风电场远程监控单核心网络的双机冗余备份改造

文 | 董定勇，杨十力，胡凯凯，陈林

随着风电行业的不断发展，风电场对监控的功能要求增多，从而对监控网络的可靠性要求也越来越高。

然而，出于成本等多方面因素的考虑，大量的风电场监控网络采用的是使用二层交换机的单核心网络设计。这种网络的特点是简单、成本低，但缺点也是显而易见的：一旦核心交换机出现问题，整个风电场网络就完全瘫痪，丝毫没有冗余可言。监控系统不能监控风电机组运行状况，整个风电场将处于无监控状态。因此，使用一种简单、有效和可靠的单核心网络双机热备份改造方式就能体现出其价值。

风电场网络状况

一、典型的风电场组网模式

典型的风电场SCADA 系统由变电站、风电机组、远程接口单元（RIU） 、现场通信网络、SCADA 现场服务器、现场工作站、远程客户端等组成。风电场设备网络连接如图1，风电机组的各种运行数据通过PLC连接到风电机组环网交换机，一般10个－20个风电机组环网交换机加一个中控室环网交换机组成一个光纤环网，根据风电机组数量不同，每个风电场有若干个光纤环网，光纤环网的中控室交换机通过以太网网线连接到核心交换机，服务器、工作站、路由器等网络设备也连接到核心交换机上，从而构成一个整体的网络结构。

二、单核心交换机隐患

这种单核心交换机连接方式简单、成本低、容易实现，在这种情况下，一旦核心交换机发生故障，则整个网络中断，用户不能及时掌握风电机组运行状况，将造成风电机组停机甚至是安全事故。为此，需要对核心交换机进行冗余备份改造，用两台核心交换机互为备份，当一台核心交换机发生故障时，网络能通过另一台交换机继续获取风电机组运行数据。

双交换机热备份实现难点

双交换机热备的主要难点是要防止交换机形成环路。在交换的网络中，当交换机接收到一个未知目的地址数据帧时，交换机的操作是将这个数据帧广播出去，在这样的物理环路的交换网络中，就会产生一个双向的广播环，甚至产生广播风暴，导致交换机死机等故障发生。在实验中，设计连接方式如图2。两个核心交换机均为SLM224G2－CN二层交换机，环网交换机型号为708FXE2－SC－15，按图将网络连接后发现整个网络通讯中断，分析原因为两个核心交换机与两个中控室环网交换机之间形成了环路，产生的广播风暴堵塞了网络。通过对核心交换机SLM224G2－CN与环网交换机708FXE2－SC－15进行设置也不能解决环路问题。

图1 风电场远程监控网络连接示意图

图2 交换机连接形成环路

双机热备解决方案

一、使用三层交换机做核心交换机

目前使用的双机热备方式一般用两个三层交换机作为核心交换机实现双机热备方式，用三层交换机中的生成树、VRRP（虚拟路由冗余协议）等协议来防止交换机环路的产生，如：用H3C S5800－23C、RG－6806、LE0KS9303等型号的三层交换机做核心交换机，这种实现方式因为是使用三层交换机做核心交换机，所以价格高昂且原来网络的二层核心交换机也要废弃。另外，三层交换机进行双机热备需要进行设置，其设置也比较麻烦。

二、针对风电场网络的双机热备方案

（一）网络连接方式

针对图1风电场这种典型的连接方式，可以在原来设备不动的基础上再增加一个二层的核心交换机，每台连接的电脑增加一块网卡及几条网线就能满足双交换机热备的要求。图3为锦州老龙口风电场核心交换机冗余备份改造连接示意图，中控室环网交换机先串联起来，再把中控室环网交换机1接到核心交换机1上，中控室环网交换机3接到核心交换机2上，服务器、工作站分别与核心交换机1、核心交换机2连接，这样就避免了环路的产生。服务器与工作站上的两块网卡IP地址要设置为同一网段，如老龙口风电场中服务器网卡1的IP为：193.168.1.100，网卡2的IP为：193.168.1.101。

图3 风电场核心交换机冗余备份改造连接示意图

（二） 服务器的工作机制

1 服务器获取风电机组数据

在各设备正常的情况下，服务器上的通讯软件通过服务器定时向各风电机组PLC发送传输数据请求，这个数据包默认通过网卡1（IP地址：193.168.1.100）发送到核心交换机1，核心交换机1收到这个请求的数据包，它先读取包头中的源MAC地址，这样它就知道源MAC地址的机器是连在哪个端口上的，再去读取包头中的目的MAC地址，并在地址表中查找相应的端口，如表中有与这目的MAC地址对应的端口，把数据包直接复制到这端口上，如表中找不到相应的端口则把数据包广播到所有端口上，当目的机器对源机器回应时，交换机又可以学习目的MAC地址与哪个端口对应，在下次传送数据时就不再需要对所有端口进行广播了，同理这个数据包经过中控室环网交换机、各光纤环网最后发送到各风电机组PLC上；对应的风电机组PLC在接到服务器发来的请求后将数据也通过核心交换机1、网卡1发送到服务器。

采用这种冗余备份方案，要求服务器上的通信程序在设计时，必须在INADDR_ANY这个地址上进行侦听，含义是告诉操作系统，其进程会在某个端口上进行侦听，所有发送到服务器这个端口的数据（不管是哪个网卡接收到的），都应该是由此进程处理的。

2 网络故障的自动检测

服务器针对其对应的网络端口（网卡1或网卡2），都任意选择其它3个风电机组PLC作为检测点。在针对网络端口的每一个检测周期中， 依次向每个检测点直接发送检测包；收到对应检测包的PLC将向发送方回复确认包。在一个检测周期内如果有一个PLC回复确认则认为网络无故障，不会再发剩余的检测包；如果在一个检测周期内3个检测包都得不到回复确认则认为网络中断，服务器以同样的方式再检测另一个网络端口。

（三） 通讯线路故障时网络通讯的切换

1 核心交换机故障时网络通讯的切换

当核心交换机1发生故障，服务器通过对网络的自动检测会检测到网卡1方向的网络有故障，这时服务器再检测网卡2方向的网络，如果网卡2方向的网络正常，则服务器通过网卡2向风电机组PLC发送请求，风电机组PLC在接到请求后则将数据通过核心交换机2、网卡2发送到服务器，网卡2端口被设为默认端口，从而保持网络通讯的通畅。

2 中控室环网交换机故障时网络通讯的切换

当中控室环网交换机1发生故障时，除环网1中的风电机组不能通讯外，环网2与环网3的风电机组数据分别通过中控室环网交换机2与中控室环网交换机3，经核心交换机2、网卡2传送到服务器。

当中控室环网交换机3发生故障后，环网2与环网1的风电机组通过核心交换机1与服务器继续通讯。

当中控室环网交换机2发生故障后，环网1与环网3中的风电机组分别通过核心交换机1与核心交换机2与服务器继续通讯。

（四）工作站获取服务器数据的工作机制

工作站的通讯软件对服务器的访问不能以服务器的IP地址为寻址方式，要设置成以服务器名寻址的方式，正常情况下，工作站通过核心交换机1对服务器发送请求获取数据。当核心交换机1发生故障后，工作站通过核心交换机2对服务器发生请求，获取服务器数据。

（五）实验测试

在锦州老龙口风电场双交换机热备改造项目中，将设备按图3连接好后网络工作正常；分别断开核心交换机1与核心交换机2后，网络通讯正常；分别断开网线5与网线6，网络照样通讯正常。经验证此种双机热备方式成功。

结语

风电场的双核心交换机热备方式使用的都是二层交换机作为核心交换机，原来的二层核心交换机可以继续使用，因此，改造费用少，连接简单、可靠，并且不涉及到核心交换机的设置，容易实现。