鄒俊雄，黃成巧，張延旭，蔡澤祥，何瑞文，李曉華

（1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引言

為提高智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的信息共享水平，同時(shí)保證信息的傳輸效率，采樣值SV（Sample Value）、面向通用對象的變電站事件GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）和精確時(shí)間協(xié)議 PTP（Precise Time Protocol）等報(bào)文均采用廣播的傳輸模式。但是這種廣播模式會(huì)使得部分智能電子設(shè)備IED（Intelligent Electronic Device）收到?jīng)]有訂閱的無效報(bào)文，這一方面會(huì)造成不必要的網(wǎng)絡(luò)流量，降低通信網(wǎng)絡(luò)的性能，另一方面存在相關(guān)IED錯(cuò)誤解析報(bào)文信息而導(dǎo)致不正確動(dòng)作的隱患。

為限制報(bào)文的廣播域，緩解網(wǎng)絡(luò)的流量壓力，提高設(shè)備及系統(tǒng)可靠性，虛擬局域網(wǎng)VLAN（Virtual Local Area Network）技術(shù)常被應(yīng)用到智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中。VLAN能夠?qū)⑼ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)從邏輯上劃分成若干獨(dú)立的局域網(wǎng)，報(bào)文僅限定在特定VLAN內(nèi)部傳輸[1-4]。

近年來，有很多研究工作針對VLAN技術(shù)在智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用展開。文獻(xiàn)[5]提出按站內(nèi)電壓等級來劃分VLAN，不同電壓等級再按照不同的原則把設(shè)備歸類，進(jìn)而形成VLAN。該方式劃分過程繁瑣，涉及原則較多，工作量大，為避免錯(cuò)誤，需運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富的人員來執(zhí)行，導(dǎo)致其推廣受到很大的限制。文獻(xiàn)[6]按照報(bào)文的類型劃分VLAN，其電流互感器和其所在母線上的所有需要電壓的裝置劃分為1個(gè)VLAN且全站唯一，GOOSE報(bào)文、對時(shí)報(bào)文各自分配1個(gè)VLAN。該方式相比于報(bào)文廣播形式，雖在一定程度上限制了網(wǎng)絡(luò)流量，但因每種不同報(bào)文都只有1個(gè)VLAN，故站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)總流量仍然很大。文獻(xiàn)[7]基于站內(nèi)間隔類型，把同一個(gè)間隔內(nèi)的設(shè)備歸于同一個(gè)VLAN，站內(nèi)信息共享水平不高，且不易于網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。

綜上，智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的VLAN配置方法尚缺乏統(tǒng)一的原則與標(biāo)準(zhǔn)，沒有形成系統(tǒng)的劃分機(jī)制，其配置主要依賴于運(yùn)行人員的工作經(jīng)驗(yàn)，效率和準(zhǔn)確率欠佳。另外，對VLAN配置的對比分析不夠深入，沒有針對VLAN劃分合理性的評價(jià)指標(biāo)與方法。

基于此，本文基于智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)備間報(bào)文訂閱關(guān)系，提出了VLAN配置模型，分析了影響VLAN劃分的約束條件。結(jié)合該模型提出了一種報(bào)文最短傳輸路徑的算法[8-10]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)站內(nèi)VLAN的優(yōu)化配置與自動(dòng)劃分。最后以一實(shí)際智能變電站的VLAN配置為例，給出其VLAN優(yōu)化配置的具體步驟，并將其與現(xiàn)有方案進(jìn)行對比，驗(yàn)證了本文所提出方法的有效性和實(shí)用性。

1 VLAN配置的通信網(wǎng)絡(luò)模型

決定VLAN配置的約束條件主要包括報(bào)文的訂閱關(guān)系、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及交換機(jī)端口的關(guān)聯(lián)關(guān)系這3個(gè)部分。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配置VLAN，本節(jié)對VLAN配置的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模。

1.1 報(bào)文訂閱關(guān)系

變電站配置描述SCD（Substation Configuration Description）文件完整描述了智能變電站內(nèi)各IED間的邏輯關(guān)系[11]。通過軟件方式可自動(dòng)解析SCD文件獲取設(shè)備的發(fā)布報(bào)文信息和訂閱報(bào)文信息，并綜合這兩方面的信息來自動(dòng)獲取報(bào)文的訂閱關(guān)系，具體方法可參考文獻(xiàn)[12]。

設(shè)某智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備（包括交換機(jī)和IED在內(nèi)）共有p個(gè)端口。在智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中，端口是報(bào)文發(fā)送、轉(zhuǎn)發(fā)和接收的最小單元。本文以端口為單位，通過定義矩陣Bp×p來描述報(bào)文之間的訂閱關(guān)系。

報(bào)文訂閱關(guān)系矩陣Bp×p描述了通過發(fā)布和訂閱各報(bào)文而建立的設(shè)備及其端口之間的關(guān)系。VLAN配置過程中，應(yīng)首先保證訂閱關(guān)系的充分性得到滿足，即所有IED必須能夠收到所訂閱的報(bào)文。其次，可通過VLAN的優(yōu)化配置，盡量滿足訂閱關(guān)系的必要性，即所有IED應(yīng)盡量少地收到?jīng)]有訂閱的無效報(bào)文。

為評價(jià)VLAN配置滿足訂閱關(guān)系充分必要性的程度，可定義以下評價(jià)指標(biāo)：

其中，N1i為第i個(gè)IED收到的訂閱報(bào)文數(shù)量；N2i為第i個(gè)IED訂閱的報(bào)文總數(shù)；N3i為第i個(gè)IED收到?jīng)]有訂閱的報(bào)文總數(shù)；n為IED的總數(shù)；E1i和E1分別為某IED和全站對報(bào)文充分性的滿足指標(biāo)，一個(gè)正確的VLAN配置方案中，E1i和E1均應(yīng)為1，若小于1則表示VLAN配置不正確；E2i和E2分別為某IED和全站對報(bào)文必要性的滿足指標(biāo)，一個(gè)理想的VLAN配置方案中，E2i和E2均應(yīng)為0，E2i和E2越大，則表示存在越多的無效報(bào)文。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包含IED與交換機(jī)以及交換機(jī)之間的連接關(guān)系信息。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接關(guān)系構(gòu)成了報(bào)文傳輸?shù)穆窂?，以?shí)現(xiàn)給定的報(bào)文訂閱關(guān)系。

根據(jù)圖論理論，可把智能變電站的通信網(wǎng)絡(luò)抽象成一個(gè)無向圖G，通信網(wǎng)絡(luò)的IED及交換機(jī)端口映射為節(jié)點(diǎn)，光纖鏈路映射為分支。圖1所示為某通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無向圖，該圖包含有已編號(hào)的18個(gè)節(jié)點(diǎn)（對應(yīng)于12個(gè)交換機(jī)端口和6個(gè)IED端口），虛線框表示網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)，節(jié)點(diǎn)之間的連接實(shí)線為光纖鏈路。定義節(jié)點(diǎn)鄰接矩陣Cp×p表示圖G的拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

圖1 通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錈o向圖GFig.1 Undirected graph G of communication network topology

矩陣Cp×p的每一行、每一列都有且只有1個(gè)非零元素。

1.3 交換機(jī)端口的關(guān)聯(lián)關(guān)系

VLAN的表現(xiàn)形式即是用交換機(jī)的端口集合來表示的，本文定義矩陣Wp×p來表示交換機(jī)端口的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2 基于最短路徑的VLAN優(yōu)化配置

2.1 報(bào)文最短路徑搜索算法

智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中，報(bào)文傳輸延時(shí)的不確定性主要是由報(bào)文在交換機(jī)中的排隊(duì)延時(shí)決定的，為避免報(bào)文傳輸延時(shí)過長，智能變電站中交換機(jī)的級聯(lián)層次一般不超過4層。當(dāng)滿足報(bào)文訂閱關(guān)系的端口連接而成的路徑存在多條時(shí)，本文定義報(bào)文最短的路徑即為所有路徑中包含交換機(jī)端口數(shù)目最少的路徑，也即交換機(jī)級聯(lián)層次最少的路徑。最短路徑搜索共分為3個(gè)過程：初始化訂閱關(guān)系矩陣Bp×p、從報(bào)文訂閱端口尋找發(fā)送端口的回推過程和記錄回推過程所選最短路徑中各端口序號(hào)的前代過程。算法實(shí)現(xiàn)的流程如圖2所示。

2.1.1 初始化矩陣Bp×p

在訂閱關(guān)系矩陣Bp×p中，若2條報(bào)文之間存在訂閱關(guān)系，則其對應(yīng)的元素為1，否則為0。針對每一條訂閱關(guān)系進(jìn)行最短路徑的逐一搜索，即每次搜索均在矩陣Bp×p中選取一個(gè)不為0的元素，并形成一個(gè)初始矩陣B0p×p。對于圖1，若選取的訂閱關(guān)系為端口15訂閱端口1的報(bào)文進(jìn)行最短路徑搜索，則形成的初始矩陣 B0p×p中除元素 b15，1為 1以外，其他均為 0。

圖2 最短路徑算法流程圖Fig.2 Flowchart of shortest path algorithm

2.1.2 回推過程

回推過程即從報(bào)文的訂閱端口出發(fā)尋找報(bào)文的發(fā)送端口，其作用是過濾較長路徑，篩選最短路徑。首先利用迭代的方式，從訂閱端口15出發(fā)按可能的路徑向發(fā)布端口1方向回推，進(jìn)而找出最短路徑。回推的迭代公式如下：

其中，k代表本次計(jì)算為第k次迭代；Ep×p為判斷矩陣。每次迭代計(jì)算結(jié)束后均需判斷Ep×p中是否有元素為2，有則說明已從訂閱端口回推到發(fā)布端口，否則進(jìn)行下一次迭代。

如圖1所示，對于端口15與1的訂閱關(guān)系存在2條路徑：1-3-5-7-9-15和1-3-6-12-11-8-9-13，顯然前者為最短路徑。由于上述判據(jù)一旦成立，即結(jié)束迭代時(shí)，按照第1條路徑的回推僅需要2次迭代即可完成，而第2條路徑需要3次。因此，第2條路徑會(huì)在2次迭代后被過濾，只留下最短路徑。

2.1.3 前代過程

前代過程是利用回推過程結(jié)束前的一次迭代結(jié)果作為初始信息繼續(xù)向前查找訂閱端口，可實(shí)現(xiàn)對回推過程所篩選出的最短路徑中各端口序號(hào)的記錄，如回推過程在第k次迭代后結(jié)束，則前代過程的初始信息為第k-1次迭代的結(jié)果Bk-1p×p。前代過程的公式如下：

其中，Gp×p與 Fp×p用于儲(chǔ)存中間結(jié)果。 為將路徑中的端口序號(hào)記錄下來，定義一新的矩陣Lp×p。篩選出Fp×p中為2的元素fab后，將Lp×p中對應(yīng)的元素lab置1，說明在最短路徑中端口a和b是相連的，體現(xiàn)為圖1中的端口3和5。

進(jìn)行一次回推和前代過程能夠找出并記錄最短路徑中在一臺(tái)交換機(jī)中的2個(gè)端口，為記錄下路徑中的所有端口，需重復(fù)進(jìn)行回推和前代過程，即以圖1中的端口5作為發(fā)布端口，以端口15為訂閱端口，重復(fù)回推和迭代，直到最短路徑中的全部端口均已完成記錄。

2.2 基于最短路徑的VLAN自動(dòng)配置

本文VLAN配置主要涉及VID及support ID。交換機(jī)端口的VID即該端口的VLAN ID，本文默認(rèn)交換機(jī)的端口號(hào)為其端口的VID，某一端口的support ID就是該端口允許通過的該交換機(jī)其他端口的VID號(hào)。VLAN的配置即實(shí)現(xiàn)為每一個(gè)端口配置support ID。

在最短路徑Lp×p下配置VLAN可分2個(gè)步驟進(jìn)行。

a.劃分support ID。若通信網(wǎng)絡(luò)中共有j臺(tái)交換機(jī)，每臺(tái)交換機(jī)有d個(gè)端口，則在矩陣Lp×p中，可形成j個(gè)d階子矩陣，逐一判斷每個(gè)子矩陣中每一元素是否為0。若某元素不等于0，則該元素所對應(yīng)行的端口為報(bào)文傳出端口，列所對應(yīng)的端口為報(bào)文進(jìn)入端口，把報(bào)文進(jìn)入端口的VID記錄在報(bào)文傳出端口的support ID中。

b.確定最終VLAN。若根據(jù)某個(gè)報(bào)文訂閱關(guān)系通過上述最短路徑算法獲得對應(yīng)多個(gè)報(bào)文傳輸路徑，則對各個(gè)路徑均進(jìn)行VLAN劃分，然后對比各鏈路的流量分布情況，選擇使網(wǎng)絡(luò)流量分布相對均勻的路徑對應(yīng)的VLAN為最終方案。

針對圖1形成的訂閱關(guān)系矩陣B18×18，對于等于1 的元素 b15，1、b17，2、b17，16、b15，18，利用最短路徑算法求出在各自訂閱關(guān)系下的路徑如表1所示。

表1 報(bào)文訂閱關(guān)系下的報(bào)文最短路徑Table 1 Shortest packet path for different packet subscription relationships

根據(jù)最短路徑VLAN的自動(dòng)配置原理，形成最終的VLAN方案，如表2所示。

表2 報(bào)文訂閱關(guān)系下的VLAN方案Table 2 VLAN scheme for existing packet subscription relationships

上述各步驟均可通過編程利用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，相比目前各種人工配置VLAN方式，本文的VLAN自動(dòng)配置方式不僅能減少配置過程的工作量和避免人工配置時(shí)的人為失誤，而且能極大地減少冗余報(bào)文和降低網(wǎng)絡(luò)流量。

3 算例分析

3.1 算例系統(tǒng)參數(shù)

為了驗(yàn)證本文所提出的VLAN優(yōu)化配置方法的合理性與可行性，選擇某智能變電站110 kV側(cè)過程層網(wǎng)絡(luò)的VLAN優(yōu)化配置作為算例。該智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示，其包含3臺(tái)交換機(jī)，每臺(tái)交換機(jī)有20個(gè)端口；同時(shí)配置了6臺(tái)110 kV線路保護(hù)測控裝置、4臺(tái)主變保護(hù)測控裝置、2臺(tái)主變非電量保護(hù)測控裝置、1臺(tái)母線保護(hù)裝置、11臺(tái)合并單元、6臺(tái)智能操作箱、1臺(tái)110 kV備自投等設(shè)備。本文在圖3中已對所有設(shè)備及交換機(jī)的端口進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)。

圖3 某智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.3 Process-layer network topology of a smart substation

3.2 VLAN配置結(jié)果對比與評價(jià)

通過解析該智能變電站SCD文件，可獲得其詳細(xì)報(bào)文信息及其訂閱關(guān)系?；诒疚姆椒ǚ謩e對每一臺(tái)交換機(jī)下的端口進(jìn)行VLAN配置，結(jié)果如表3所示。為便于比較分析，表4所示為文獻(xiàn)[13]的附錄A中所描述的該智能變電站110 kV過程層網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)行時(shí)采用VLAN配置方案。

表3 某智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)VLAN劃分結(jié)果Table 3 Result of VLAN partitioning for process-layer network of a smart substation

表4 某智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)的VLAN配置方案Table 4 Operating process-layer network VLAN scheme of a smart substation

為求取不同VLAN配置方案下的報(bào)文分布，本文基于OPNET通信網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，進(jìn)行了基于IEC61850 的智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)建模，包括：各IED、合并單元MU（Merging Unit）、交換機(jī)等實(shí)體設(shè)備，組網(wǎng)方式和通信協(xié)議等[14-16]。

本文把VLAN配置方案下的報(bào)文訂閱關(guān)系的充分性指標(biāo)E1、必要性指標(biāo)E2、網(wǎng)絡(luò)的平均流量水平和流量分布的均勻度S（流量標(biāo)準(zhǔn)差）作為評價(jià)該VLAN配置方案是否合理的評價(jià)指標(biāo)。通過對比分析本文方案和現(xiàn)有方案的上述指標(biāo)來說明本文VLAN配置方案具有更優(yōu)效果。

本文基于OPNET的部分端口流量仿真結(jié)果如表5所示。其中SV報(bào)文大小約為254 Byte，發(fā)包間隔為0.00025 s；故障情況下，GOOSE報(bào)文大小約為254 Byte，發(fā)包間隔為0.002 s；仿真總時(shí)間為10 s。再由仿真結(jié)果分別計(jì)算網(wǎng)絡(luò)平均流量水平和流量分布均勻度S（流量標(biāo)準(zhǔn)差）：本文方案的=32.2Mbit/s，現(xiàn)有方案的=42.1 Mbit/s；本文方案的 S=2.25，現(xiàn)有方案的S=6.10。

表5 2種VLAN方案仿真結(jié)果的對比Table 5 Comparison of simulative results between two VLAN schemes

3.2.1 訂閱關(guān)系的充分必要性

2種VLAN配置方案都滿足報(bào)文訂閱關(guān)系的充分性，滿足了站內(nèi)設(shè)備收到其訂閱的報(bào)文要求，即實(shí)現(xiàn)了式（2）中的E1=1。但本文方案各個(gè)設(shè)備E2的值都比現(xiàn)運(yùn)行方案的E2小，這是因?yàn)樵诒疚乃惴ㄖ?，發(fā)送端口只把報(bào)文發(fā)送給那些存在報(bào)文傳輸路徑的端口，盡可能避免一些端口收到?jīng)]有訂閱的報(bào)文，從而減小式（3）中的N3i，由于設(shè)備所訂閱的報(bào)文是確定的，即N2i大小不變，故可使E2變小；而現(xiàn)運(yùn)行的方案只對SV報(bào)文以間隔為原則進(jìn)行VLAN配置，其GOOSE報(bào)文采用全網(wǎng)廣播方式導(dǎo)致過多設(shè)備收到大量多余的報(bào)文。因此2種方案對比之下，通過本文優(yōu)化配置后的VLAN方案效果更好。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)流量水平及其分布均勻度

綜上 E1、E2、以及 S 的對比分析，本文優(yōu)化配置后的VLAN方案比現(xiàn)有VLAN方案具有更優(yōu)的效果。另一方面，本文方案可實(shí)現(xiàn)VLAN自動(dòng)配置，相對于該智能變電站現(xiàn)有的VALN人為配置方案，提高了配置工作的效率和準(zhǔn)確率，具有實(shí)際的工程意義。

4 結(jié)論

本文根據(jù)設(shè)備間的報(bào)文訂閱關(guān)系以及通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建了VLAN配置的通信網(wǎng)絡(luò)模型，并基于此提出了報(bào)文最短路徑算法，以此來實(shí)現(xiàn)VLAN的優(yōu)化配置。最后基于實(shí)際運(yùn)行的某一智能變電站為算例，將本文的VLAN優(yōu)化配置方案與現(xiàn)有的VLAN方案進(jìn)行對比，對比結(jié)果說明本文VLAN劃分結(jié)果更具準(zhǔn)確性、可靠性和實(shí)用性，從而驗(yàn)證了本文所提出優(yōu)化配置方法的合理性和可行性，對VLAN技術(shù)在智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用和推廣具有重要的工程意義。