劉曉勝，海天翔，鄭 檢，朱宏林，徐殿國

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.國網(wǎng)北京市電力公司信息通信分公司，北京 100070；3.國網(wǎng)江西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江西 南昌 330043）

0 引言

基于IEC61850的智能變電站對遙控信號、保護(hù)信號等具有很高的實時性要求[1-3]。在智能變電站內(nèi)部，數(shù)據(jù)報文種類眾多，若不按照某種規(guī)則對設(shè)備的功能進(jìn)行劃分，會產(chǎn)生廣播風(fēng)暴，增加網(wǎng)絡(luò)延時，造成網(wǎng)絡(luò)擁堵，影響變電站的正常運(yùn)行。虛擬局域網(wǎng) VLAN（Virtual Local Area Network）可以很好地解決上述問題。通過對變電站中的智能電子設(shè)備（IED）進(jìn)行邏輯劃分，將具有相同工作性質(zhì)的設(shè)備劃分在同一VLAN中[4-6]，將數(shù)據(jù)信息限制在VLAN內(nèi)部，可以減輕交換機(jī)的工作壓力，減少網(wǎng)絡(luò)延時。

在智能變電站通信的可靠性與實時性方面，國內(nèi)外眾多學(xué)者從不同角度開展了相關(guān)研究工作。近年來，有關(guān)變電站內(nèi)VLAN技術(shù)的仿真研究逐漸開展。文獻(xiàn)[7]提出了一種適用于智能變電站的VLAN劃分方案，對變電站內(nèi)不同電壓等級的設(shè)備進(jìn)行VLAN劃分，從而避免廣播風(fēng)暴；文獻(xiàn)[8]對智能變電站內(nèi)部各種典型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行建模與理論分析、計算，并首次對VLAN在智能變電站中的應(yīng)用進(jìn)行了具體的仿真分析；文獻(xiàn)[9]采用VLAN技術(shù)對變電站過程層進(jìn)行了合理的劃分，并在數(shù)據(jù)包大小、發(fā)送間隔、節(jié)點處理能力的基礎(chǔ)上對智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置，對跨間隔及跨交換機(jī)的2種場景進(jìn)行仿真研究。但是現(xiàn)在已有的智能變電站VLAN研究存在著一些不足：現(xiàn)有的仿真研究均采用單交換機(jī)的星形網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)跨交換機(jī)通信數(shù)據(jù)流增大時，單一交換機(jī)承擔(dān)壓力較大，可能產(chǎn)生較大的網(wǎng)絡(luò)延時；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)鏈路或交換機(jī)設(shè)備故障時，單一交換機(jī)難以進(jìn)行容錯控制，難以保證通信的可靠性；以往的研究均采用OPNET仿真的方式，并沒有在實際交換機(jī)上進(jìn)行VLAN劃分及驗證。本文對核心交換機(jī)進(jìn)行熱冗余備份，針對典型的D2-1變電站結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新組網(wǎng)，并采用熱備份路由協(xié)議HSRP（Hot-Standby Router Protocol），對單一及雙冗余交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)在中心交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)速率、IED接收速率、網(wǎng)絡(luò)延時3個方面進(jìn)行仿真對比；并在實際交換機(jī)上進(jìn)行VLAN+HSRP實驗，研究了VLAN+HSRP技術(shù)對變電站通信實時性、可靠性方面的影響。

1 HSRP在智能變電站中的應(yīng)用

1.1 HSRP

HSRP是美國Cisco自主研發(fā)的專有技術(shù)。系統(tǒng)中包含多個路由器，構(gòu)成1個“熱備份組”[10]。在任意時刻，組內(nèi)只有1臺活動的（active）路由器，用于承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的任務(wù)。當(dāng)活動路由器出現(xiàn)故障時，備份路由器成為新的活動路由器，承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的任務(wù)。從網(wǎng)絡(luò)主機(jī)方面而言，網(wǎng)關(guān)并沒有發(fā)生改變，主機(jī)仍然連通，避免受到故障的影響，實現(xiàn)了工作路由器的切換。

在HSRP網(wǎng)絡(luò)中，各路由器通過Hello消息互相監(jiān)聽。若長時間未收到路由器發(fā)送過來的Hello消息，即認(rèn)為是活動路由器出現(xiàn)故障，備份路由器便成為活動路由器。一個路由器是否為活動路由器主要由優(yōu)先級決定，若一個路由器的優(yōu)先級高于其他路由器，則該路由器成為活動路由器。若網(wǎng)絡(luò)中路由器優(yōu)先級相同，則由各路由器共同承擔(dān)業(yè)務(wù)。在1個熱備份組中，最多有1個活動路由器和1個備份路由器。HSRP具有以下特點。

a.可靠性強(qiáng)。2臺路由器采用HSRP，如果1臺路由器出現(xiàn)故障，備份路由器會迅速跟進(jìn)承擔(dān)業(yè)務(wù)。

b.可實現(xiàn)負(fù)載均衡。眾多數(shù)據(jù)網(wǎng)核心部分?jǐn)?shù)據(jù)流量及處理業(yè)務(wù)量較大，單一設(shè)備承擔(dān)不利于網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)行。HSRP可以提供負(fù)載均衡機(jī)制，擴(kuò)展鏈路帶寬，加強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力，提高網(wǎng)絡(luò)的可用性。

c.安全性高。在交換機(jī)上與VLAN配合，可以保證子網(wǎng)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

1.2 智能變電站采用HSRP的必要性

如智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的一些大數(shù)據(jù)流量企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，一般采取“8／2”原則，即有80%的數(shù)據(jù)流量在各子網(wǎng)內(nèi)部，而只有20%的數(shù)據(jù)流量通過骨干路由器或者中心服務(wù)器在各子網(wǎng)之間傳遞；然而，隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)的增多，各大數(shù)據(jù)流量的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)受日益增多的集成應(yīng)用的影響，通過骨干路由器或中心路由器的流量比重逐漸增多，現(xiàn)已達(dá)到了“5／5”，甚至有“2／8”的趨勢。

在智能變電站內(nèi)部，各通信業(yè)務(wù)種類繁多，數(shù)據(jù)類型及最大延時要求各不相同，變電站數(shù)據(jù)報文及其特點如表1所示。在實際中，變電站內(nèi)部各報文并不僅局限在各間隔內(nèi)部，跨交換機(jī)或跨間隔的數(shù)據(jù)流已成為變電站內(nèi)部不可忽略的因素。而這些數(shù)據(jù)流僅由1臺核心交換機(jī)承擔(dān)勢必對交換機(jī)可靠性提出非常嚴(yán)格的要求。當(dāng)核心交換機(jī)承擔(dān)的壓力過重，其轉(zhuǎn)發(fā)速率過大會對網(wǎng)絡(luò)延時產(chǎn)生影響。而采用雙備份路由協(xié)議，將數(shù)據(jù)流由2臺核心交換機(jī)共同承擔(dān)，可以實現(xiàn)負(fù)載均衡。而當(dāng)變電站過程層交換機(jī)與中心交換機(jī)之間鏈路出現(xiàn)故障時，采用熱備份的雙交換機(jī)拓?fù)淇梢赃M(jìn)行容錯控制，數(shù)據(jù)流將在備份路徑上傳遞，避免由于鏈路中斷導(dǎo)致的通信故障，提高通信的可靠性。

表1 智能變電站數(shù)據(jù)報文及其特點Table 1 Data message types and corresponding features of smart substation

采用雙備份路由協(xié)議，將數(shù)據(jù)流由2臺核心交換機(jī)共同承擔(dān)，可以實現(xiàn)負(fù)載均衡。而當(dāng)變電站過程層交換機(jī)與中心交換機(jī)之間鏈路出現(xiàn)故障時，采用熱備份的雙交換機(jī)拓?fù)淇梢赃M(jìn)行容錯控制，數(shù)據(jù)流將在備份路徑上傳遞，避免由于鏈路中斷導(dǎo)致的通信故障，提高通信的可靠性。

2 基于VLAN的智能變電站熱備份通信

本文以一種典型的D2-1型變電站為例，對現(xiàn)有的通信拓?fù)洳捎弥行慕粨Q機(jī)熱備份的方案，建立仿真模型，驗證其在通信實時性與可靠性方面所具有的優(yōu)越性。D2-1型變電站結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 VLAN的劃分與設(shè)置

在對智能變電站熱備份通信建模之前，首先要對該D2-1變電站設(shè)備進(jìn)行VLAN的設(shè)置。在D2-1型變電站中，有1個母線間隔、2個變壓器間隔以及6個饋線間隔。每個間隔內(nèi)分別有合并單元（MU）IED、保護(hù)與控制單元（P&C）IED及斷路器IED。采取按間隔劃分VLAN的原則，將該變電站劃分為11個VLAN，共分為以下3個大類：

a.9個變電站間隔各自劃分為1個VLAN，用于抑制廣播風(fēng)暴，減小中心交換機(jī)的壓力；

b.站控主機(jī)與服務(wù)器間劃分為1個VLAN，用于變電站層內(nèi)部設(shè)備之間通信；

c.變電站中所有IED及站控層設(shè)備（主機(jī)、服務(wù)器）劃分為1個VLAN，用于跨層通信。

在端口設(shè)置中，將各間隔交換機(jī)與中心交換機(jī)的接口都設(shè)為“Trunk”，用于實現(xiàn)跨交換機(jī)的VLAN間通信；其余端口設(shè)為“Access”，用于傳遞VLAN信息。

2.2 基于VLAN的智能變電站熱備份通信方案

根據(jù)上文提出的智能變電站熱冗余思想，對核心交換機(jī)進(jìn)行熱冗余備份。如圖2所示，變電站站控層的主機(jī)與服務(wù)器分別與2臺互為熱冗余的中心交換機(jī)相連，2臺中心交換機(jī)為3層交換機(jī)，可進(jìn)行路由協(xié)議的配置，通過2條光纖相連，1條為工作路徑，1條為其備份路徑，并配置為鏈路聚合；每個VLAN間隔的邊緣交換機(jī)和與之相鄰的邊緣交換機(jī)相連，并與VLAN間隔內(nèi)的各IED設(shè)備呈星形連接。將D2-1型變電站中的9個間隔分成4個1組和5個1組，共2組，每組與其中1臺中心交換機(jī)相連，構(gòu)成環(huán)網(wǎng)。在網(wǎng)絡(luò)正常工作時，每臺中心交換機(jī)分別只承擔(dān)1組交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)流，各間隔的邊緣交換機(jī)分別與其負(fù)責(zé)的中心交換機(jī)相連?？梢钥闯?，該熱備份方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是星形與環(huán)形結(jié)合的復(fù)合拓?fù)洹?/p>

由于網(wǎng)絡(luò)中跨交換機(jī)的數(shù)據(jù)流由2臺中心交換機(jī)共同承擔(dān)，故單一交換機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)速率降低，壓力有所減小。而當(dāng)2臺中心交換機(jī)中的某一臺出現(xiàn)故障或是邊緣交換機(jī)與中心交換機(jī)間鏈路故障時，邊緣交換機(jī)將通過與其他邊緣交換機(jī)之間的鏈路與另一臺中心交換機(jī)進(jìn)行通信，避免出現(xiàn)通信中斷現(xiàn)象，提高通信的可靠性。

2.3 智能變電站通信數(shù)據(jù)流建模

根據(jù)各類報文的不同特點及具體的參數(shù)要求，本文按照數(shù)據(jù)流的流向，將變電站內(nèi)的通信數(shù)據(jù)流分為以下5類，并進(jìn)行數(shù)據(jù)流建模。

a.采樣值報文。

圖1 D2-1型變電站結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of D2-1 type substation

圖2 智能變電站熱備份方案Fig.2 Hot-standby scheme of smart substation

采樣值SAV（SAmpled Value）報文是每個間隔內(nèi)的合單元IED以一定頻率向P&CIED以廣播方式發(fā)送的周期性報文，屬間隔內(nèi)報文，分為變壓器間隔內(nèi)SAV報文和非變壓器間隔內(nèi)SAV報文。前者數(shù)據(jù)包最大長度為171 Byte，后者數(shù)據(jù)包最大長度為125 Byte，每秒發(fā)送數(shù)據(jù)包4000個。

b.設(shè)備狀態(tài)信息報文。

設(shè)備狀態(tài)信息報文由各間隔內(nèi)的P&CIED和斷路器IED向站控服務(wù)器發(fā)送，屬跨層通信報文，數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔為20 ms，報文大小為256Byte。

c.跳閘報文。

跳閘報文屬間隔內(nèi)和跨間隔的復(fù)合報文。在饋線間隔內(nèi)，P&CIED向斷路器IED發(fā)送跳閘報文，同時向母線間隔內(nèi)斷路器IED發(fā)送跳閘報文。報文大小為16Byte，到達(dá)時間服從泊松分布（λ=500）。

d.GOOSE報文。

GOOSE報文為典型的突發(fā)性報文，也是間隔內(nèi)和跨間隔的復(fù)合報文。發(fā)生故障后，間隔內(nèi)的P&C IED同時收到本間隔內(nèi)斷路器及母線間隔發(fā)送的GOOSE報文，采用ON／OFF機(jī)制，報文在ON時刻產(chǎn)生。處于ON狀態(tài)時服從α=1.1、k=512 μs的帕累托分布，處于OFF狀態(tài)時服從泊松分布（λ=50）。

e.文件傳輸報文。

變電站站控層內(nèi)部傳輸?shù)膱笪模煞?wù)器向站控主機(jī)發(fā)送，屬跨交換機(jī)報文；數(shù)據(jù)包較大，為1 MByte，報文將被持續(xù)發(fā)送。

3 基于VLAN的智能變電站熱備份仿真分析

3.1 仿真場景

仿真場景中，采用155 Mbit／s帶寬的鏈路即可滿足變電站通信的要求。仿真以下列通信事件為例：某一饋線間隔發(fā)生故障，在發(fā)送跳閘指令至間隔內(nèi)P&C IED及母線間隔內(nèi)斷路器IED的同時，還進(jìn)行著變電站層主機(jī)與服務(wù)器之間跨中心交換機(jī)的FTP文件傳輸。仿真從100 s開始，首先由合并單元持續(xù)產(chǎn)生SAV報文，直至仿真結(jié)束；110 s時，站內(nèi)各P&C IED、斷路器IED開始向站控設(shè)備發(fā)送設(shè)備狀態(tài)信息報文；跳閘指令在120 s時進(jìn)行傳送；GOOSE報文和文件傳輸報文在120～130 s內(nèi)隨機(jī)時刻進(jìn)行傳送，整個仿真時間持續(xù)至1200 s。

3.2 仿真建模

仿真場景中饋線間隔內(nèi)的合并單元IED產(chǎn)生的SAV報文屬于快速報文，直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層，為減少協(xié)議開銷，采用OPNET中的Ethernet_station模型。狀態(tài)信息報文、GOOSE報文及跳閘報文屬于中速或快速報文，與之有關(guān)的斷路器IED、P&C IED以及站控主機(jī)均采用Ethernet_workstation模型。Ethernet_station模型和Ethernet_workstation模型均采用OPNET自帶的模型，根據(jù)數(shù)據(jù)報文的不同進(jìn)行設(shè)置，來模擬各類數(shù)據(jù)報文。各類報文的應(yīng)用、傳輸協(xié)議、優(yōu)先級設(shè)置如表2所示。在優(yōu)先級的設(shè)置中，VLAN的優(yōu)先級標(biāo)志位位于其標(biāo)簽字段第3個字節(jié)的高3位，最低為0，最高為7。根據(jù)智能變電站數(shù)據(jù)報文通信實時性要求的不同，將GOOSE報文及跳閘報文的優(yōu)先級設(shè)置為最高級7，將實時性要求最低的文件傳輸報文設(shè)置為系統(tǒng)的默認(rèn)等級4。

表2 智能變電站數(shù)據(jù)報文仿真設(shè)置Table 2 Settings for data message simulation of smart substation

本文針對變電站通信中跨交換機(jī)、跨間隔通信情況，運(yùn)用上述的熱備份思想與VLAN結(jié)合，以減小中心交換機(jī)的壓力，故采用對比仿真的方式比較常規(guī)單交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)與雙交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)在通信實時性和可靠性方面的差異。改進(jìn)前后的OPNET整體網(wǎng)絡(luò)模型分別如圖3（a）、（b）所示，饋線間隔如圖3（c）所示。

圖3 OPNET仿真拓?fù)鋱DFig.3 Topological diagrams of OPNET simulation

3.3 仿真結(jié)果分析

對傳統(tǒng)單交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)與熱備份雙交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)從實時性與可靠性2個方面進(jìn)行對比，仿真結(jié)果如圖4—7所示。

從圖4可以看出，采用了VLAN技術(shù)的場景，由于劃分了VLAN，使SAV報文只在本間隔內(nèi)部傳送，中心交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)速率明顯減小，大幅減小了交換機(jī)的壓力；采用圖3（b）中的熱備份雙交換機(jī)拓?fù)洌颗_交換機(jī)只承擔(dān)一半的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，中心交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)速率進(jìn)一步減小，約為單交換機(jī)場景轉(zhuǎn)發(fā)速率的 1／2。

圖4 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對中心交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)速率的影響Fig.4 Influence of topological structure on forwarding rate of central switch

從圖5可以看出，進(jìn)行VLAN劃分的場景下，P&C IED只收到本間隔內(nèi)部合并單元IED發(fā)送的數(shù)據(jù)，抑制了廣播風(fēng)暴。不采用VLAN的場景下，P&C IED接收數(shù)據(jù)速率平均值為4×105bit／s左右；而采用VLAN的場景下，P&CIED接收數(shù)據(jù)速率平均值為0.45×105bit／s，為不采用 VLAN 場景下的 1／9左右，與理論分析一致。

圖5 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對IED數(shù)據(jù)接收速率的影響Fig.5 Influence of topological structure on data receiving rate of IED

在實時性方面，可以從圖6看出，劃分了VLAN的網(wǎng)絡(luò)場景延時明顯減小，更加符合IEC61850中規(guī)定的最大時延標(biāo)準(zhǔn)；而熱備份交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)場景由于多增加了1臺交換機(jī)，勢必帶來一些附加的交換機(jī)延時，從圖6可以看出其延時要比單交換機(jī)延時稍長，不過仍小于不采用VLAN的網(wǎng)絡(luò)場景，符合IEC 61850中規(guī)定的延時標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)延時的影響Fig.6 Influence of topological structure on network delay

在可靠性方面，假設(shè)仿真在進(jìn)行到500s時，饋線間隔1的路由器與中心交換機(jī)鏈路發(fā)生故障，分析此時站控層服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)。從圖7中可以看出，當(dāng)鏈路發(fā)生故障時，采用熱備份雙交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)場景的站控層服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)基本未受到影響；而傳統(tǒng)的單交換機(jī)星形網(wǎng)絡(luò)由于無法提供備份路徑，一旦與中心交換機(jī)相連的鏈路出現(xiàn)故障，站控層設(shè)備將無法收到相應(yīng)數(shù)據(jù)，對變電站通信造成嚴(yán)重影響。

圖7 鏈路故障對站控服務(wù)器接收速率的影響Fig.7 Influence of link failure on receiving rate of station control server

4 實物驗證

為了驗證VLAN及HSRP能夠在實際交換機(jī)上進(jìn)行配置，保證通信的安全性、實時性、可靠性，本節(jié)在前文仿真的基礎(chǔ)上，利用實際的交換機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)實驗。

實驗平臺包括4臺交換機(jī)，均為可配置的思科網(wǎng)關(guān)型交換機(jī)，其中：3層交換機(jī)C3560為2臺，可進(jìn)行路由協(xié)議的設(shè)置，采用“一次路由、多次交換”的原理，進(jìn)行基于IP地址的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，代表變電站內(nèi)的中心交換機(jī)；2層交換機(jī)C2950為2臺，連接著PC機(jī)，用于數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，代表著變電站間隔內(nèi)交換機(jī)。實驗將從安全性、實時性及可靠性3個方面進(jìn)行驗證，利用PC機(jī)上的超級終端對交換機(jī)進(jìn)行配置，并利用Ping指令進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的連通性、實時性測試。

4.1 安全性驗證

VLAN最大的特點就是不同VLAN之間若不設(shè)置路由則無法進(jìn)行通信，這可保證數(shù)據(jù)只在VLAN內(nèi)部傳遞，安全性強(qiáng)，可避免廣播風(fēng)暴。在安全性實驗中，采用1臺C3560交換機(jī)和3臺PC機(jī)的實驗拓?fù)?，如圖8所示。

圖8 安全性驗證實驗拓?fù)銯ig.8 Topology of security verification experiment

將實驗用的3臺PC機(jī)及交換機(jī)配置為如圖8中所示的IP地址，并將交換機(jī)劃分為VLAN100、VLAN2000這2個VLAN。將PC1、PC2接在交換機(jī)VLAN100成員的端口上，將PC3接在交換機(jī)VLAN200接口。實驗時，用PC2分別Ping PC1、PC3，觀察網(wǎng)絡(luò)的連通情況。

由于PC2與PC3不在同1個VLAN中，故在PC2中Ping PC3結(jié)果顯示不通；而PC2Ping在同一個VLAN中的PC1則能夠聯(lián)通。實驗結(jié)果表明VLAN技術(shù)能夠避免數(shù)據(jù)的跨VLAN傳遞，提高通信的安全性。

4.2 實時性驗證

劃分了VLAN后，間隔內(nèi)的IED將只收到同一VLAN中IED發(fā)來的數(shù)據(jù)，可以避免廣播風(fēng)暴，減少網(wǎng)絡(luò)延時。為驗證VLAN可以提高網(wǎng)絡(luò)實時性，采用如圖9所示的實驗拓?fù)洹?/p>

圖9 實時性驗證實驗拓?fù)銯ig.9 Topology of real-time performanceverification experiment

圖9中，C3560交換機(jī)代表中心交換機(jī)，2臺C2950交換機(jī)代表間隔交換機(jī)，用PC機(jī)模擬IED，IP地址如圖中所示。實驗中令PC2、PC3同時向PC1發(fā)送大小為171 Byte、包間隔為0.00025 s的SAV報文。對比下列2種情況：無VLAN劃分；將PC1、PC2劃分在一個VLAN，PC3單獨在一個VLAN。在PC2中用Ping指令觀察PC1傳送回的報文及網(wǎng)絡(luò)延時。實驗結(jié)果見表3。

表3 實時性驗證實驗結(jié)果Table 3 Results of real-time performance verification experiment

從實驗結(jié)果中可以看出，由于PC1同時收到了PC2、PC3發(fā)送的SAV報文，無VLAN劃分時網(wǎng)絡(luò)延時約為2ms，大于劃分了VLAN的網(wǎng)絡(luò)場景下的延時，且出現(xiàn)了丟包現(xiàn)象和廣播風(fēng)暴現(xiàn)象。而在劃分了VLAN的場景中，PC1只收到同一VLAN內(nèi)的PC2發(fā)來的SAV報文，網(wǎng)絡(luò)延時減小為1 ms，且沒有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，避免了數(shù)據(jù)擁塞現(xiàn)象的發(fā)生。總體而言，在網(wǎng)絡(luò)中劃分VLAN，可以減小網(wǎng)絡(luò)延時，提高通信的實時性。

4.3 可靠性驗證

為驗證HSRP可增加網(wǎng)絡(luò)的可靠性，將圖2中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡化，得到圖10所示的實驗拓?fù)洹?/p>

可靠性驗證實驗用到4臺交換機(jī)，其中2臺C3560交換機(jī)代表熱備份的變電站中心交換機(jī)，2臺C2950交換機(jī)代表變電站間隔內(nèi)部的邊緣交換機(jī)，PC機(jī)代表IED。在PC1上Ping PC2，發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中關(guān)掉C2950交換機(jī)2，模擬其出現(xiàn)故障的情形，此時PC1上返回的Ping結(jié)果如下。實驗結(jié)果見表4。

圖10 可靠性驗證實驗拓?fù)銯ig.10 Topology of reliability verification experiment

a.無HSRP的實驗結(jié)果。

b.采用HSRP實驗結(jié)果。

表4 可靠性驗證實驗結(jié)果Table 4 Results of reliability verification experiment

從實驗結(jié)果中可以看出，無HSRP的網(wǎng)絡(luò)在中心交換機(jī)出現(xiàn)故障后，通信發(fā)生中斷。采用HSRP的網(wǎng)絡(luò)在中心交換機(jī)出現(xiàn)故障后，數(shù)據(jù)將通過C2950交換機(jī)2經(jīng)另一中心交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)至目的PC，具有較好的容錯功能和較強(qiáng)的可靠性，通信經(jīng)過短時間中斷后能恢復(fù)正常。

5 結(jié)論

本文針對智能變電站通信中存在的跨交換機(jī)、跨間隔等情況，結(jié)合HSRP提出一種雙交換機(jī)熱備份的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過與傳統(tǒng)單交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膶Ρ确抡婵芍捎昧薍SRP的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋺{借硬件冗余的方式，減小了中心交換機(jī)的壓力，縮短了網(wǎng)絡(luò)延時；而當(dāng)鏈路發(fā)生故障時，備份交換機(jī)可承擔(dān)起故障活動交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，避免了通信中斷，確保了通信的可靠性。最后用交換機(jī)與PC機(jī)實驗平臺驗證了仿真的結(jié)論。該熱備份雙交換機(jī)方案可應(yīng)用于實際的變電站通信中。