面向智能变电站通信网络故障自愈能力研究

熊楠，饶赟，宁楠，刘华麟

(贵州电网有限责任公司贵安供电局，贵州 贵安 550003)

0 引 言

随着我国国家电力公司“能源互联网”项目的发展和推广，智能变电站作为电力系统输、配电的重要节点[1]。对其内部海量智能电子设备进行实时状态监测和可靠控制是电力物联网全方位感知和精细化调控的基本要求。通讯网络作为智能的“神经系统”，性能直接决定了智能变电站的稳定性[2]。目前，智能变电站通信网络协议、拓扑等已无法满足智能变电站的发展需要[3]。因此，对智能变电站通信网络的故障自愈能力进行研究具有重要的现实意义。

当前，国内外学者对智能变电站进行了大量研究。然而，目前对于变电站通信网络评价没有统一的标准，并且关于智能变电站通信网络的可靠性的研究很少。文献[4]中，对使用高可用性无缝冗余技术的智能变电站过程层网络的工作原理进行分析，提出了两种高可用性无缝冗余方案：交叉方案和四连通环方案。其次，为避免过程层网络引起的拥塞导致传输时效性差，提出了一种基于贪心算法的流量调度策略。文献[5]中，在分析智能变电站网络异常数据的基础上，提出了一种基于数据流控制的信息管理技术，该技术具有异常信息识别、权限管理等功能，这对于提高智能变电站数据传输的可靠性有一定的帮助。文献[6]中，对提高智能变电站信息传输的可靠性和实时性进行研究，提出一种定制交换技术，并通过算例验证了该方法的准确性和有效性。文献[7]中，提出一种智能变电站的信息网络安全标准，分析了智能变电站的信息物理融合系统特征，并在此基础上确定了信息网络系统的安全漏洞以及可能的安全风险，从三个方面的详细分析了安全防护措施。但这些方法不足以完全解决未来智能电网的需求问题。

在上述研究的基础上，通过对智能变电站通信网络的分析，提出了多协议标签交换MPLS(Multi-Protocol Label Switching)改进的不间断双冗余热备份相结合的通信方法，以提高链路故障时的自愈能力。通过对正常链路和故障链路进行仿真分析，验证文中通信方式的准确性。

1 拓扑结构

根据IEC 61850标准，智能变电站网络为三层两网的结构。三层为过程层、间隔层和站控层。两网为站控层网络和过程层网络[8]。如图1所示。

图1 三层两网结构

传统网络拓扑结构对过程层网络和站控层网络没有进行统一设计，因此不能分析智能变电站通信网络的整体性能[9]。因此，文中提出了基于人工蛛网拓扑的通信网络结构。采用两层的蛛网拓扑，外层为过程层网络，假定交换机数位n。内层为站控层网络，假定交换机数位m[10]。在变电站的实际设计中，大多数采用物理间隔进行布置，外层每个物理间隔为一个交换机，内层采用平均分配方式与外层连接。图2所示双层蛛网拓扑通信网络。

图2 人工蜘蛛拓扑通信网络

2 通信方式研究

由于蛛网拓扑的弦向链路可以为通信提供新的链路[11]。文中提出了一种MPLS与不间断式双冗余热备份相结合的通信方式。数据报文可以在两条不同路径中进行冗余传输，链路故障后，备份路径启动，通信恢复时间为零[12]。同时，在故障发生后，对冗余路径进行重新分配，保证数据传输仍有两条路径，使整个网络运行于双冗余热备份通信模式[13]。

2.1 链路正常

当网络正常时，文中提出的MPLS与不间断式双冗余热备份相结合的通信方式工作原理如图3所示。

图3 正常网络改进通信方式流程

当链路正常时，交换机同时维护两个路由表。通过label的不同进行路由表搜索，实现有、无label的双链路热备份传输[14]。同时，将弦向链路进行label删除，通过IP的路由表进行传输[15]。通过上述分析可以发现，改进通信方式可以实现报文的不同链路分配。步骤如下：

(1)双端口一个端口发送报文进行MPLS的加标签操作，两一个端口不加；

(2)交换机接收到数据，判断数据是否有MPLS标签。有标签跳转到第四步骤，无标签执行下一步；

(3)对无标签数据进行判断是否需要打标签，不需要打标签跳转到步骤四，打标签的跳转到步骤五；

(4)通过IP的路由表进行传输，端口0输出；

(5)通过 MPLS 转发表进行传输，端口2输出。

2.2 链路故障

为了保证智能变电站通信网络仍能在双冗余热备份模式下运行，有必要分析链路故障后备份链路的重新分配[16]。蛛网拓扑下通信网络间隔交换机有三个端口转发数据。因此，对这几个端口故障组合进行分类，1表示故障，0表示正常[17]。端口故障分类如表1所示。

表1 端口故障分类

当交换机1个端口(链路)故障时，根据表2所示的端口分配方法，可以保证链路故障后报文的冗余备份通信[18]。如果只有一个端口正常工作，交换机中的冗余分组通过该端口进行传输，而无物理链路进行冗余传输[19]。为了保证数据的正常传输，交换机只需要通过无故障端口路径传输一组报文。

表2 故障后报文分配

根据以上对不同转发端口的分配，对不同故障类型下的端口转发等价类FEC(Forwarding Equivalence Class)进行分配，如表3所示[20]。

表3 不同故障FEC分配

根据正常网络和链路故障情况下的FEC分配模式，链路故障时改进的通信方式流程如图4所示。

图4 链路故障改进通信方式工作流程

步骤如下：

(1)对MPLS转发表和IP路由表进行配置，进行FEC分配；

(2)根据则初始 FEC 分类对不同的端口进行不同的加标签的操作；

(3)如果一个报文发送周期没有到，根据不同MPLS转发表和IP路由表，对不同的数据报文进行转发，如果到一个报文发送周期，执行下一步；

(4)对FEC分类进行更新，并根据更新后的分类对不同端口的报文进行不同的加MPLS标签操作；

(5)通过MPLS转发表和IP路由表进行传输。

当出现网络故障或一个检测周期到来时，根据当前不同的端口故障情况，更新初始的FEC分类[21]。根据当前FEC分类，对端口报文进行MPLS标记。在下一检测周期和另一故障到来前，根据该FEC分类，通过不同的路径实现双冗余热备份路径传输。

3 仿真结果与分析

3.1 仿真参数

通过分析蛛网拓扑结构下不间断双冗余热备份通信方法，通过OPNET仿真软件搭建网络模型，对MPLS与不间断式双冗余热备份相结合的通信方式进行分析，无需建立一个完整的智能变电站通信网络模型[22]。因此，以三台间隔的交换机为例，构建仿真模型，如图5所示。通过仿真模型采用改进通信方式对正常网络和链路故障两种工况进行了仿真。

图5 蛛网简化模型

3.2 链路正常

基于上述仿真模型，对正常网络条件下bay2、bay3、bay4的两端口设备与bay1进行数据通信。图6所示仿真结果。

如图6(a)所示为各双端口设备的端到端延时仿真结果，如图6(b)所示为链路利用率仿真结果。改进的通信方式使每条弦向链路，如bay2→bay3，均会传输来自左侧相邻端口node_1报文，如bay2→node1。使每条径向路径，如bay2→bay1，除了传输自身间隔交换机端口node_0报文也传输左侧相邻交换机node_1报文，如bay4→node1，导致弦向链路利用率仅为径向链路的1/2。通过正常链路的仿真可知，在改进的通信模式下，报文通过两条不同的路径进行传输。

图6 网络性能对比

3.3 链路故障

对径向和弦向故障进行了仿真分析。以径向链路bay2→bay1为例说明。仿真时间10 s时，径向链路故障。为了明确分析链路故障情况下改进通信方式对报文通信的影响，对仅具有bay2和bay4的双端口设备发送报文进行了仿真分析。

(1)只有bay2和bay4双端口设备发送报文，图7所示每个端口数据包的端到端延时，图8所示每个链路的利用率。

根据以上仿真结果，当只有bay2和bay4双端口设备发送报文时，仅bay2发送数据时，以径向链路bay2→bay1为例说明。仿真时间10 s时故障，如图8(a)所示，链路利用率变成零。因为改进通信方法故障链路成为bay2的径向链路。且bay2→node_0报文通过bay2→bay4和bay4→bay1弦向链路传输，其速率同bay2→bay1相同，因此经过交换机数相同，如图7(a)所示，在node_1处于正常状态时，两个交换机的延时变为三个交换机的延时，对报文延时无影响。

图7 单一间隔数据端对端延时

图8 单一间隔数据链路利用率

仅bay4发送数据时，由于径向链路故障，从bay4→node_1传输报文路径将不能正常工作。因此，故障后的路径重新分配将通过bay2→bay3和bay3→bay1进行。如图8(b)所示为重分配链路利用率，故障后的延时为四个交换机的延迟，对bay4→node_0的数据包延时无影响。如图7(b)所示为报文端到端延时。

因此，根据仿真结果，改进的通信方式下双端口设备的数据可以在正常网络条件下通过两条不同的路径传输。故障时通过重新分配，实现双冗余热备份传输。

(2)在实际中，考虑到bay交换机下的双端口设备都在传输数据，根据上述仿真模型，在bay2，bay3和bay4双端口设备报文情况下进行仿真分析。各端口报文的端到端延迟如图9所示。

图9 全数据间隔端对端延时

在包含bay2、bay3、bay4双端口设备的情况下，每个链路的利用率如图10所示。

在整个仿真过程中，每个双端口上接收和发送数据报文数如图11所示。

通过对比图11可知，径向链路在发生故障前后发送和接收数据报文数是相同的，改进后的通信方式不仅保证了正常网络条件下双余度余热备份的数据传输，而且具有故障后链路的在分配。仿真结果表明，改进通信方式可以在径向链路故障后实现不间断的双冗余热备份数据传输。

图10 全数据间隔链路利用率

图11 全数据间隔发送/接收报文

整个仿真的端到端延时结果与单个bay下的双端口仿真结果不同。原因是由于仿真在单bay下，其它端口流量没有影响。在整个仿真过程中，端到端延时是流量和交换机数量共同影响的结果。

对于弦向链路故障，仅bay2、bay4发送数据的情况下，假设故障弦向链路为bay2→bay3。端到端延时仿真结果如图12所示。

图12 单一间隔端到端延时

如图13所示为链路利用率的仿真结果。

仿真结果表明，根据图12(b)和图13(b)的仿真结果，在链路bay2→bay3故障时，bay4下双端口设备的报文传输不会受到影响，正常传输。对于bay2→ node_0，数据报文仍通过径向路径传输。对于bay2 →node_1，将链接bay2→bay3和bay1→bay3的更改为bay2→bay4和bay4→bay1。链路故障后重新分配，利用率故障时为零，分配新的链路后从零变为正常。链路仍然通过三个交换器传输数据，所以端到端延时保持不变。

仿真结果表明，改进通信方式可以在链路故障后进行链路重新分配，进一步加强链路故障时的自愈能力。

图13 单一间隔链路利用率

4 结束语

文中在智能变电站通信网络的基础上，提出了MPLS与不间断双冗余热备份相结合的通信方法，提高了链路故障的自愈能力。通过对正常链路和故障链路进行仿真，验证了改进通信方法的可靠性。研究结果表明，改进通信方式在一定程度上提高了链路故障时的自愈能力。由于当前实验室硬件要求和实验数据规模的原因，智能变电站通信网络中故障自愈的研究仍处于起步阶段。在此基础上，下一步的工作重点将是逐步改进和完善。