智能变电站网络结构分析与VLAN划分方式探讨

丁津津， 高 博， 刘宁宁， 郭 力

（安徽省电力科学研究院，安徽 合 肥 230601）

0 引 言

随着智能变电站的快速发展和大规模建设，其在智能电网中的枢纽地位越来越突出。智能变电站采用光纤数字通信技术和网络技术代替传统的电缆传输模拟量［1］，相比较而言，智能变电站简化了二次电缆接线，增强了抗干扰能力，提高了系统的互操作性与可拓展性。

本文结合安徽某新建220kV智能变电站，分析设计智能变电站的网络结构，探讨虚拟局域网 VLAN（Virtual Local Area Network，简称VLAN）原理与传输协议，提出一种可用于智能变电站工程现场的VLAN划分方案，该方案提高了系统的可靠性，为今后智能变电站的建设提供一定的参考。

1 智能变电站系统结构与组网方案

1.1 系统结构

根据DL／T860（IEC61850）协议的规定，智能变电站自动化系统可以从功能上划分为3层，分别是站控层、间隔层、过程层。

站控层位于变电站的顶层，包括主机与操作员站、远动通信系统、对时系统等，其主要功能是汇总实时数据，实现全站设备的监视、告警、控制等交互功能，同时执行调度下达的操作命令；间隔层位于站控层与过程层的中间，包括保护、测量、控制和录波等二次装置，其主要任务是通过智能终端对一次设备进行保护和控制，实现本间隔内的操作闭锁，并进行一次电气量的运算和计量［2］；过程层位于智能变电站的最底层，典型设备包括常规／电子式互感器、智能终端（执行单元）、合并单元等，其主要功能是进行一次电气量采集、执行操控命令和检测设备状态。

依据国家电网公司颁布的《110（66）kV～220kV智能变电站设计规范》［3］，智能变电站网络可从逻辑上分为“两网”，即站控层网络和过程层网络。其中，站控层网络连接了站控层设备与间隔层设备，主要是传输站控层内部、间隔层内部、以及站控层与间隔层之间的数据信息，内容以MMS报文为主。过程层网络连接过程层设备与间隔层设备，主要是传输过程层内部、间隔层内部以及过程层与间隔层之间的数据信息，内容以GOOSE和SV报文为主。

另外，根据智能变电站网络特点，站控层网络传输的MMS报文数据量较小，实时性要求不高。而过程层网络传输的GOOSE报文和SV报文数据量大，实时性要求高，不能容忍网络拥塞或是传输时延［4］。为了限制网络流量、增加系统灵活性、提高系统的可靠性，有必要对智能变电站的过程层网络进行VLAN划分。

1.2 组网方案

1.2.1 常见的网络拓扑结构分析

局域网中常见的拓扑结构有总线型、环型、星型等几种，它们各有特点，适用于不同的场合。

（1）总线型拓扑。各设备的网络端口以级联的方式两两连接。这种结构的优点是连接简单，便于扩展，而且工程造价较低。缺点在于若总线上某一结点出现故障，将导致整个系统崩溃。同时该型拓扑的报文传输要经历多个结点，传输时间较长，因此该结构并不能满足智能变电站对报文传输可靠性与快速性的需求［5］。

（2）环型拓扑。将总线型拓扑的首尾2个结点相接，形成一个圆环，以增强系统的冗余性。理论上说，报文可以从2个方向传送到同一个结点，这提高了系统的可靠性。但该结构同样存在较大的延迟，甚至有出现网络风暴的风险［6］，不能满足智能变电站对报文快速传输的需求。

（3）星型拓扑。该型拓扑中，所有结点都与一个中心结点连接。这种网络结构的优点是结构简单、拓展性强、传输时延小［7］。但缺点是可靠性较差，一旦中心交换机出现故障，将会导致全站瘫痪。因此，该型拓扑虽然能满足报文传输快速性的需求，但不能满足报文传输可靠性的需求。

1.2.2 双星型拓扑结构

上述几种常见的网络拓扑结构都不能同时满足智能变电站对可靠性和快速性的需求，因此在进行某新建智能变电站的网络设计时，考虑设计和采用一种双星型的网络结构，以实现既快速又可靠的传递报文。该智能变电站的网络结构如图1所示。

图1 某智能变电站网络结构图

图1中，在连接过程层与间隔层的过程层网络上配置2个互相独立的星型网络，它们以交换机为中心结点，互为热备用。该型网络结构不仅继承了星型网络快速传输的优点，同时，冗余的配置也有效提高了整个系统的稳定性与可靠性。因此，双星型拓扑结构是目前最适用于智能变电站的网络结构。

2 VLAN技术与传输协议

2.1 VLAN技术与帧结构

VLAN是一种将局域网从逻辑上划分成不同的、相互独立的子网的技术。VLAN技术主要有以下几点优势：

（1）限制物理局域网的广播流量。VLAN技术保证同一VLAN的成员之间能够正常通信，而不同VLAN成员之间必须经过3层交换机或者是路由器才能通信。这样就限制了系统的广播流量，减轻了交换机的传输压力，提高了整个网络的可靠性。

（2）增强系统的灵活性。使用VLAN技术，可将连接在不同交换机上的设备划分到同一VLAN中。这样可就近布置设备，增强了灵活性，节省了布线成本。

（3）提高系统的安全性。不同VLAN的成员之间是相互隔离的，这样就可以依据安全需求将成员划分入安全等级不同的VLAN，从而有效提高了系统的安全性。

根据IEEE802.1Q协议，在标准的以太网数据帧中插入VLAN识别信息，形成具有VLAN标识的Tagged帧，如图2所示。

图2 IEEE 802.1Q帧结构

从图2中可以看出，在标准以太网数据帧中插入的VLAN标识符，由2部分组成。其中TPID是缺省字段，固定值为0x8100，另一部分TCI是以太网数据帧的VLAN标识控制信息。TCI又分为3节：User Priority代表用户优先级，级别从0到7；CFI用来表明帧的属性，0为以太网的帧，1为令牌环网的帧；VLAN ID，也就是VID，是最重要的VLAN标识信息，用于区分不同的VLAN。VID有12bit，最多可以标识4 094个VLAN（0为默认值，4 095被保留）。同时为了便于管理和识别，交换机的每个端口都有唯一的VID标识，即PVID。

2.2 VLAN传输协议

（1）每个交换机的端口均可以设置成Edge（边缘）和Trunk（主干）2种类型。Edge类型的端口仅支持1个VLAN，直接和智能电子设备IED（Intelligent Electronic Device，简称IED）连接；而Trunk类型的端口可以支持多个VLAN，用于不同交换机或多个VLAN之间的级联。

（2）VLAN数据帧的接收协议。无论是Trunk端口还是Edge端口，当接收到某一数据帧后，先确定VLAN数据帧是否带有Tagged信息。若该帧同时具有用户优先级和VID信息时，则不改变数据帧结构，直接传入交换机；对于仅有用户优先级而无VID信息的Tagged帧，则添加上端口的PVID信息，然后传入交换机；若是无任何TAG信息的Untagged帧，则添加上端口的PVID和缺省优先级，再传入交换机［8］。

（3）VLAN数据帧的传出协议。需要考察交换机传出端口的VLAN类型。

对于Trunk端口，只要该端口没有被列为目标VLAN禁用端口，那么都会将数据帧依原格式传出。若是Edge端口，则只传送带有与本地端口相同VID信息的Tagged数据帧，其余数据帧一律丢弃。

这样的传输协议，保证了在支持VLAN的网络中，传入的数据帧都带有Tagged信息，传出的数据帧则根据自身端口属性有所取舍，以达到同一VLAN成员正常通信，不同VLAN成员互相隔离的目的。

3 智能变电站过程层网络VLAN划分

3.1 智能变电站VLAN网络划分方案

根据智能变电站的网络特点，为了限制过程层网络流量、增加系统灵活性、提高系统的可靠性，有必要对智能变电站的过程层网络进行VLAN划分。但目前并没有成熟的VLAN划分方案应用于智能变电站，因此本文设计一种基于电压等级、兼顾IED的VLAN划分方案，具体如下所述。

先将智能变电站网络按照电压等级划分成500、220、110、35kV等若干个区域。再依照各区域中IED实际配置情况，如IED数目、是否双套配置等，将这些区域划分成不同的VLAN。

考虑500kV区域的IED较多，且均为双套配置［9］，因此将该区域的IED按串区分，每一串再根据双套配置划分成2个VLAN。同理，可以将220kV区域IED按间隔区分，每一个间隔再根据双套配置划分成2个VLAN。而110kV和35kV的IED较少，且一般为单套配置，可将一条母线上的IED划分成1个VLAN。

对于需要跨电压等级或是跨间隔的IED，如主变保护与测控、故障录波器、网络报文分析仪等，则单独划出1个公共VLAN，该VLAN的端口属性全部定义成Trunk，以便在不同VLAN之间交换信息。

3.2 智能变电站VLAN划分实例

某智能变电站的主接线图如图3所示。该智能变电站按照一个简化接线的220kV变电站进行配置。

220kV为双母接线，配置1条220kV出线、1个母联间隔、主变3侧间隔；110、35kV均为单母接线并各配置了1条出线间隔。另外，220kV线路间隔的IED按双套配置，110kV和35kV线路间隔IED按单套配置。主变间隔跨3个电压等级，IED也是双套配置。

图3 某新建智能变电站主接线图

以220kV电压等级的A套IED为例，划分该区域的过程层网络交换机，具体配置情况见表1所列。

表1 220kV部分IED VLAN配置

表1中，配置交换机端口的PVID，可分成3个部分，分别代表电压等级、间隔序号和设备套数。比如2211就代表了220kV、第1个间隔、A套IED，端口属性设为Edge。

对于需要跨间隔的IED（如母线保护、故障录波器等），则单独划1个公共VLAN，PVID设为1，端口属性设为Trunk。

110kV和35kV区域，由于IED是单套配置，且只有1条母线，因此将交换机的PVID配置为110和35，不再细分。

4 VLAN技术与IP路由技术性能对比

在完成某智能变电站的VLAN划分之后，使用思博仑公司的TestCenter网络分析仪对过程层交换机进行测试，以验证VLAN划分效果。选取帧长为64、128、256、512、1 024、1 280、1 518字节的以太网报文，每次测试时间60s，发送方式为双向最大线速。

在吞吐量测试中，不划分VLAN的过程层交换机吞吐量，只在1 518字节为99.7Mb／s，其余字节情况下的吞吐量为100Mb／s；而划分VLAN的过程层交换机吞吐量均为100Mb／s。在丢包率测试中，不划分VLAN的过程层交换机丢包率，在1 518字节为0.12%，其余字节情况下的丢包率为0；而划分VLAN的过程层交换机丢包率为0。

平均传输时延测试结果见表2所列。

表2 平均传输时延测试结果 μs

以上实验数据反映出VLAN技术能够提高交换机的吞吐率、降低丢包率、大幅降低报文的传输时延，提高交换机的整体性能。

分析其原因，主要在于当划分了VLAN的交换机接收到报文时，将根据数据帧的VID信息查找静态的VLAN转发表，而后直接传递［10］；而IP路由技术则需要查找数据帧的目的IP和路由，进行二次封装后才能转发出去；此外，走VLAN转发表比走IP路由优先级高。因此，VLAN技术不仅节省了数据包的拆封装时间，加快了转发速度，还拥有更高的优先级，从而能提高端口的吞吐量，降低了丢包率和传输时延。

实验结果证明，智能变电站的过程层网络在使用了VLAN技术后，不仅增强了组网方式的灵活性，还较大幅度提高了交换机性能，有较高的应用价值。

5 结束语

本文首先分析了目前常见网络拓扑结构的优劣，设计了一种双星型的组网方案来保证智能变电站对实时性与可靠性的需求；然后介绍了VLAN技术和传输协议，并结合实际情况，对安徽某智能变电站的过程层进行了VLAN划分；最后通过实验证明，本文提出的VLAN划分方案，能有效增强智能变电站的组网方式灵活性，并较大幅度提高了交换机的报文传输性能。因此，本文研究结果对今后的智能变电站网络选型、设计和VLAN划分都具有一定的借鉴意义。

［1］ 张 利，陶维青，袁新喜，等.IEC61850变电站间隔层IED的建模与分析［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2012，35（7）：891－894，964.

［2］ 袁 灏，胡文玲，王建功，等.电力系统数据可视化图形模型分析及应用［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2012，35（3）：350－352.

［3］ Q／GDW 393－2009，国家电网公司企业标准：110（66）kV～220kV智能变电站设计规范［S］.

［4］ Q／GDW 383－2009，国家电网公司企业标准：智能变电站技术导则［S］.

［5］ 殷志良，刘万顺，杨奇逊.基于IEC 61850标准的过程总线通信研究与实现［J］.中国电机工程学报，2005，25（8）：84－89.

［6］ 林 达.基于IEC 61850标准的变电站通信体系研究［D］.河北保定：华北电力大学，2005.

［7］ 高 翔.数字化变电站技术［M］.北京：中国电力出版社，2009：77.

［8］ 刘从洪.基于IEC 61850的数字化变电站通信研究［D］.成都：西南交通大学，2008.

［9］ 徐成斌，孙一民.数字化变电站过程层GOOSE通信方案［J］.电力系统自动化，2007（10）：91－94.

［10］ Kirrmann H，Hansson M，Müri P.IEC 62439，PRP：bumpless recovery for highly available，hard real－time industrial networks［C］／／12th IEEE Conference on Emerging on Technologies ＆Factory Automation，2007：30－33.