劉正誼，梁運華，彭聰，周定宇

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司長沙供電分公司，湖南長沙410005;2.國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410004)

1 智能變電站網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，智能變電站正處于試用探索期向全面建設(shè)轉(zhuǎn)型階段，但部分智能變電站的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用僅停留在業(yè)務(wù)基本連通層面，而對網(wǎng)絡(luò)性能、運維便利性以及工程實施規(guī)范化等更高層面要求的仍有所欠缺，因此其實施過程仍存在一些不合理、不規(guī)范的現(xiàn)象〔1-3〕，具體如下:交換機網(wǎng)絡(luò)配置未形成統(tǒng)一規(guī)范，隨意性大;容易形成橋接環(huán)路卻未配置鏈路保護協(xié)議 (如生成樹協(xié)議);交換機系統(tǒng)名稱和安裝位置沒有按間隔名稱+應(yīng)用進行配置;交換機同一應(yīng)用A/B網(wǎng)端口號不一致，未形成對稱分布;交換機的網(wǎng)絡(luò)風暴防范設(shè)置考慮不全面;網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中交換機鏡像端口規(guī)劃及設(shè)置不合理;按照端口劃分VLAN時，VLAN組名尚未結(jié)合應(yīng)用進行命名;交換機配置文件版本管理、命名及存儲不當，造成站內(nèi)交換機配置文件版本混亂;交換機網(wǎng)絡(luò)SNTP對時功能尚未設(shè)置，長時間運行后，交換機時間與衛(wèi)星時間就存在偏差，影響設(shè)備事故 (異常)分析。

2 交換機基本數(shù)據(jù)配置策略

2.1 各節(jié)點交換機的命名

為便于交換機數(shù)據(jù)配置和后期維護，應(yīng)根據(jù)站點、間隔、安裝屏柜，功能應(yīng)用等設(shè)置交換機的名稱。如220 kV林海變GOOSE中心A網(wǎng)交換機。

2.2 交換機管理VLAN及管理地址的規(guī)劃

智能化變電站的二層交換機均具備管理地址配置功能，合理規(guī)劃管理段的IP地址將給后續(xù)運行維護帶來便利。由于二層交換機的管理IP與VLAN關(guān)聯(lián)，需要選擇一個VLAN作為管理地址VLAN，建議劃分一個C類網(wǎng)段作為交換機管理地址段，并可與節(jié)點名稱形成一定的對應(yīng)關(guān)系。

對于星型網(wǎng)絡(luò)，建議按網(wǎng)絡(luò)層次分配設(shè)備管理地址，如中心節(jié)點分配較小的IP地址，非中心節(jié)點可根據(jù)對應(yīng)中心節(jié)點的端口順序依次分配IP地址。

對于環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，可規(guī)劃中心交換機為始發(fā)點，以較小端口連接設(shè)備開始分配IP地址。

2.3 交換機時間同步的設(shè)置

對于交換機本身而言，時間戳對網(wǎng)絡(luò)故障判斷、安全事故調(diào)查意義重大，對此有幾種設(shè)置方式:無時間服務(wù)器的情形，需手動調(diào)整交換機的系統(tǒng)時間和時區(qū);通過SNTP同步時間，需配置NTP服務(wù)器地址，并保證路由可達。

2.4 交換機的端口分配策略

1)交換機級聯(lián)端口的分配

對于星型網(wǎng)絡(luò)，中心節(jié)點與其它節(jié)點的級聯(lián)端口分配順序建議與其它節(jié)點的編號順序相對應(yīng)，便于識別。對于端口模塊化的中心節(jié)點設(shè)備，如果端口資源充足，建議每個模塊僅接入一個節(jié)點，以降低單個端口模塊故障的影響范圍。而對于接入節(jié)點，建議分配相同編號的端口。

對于環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，每個交換機需分配2個級聯(lián)口，建議采用高帶寬的光纖端口互聯(lián)，為提升可靠性，建議將2個級聯(lián)端口分配在2個端口模塊上，且整個環(huán)網(wǎng)的互聯(lián)關(guān)系有規(guī)律，如順次采用前一節(jié)點的1號端口連接下一節(jié)點的2號端口。

2)交換機連接各種裝置的端口分配

連接各裝置的端口可根據(jù)實際情況分配，但建議相同類型功能的裝置連接在同一編號的端口，便于數(shù)據(jù)配置時提高效率和避免錯誤。

2.5 VLAN劃分及配置策略

VLAN的規(guī)劃和配置是二層交換機的核心配置部分。根據(jù)業(yè)務(wù)類型確定VLAN的劃分和VLAN間的通信策略至關(guān)重要:對于IEC61850-9-2組網(wǎng)模式，要求對采樣的劃分非常精確，控制裝置的報文范圍一般可按間隔或者按母差的一個板卡來劃分，同時應(yīng)盡量避免采樣數(shù)據(jù)流量通過級聯(lián)口;對于GOOSE組網(wǎng)模式可根據(jù)各站點的電壓等級、業(yè)務(wù)分類進行合理規(guī)劃，不同電壓等級宜對應(yīng)不同的VLAN范圍，對于同一電壓等級內(nèi)的二層設(shè)備可根據(jù)功能、間隔、母線等實際情況結(jié)合通信需求劃分不同VLAN，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的隔離或互通，不同間隔只能收到母差跳閘等公共信號，不收其它間隔信號，特別情況如相鄰線閉鎖除外。

根據(jù)端口連接設(shè)備/裝置的數(shù)據(jù)規(guī)劃和VLAN能力確定端口的VLAN屬性:對于交換機級聯(lián)口配置成trunk，并通過forbidden控制VLAN轉(zhuǎn)發(fā)端口;對于連接裝置的端口，如裝置不具備VLAN配置能力，則交換機相應(yīng)端口配置為edge/untagged，如裝置具備VLAN配置和處理能力，則可將交換機端口配置為trunk/tagged;所有VLAN都需要的端口設(shè)置trunk(如錄波器、網(wǎng)絡(luò)記錄分析儀，公用測控)。另外，A/B網(wǎng)對稱規(guī)劃設(shè)計，A網(wǎng)的VLAN和PVID，均宜小于B網(wǎng)。

3 交換機主要配置實施及檢測

3.1 VLAN的配置實施及檢測

1)交換機的VLAN規(guī)劃及其命名

在配置交換機VLAN之前，可根據(jù)變電站設(shè)備數(shù)量和所選交換機端口數(shù)量，在變電站主接線示意圖上標識VLAN劃分示意圖。然后再依照前期VLAN規(guī)劃，先畫1張能表示本交換機端口的劃分示意圖，標出所有端口組合的 VLAN，并寫上VLAN的名稱，該名稱可為相應(yīng)間隔名稱，如圖1所示，使得端口之間關(guān)系更加清晰，便于指導(dǎo)后續(xù)具體配置工作。VLAN的取名規(guī)范按照如下約定(名字長度不能超過19個英文字符):“VLan_”+VLAN_ID(含電壓等級)+線路名拼音縮寫+數(shù)字(可選)，如:220 kV林紅Ⅰ線…VLan_111lh;220 kV林邊線…VLan_112lb;220 kV分段…VLan_113fd;220 kV母線Ⅱ…VLan_114 mx2。從名稱上既可以看出VLAN_ID，又可以看出間隔名稱。另外:雖然VLAN的總個數(shù)是受到一定的限制的，如64個，但是每個VLAN的ID可以從2—4094之間任選1個。

圖1 基于端口VLAN劃分的示意圖

2)VLAN靜態(tài)配置策略

若二、三層交換機的PVID和VID設(shè)置不合理，可能導(dǎo)致VLAN劃分混亂，甚至端口間通信受阻，因此建議對于untagged端口，PVID要和所屬VLAN的VID一致;對于tagged端口，PVID要不同于所有所屬VLAN的VID。

此外，根據(jù)前期VLAN規(guī)劃，在交換機上創(chuàng)建相應(yīng)VLAN ID，并在相應(yīng)VLAN中設(shè)置forbidden port控制該VLAN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的端口范圍 (主要是控制該VLAN向設(shè)置為trunk的端口轉(zhuǎn)發(fā))。

3)VLAN配置檢測

當交換機所有VLAN劃分完成，裝置組網(wǎng)開機后，用調(diào)試軟件登錄交換機參看實際配置;同時也可在裝置和站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)分析記錄儀上查看是否有GOOSE，SMV斷鏈;對同一VLAN內(nèi)通信異常端口，可在相關(guān)交換機端口上外接調(diào)試筆記本，并采用Ping命令，來測試相關(guān)交換機端口互通狀況;對于跨交換機VLAN內(nèi)出現(xiàn)通信異常時，則采取逐級回查的辦法，從接受側(cè)裝置開始，通過網(wǎng)絡(luò)包分析軟件 (如 Wireshark、MMS Ethereal)捕捉網(wǎng)絡(luò)報文的辦法，逐級逐臺交換機往源頭查，直到發(fā)送側(cè)裝置。

3.2 端口廣播風暴抑制配置實施

1)廣播風暴概念

由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)路、網(wǎng)卡故障及病毒木馬等原因，致使交換機端口接收到大量的廣播包，進而引發(fā)廣播風暴 (即指過多的廣播包消耗了大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬，導(dǎo)致正常的數(shù)據(jù)包無法正常地在網(wǎng)絡(luò)中傳送)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓或數(shù)據(jù)包超時。借助于對端口的廣播風暴控制手段，可以有效地避免硬件損壞或鏈路故障導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)癱瘓。目前，交換機廣播風暴抑制通常有阻塞端口的帶寬上限值、端口的帶寬下限值及端口啟用的傳輸速率下限值等方式。

2)廣播風暴抑制配置及檢測

配置:對過程層采樣網(wǎng) (SMV)、GOOSE網(wǎng)及站控層MMS網(wǎng)內(nèi)交換機可進行端口速率限制 (入口速率限制、出口速率限制等)，以防范網(wǎng)絡(luò)廣播風暴，但交換機端口限速閾值與正常的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量須恰當配合，以免誤過濾正常數(shù)據(jù)，造成相關(guān)信息丟失和數(shù)據(jù)實時性下降。在指定端口啟用傳輸速率下限值時，該值應(yīng)當小于或等于下限值。當廣播、多播或單播傳輸?shù)陀诿棵肴舾杀忍?(bps)時，端口將恢復(fù)正常傳輸。通常，該取值范圍為0.0 ～10 000 000 bps。

檢測:根據(jù)交換機端口速率限制閾值大小，可用專用測試儀 (或網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包模擬軟件)來模擬多個間隔SV和GOOSE發(fā)生相應(yīng)流量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)量應(yīng)滿足端口所設(shè)置的閾值要求)，以檢測交換機端口廣播風暴抑制配置功能是否正常。

3.3 端口鏡像配置實施

1)端口鏡像概念

端口鏡像功能將交換機上1個或多個端口(被鏡像端口)的數(shù)據(jù)復(fù)制到1個指定的目的端口(監(jiān)控端口)上，然后將鏡像目的端口與網(wǎng)絡(luò)分析記錄儀 (或網(wǎng)絡(luò)管理軟件)相連，以進行網(wǎng)絡(luò)流量分析和故障排除。端口鏡像分為本地端口鏡像和遠程端口鏡像2種鏡像方式。

2)端口鏡像配置策略及檢測方法

配置:對于智能變電站過程層網(wǎng) (GOOSE+SMV共同組網(wǎng))，應(yīng)采用本地鏡像口方式，在間隔層交換機設(shè)置鏡像口，實現(xiàn)對整個過程層網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測。同時，過程層網(wǎng)絡(luò)以帶寬100 Mbits的光纖以太網(wǎng)為主，100 Mbits換算成字節(jié)是:100 Mbits/8 bits=12.5 M字節(jié)，單個MU(合并單元)每秒的數(shù)據(jù)量按650 K字節(jié)計算，則有:12.5 M/650 K=20個MU。鑒于正常情況下網(wǎng)絡(luò)端口的負載應(yīng)控制在40%以下 (以應(yīng)對可能的網(wǎng)絡(luò)風暴等突發(fā)事件)，故允許8個及以下數(shù)量的MU映射或鏡像到1個端口輸出;對于MMS網(wǎng)絡(luò)和單獨GOOSE網(wǎng)絡(luò)，因網(wǎng)絡(luò)實時數(shù)據(jù)不大，可考慮采用遠程鏡像方式，在星型網(wǎng)絡(luò)的中心交換機上設(shè)置鏡像口。

檢測:采用調(diào)試筆記本連接交換機鏡像口，使用網(wǎng)絡(luò)報文分析軟件，抓取該端口所有數(shù)據(jù)，分析有無來自其它端口的數(shù)據(jù)，若有則鏡像口配置正確。

3.4 生成樹協(xié)議及鏈路保護檢測

1)生成樹協(xié)議概念

生成樹協(xié)議 (spanning-tree)，利用STP算法(生成樹算法)，在存在交換環(huán)路的網(wǎng)絡(luò)中生成1個無環(huán)的樹形網(wǎng)絡(luò)。運用該算法將交換網(wǎng)絡(luò)冗余的備份鏈路邏輯上斷開，當主要鏈路出現(xiàn)故障時，能夠自動切換到備份鏈路，保證數(shù)據(jù)的正常轉(zhuǎn)發(fā)。目前，常采用生成樹協(xié)議 (STP)或快速生成樹協(xié)議(RSTP)，來避免形成環(huán)路、引發(fā)廣播風暴。

2)生成樹協(xié)議配置策略及檢測方法

配置:在過程層網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)橋ID最小的交換機將被選舉為根交換機，而網(wǎng)橋ID由優(yōu)先級和MAC地址組成，一般通過調(diào)整交換機的優(yōu)先級來保證中心交換機的網(wǎng)橋ID最小;給每臺交換機選舉1個根端口 (根交換機除外)，開銷 (Cost)最小的端口就是根端口;每個網(wǎng)段中選舉1個指定端口，同一網(wǎng)段中離根交換機開銷最小 (cost值最小)的端口就是指定端口;將所有既不是根端口也不是指定端口的端口設(shè)置阻塞狀態(tài)，其余端口則經(jīng)由學習狀態(tài)進入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。

檢測:模擬多臺交換機間環(huán)接、2臺交換機間多條鏈路環(huán)接及單臺交換機上多個端口環(huán)接3種環(huán)境，對生成樹協(xié)議配置策略進行測試。通過監(jiān)測相應(yīng)交換機端口流量變化情況，并查看交換機設(shè)備日志，來判斷生成樹配置策略的有效性。

4 結(jié)束語

目前，在智能變電站網(wǎng)絡(luò)總體規(guī)劃、設(shè)計方面已開展不少初期應(yīng)用工作，部分網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置隨意性較強，對后期維護便捷性考慮欠少，交換機安全防護功能利用率低，網(wǎng)絡(luò)配置及測試的規(guī)范性有待加強，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可能的安全隱患難以及時發(fā)現(xiàn)與整治。文中從網(wǎng)絡(luò)性能 (安全性、實時性、可靠性、健壯性等)因素和后續(xù)運維便捷化等方面出發(fā)，對如何合理規(guī)范工程實施進行探討，并在交換機命名、IP地址和端口規(guī)劃、VLAN劃分、端口鏡像、廣播風暴抑制和生成樹協(xié)議等項目的配置策略及檢測方法上總結(jié)經(jīng)驗，上述經(jīng)驗對提高整體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能將起到積極作用。

〔1〕周莉.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及交換機配置優(yōu)化方案在智能變電站的應(yīng)用〔A〕，重慶市電機工程學會2010年學術(shù)會議論文〔C〕，重慶:重慶市電機工程學會，2010，1 628-1634.

〔2〕歐陽帆，劉海峰，趙永生，等，智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)阻塞故障及其防范措施分析〔J〕.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(11):7-11.

〔3〕王銳，曹麗璐，楊東海，等.數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)研究與應(yīng)用〔J〕，電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(12):59-63.