如圖6(b)所示為鏈路利用率仿真結果。改進的通信方式使每條弦向鏈路，如bay2→bay3，均會傳輸來自左側相鄰端口node_1報文，如bay2→node1。使每條徑向路徑，如bay2→bay1，除了傳輸自身間隔交換機端口node_0報文也傳輸左側相鄰交換機node_1報文，如bay4→node1，導致弦向鏈路利用率僅為徑向鏈路的1/2。通過正常鏈路的仿真可知，在改進的通信模式下，報文通過兩條不同的路徑進行傳輸。

圖6 網絡性能對比

3.3 鏈路故障

對徑向和弦向故障進行了仿真分析。以徑向鏈路bay2→bay1為例說明。仿真時間10 s時，徑向鏈路故障。為了明確分析鏈路故障情況下改進通信方式對報文通信的影響，對僅具有bay2和bay4的雙端口設備發送報文進行了仿真分析。

(1)只有bay2和bay4雙端口設備發送報文，圖7所示每個端口數據包的端到端延時，圖8所示每個鏈路的利用率。

根據以上仿真結果，當只有bay2和bay4雙端口設備發送報文時，僅bay2發送數據時，以徑向鏈路bay2→bay1為例說明。仿真時間10 s時故障，如圖8(a)所示，鏈路利用率變成零。因為改進通信方法故障鏈路成為bay2的徑向鏈路。且bay2→node_0報文通過bay2→bay4和bay4→bay1弦向鏈路傳輸，其速率同bay2→bay1相同，因此經過交換機數相同，如圖7(a)所示，在node_1處于正常狀態時，兩個交換機的延時變為三個交換機的延時，對報文延時無影響。

圖7 單一間隔數據端對端延時

圖8 單一間隔數據鏈路利用率

僅bay4發送數據時，由于徑向鏈路故障，從bay4→node_1傳輸報文路徑將不能正常工作。因此，故障后的路徑重新分配將通過bay2→bay3和bay3→bay1進行。如圖8(b)所示為重分配鏈路利用率，故障后的延時為四個交換機的延遲，對bay4→node_0的數據包延時無影響。如圖7(b)所示為報文端到端延時。

因此，根據仿真結果，改進的通信方式下雙端口設備的數據可以在正常網絡條件下通過兩條不同的路徑傳輸。故障時通過重新分配，實現雙冗余熱備份傳輸。

(2)在實際中，考慮到bay交換機下的雙端口設備都在傳輸數據，根據上述仿真模型，在bay2，bay3和bay4雙端口設備報文情況下進行仿真分析。各端口報文的端到端延遲如圖9所示。

圖9 全數據間隔端對端延時

在包含bay2、bay3、bay4雙端口設備的情況下，每個鏈路的利用率如圖10所示。

在整個仿真過程中，每個雙端口上接收和發送數據報文數如圖11所示。

通過對比圖11可知，徑向鏈路在發生故障前后發送和接收數據報文數是相同的，改進后的通信方式不僅保證了正常網絡條件下雙余度余熱備份的數據傳輸，而且具有故障后鏈路的在分配。仿真結果表明，改進通信方式可以在徑向鏈路故障后實現不間斷的雙冗余熱備份數據傳輸。

圖10 全數據間隔鏈路利用率

圖11 全數據間隔發送/接收報文

整個仿真的端到端延時結果與單個bay下的雙端口仿真結果不同。原因是由于仿真在單bay下，其它端口流量沒有影響。在整個仿真過程中，端到端延時是流量和交換機數量共同影響的結果。

對于弦向鏈路故障，僅bay2、bay4發送數據的情況下，假設故障弦向鏈路為bay2→bay3。端到端延時仿真結果如圖12所示。

圖12 單一間隔端到端延時

如圖13所示為鏈路利用率的仿真結果。

仿真結果表明，根據圖12(b)和圖13(b)的仿真結果，在鏈路bay2→bay3故障時，bay4下雙端口設備的報文傳輸不會受到影響，正常傳輸。對于bay2→ node_0，數據報文仍通過徑向路徑傳輸。對于bay2 →node_1，將鏈接bay2→bay3和bay1→bay3的更改為bay2→bay4和bay4→bay1。鏈路故障后重新分配，利用率故障時為零，分配新的鏈路后從零變為正常。鏈路仍然通過三個交換器傳輸數據，所以端到端延時保持不變。

仿真結果表明，改進通信方式可以在鏈路故障后進行鏈路重新分配，進一步加強鏈路故障時的自愈能力。

圖13 單一間隔鏈路利用率

4 結束語

文中在智能變電站通信網絡的基礎上，提出了MPLS與不間斷雙冗余熱備份相結合的通信方法，提高了鏈路故障的自愈能力。通過對正常鏈路和故障鏈路進行仿真，驗證了改進通信方法的可靠性。研究結果表明，改進通信方式在一定程度上提高了鏈路故障時的自愈能力。由于當前實驗室硬件要求和實驗數據規模的原因，智能變電站通信網絡中故障自愈的研究仍處于起步階段。在此基礎上，下一步的工作重點將是逐步改進和完善。