文 | 董定勇，楊十力，胡凱凱，陳林

隨著風(fēng)電行業(yè)的不斷發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)監(jiān)控的功能要求增多，從而對(duì)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求也越來(lái)越高。

然而，出于成本等多方面因素的考慮，大量的風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用的是使用二層交換機(jī)的單核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。這種網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、成本低，但缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的：一旦核心交換機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)就完全癱瘓，絲毫沒(méi)有冗余可言。監(jiān)控系統(tǒng)不能監(jiān)控風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀況，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)將處于無(wú)監(jiān)控狀態(tài)。因此，使用一種簡(jiǎn)單、有效和可靠的單核心網(wǎng)絡(luò)雙機(jī)熱備份改造方式就能體現(xiàn)出其價(jià)值。

風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)狀況

一、典型的風(fēng)電場(chǎng)組網(wǎng)模式

典型的風(fēng)電場(chǎng)SCADA 系統(tǒng)由變電站、風(fēng)電機(jī)組、遠(yuǎn)程接口單元（RIU） 、現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)、SCADA 現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器、現(xiàn)場(chǎng)工作站、遠(yuǎn)程客戶(hù)端等組成。風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接如圖1，風(fēng)電機(jī)組的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)PLC連接到風(fēng)電機(jī)組環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，一般10個(gè)－20個(gè)風(fēng)電機(jī)組環(huán)網(wǎng)交換機(jī)加一個(gè)中控室環(huán)網(wǎng)交換機(jī)組成一個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組數(shù)量不同，每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)有若干個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)，光纖環(huán)網(wǎng)的中控室交換機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)線連接到核心交換機(jī)，服務(wù)器、工作站、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也連接到核心交換機(jī)上，從而構(gòu)成一個(gè)整體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

二、單核心交換機(jī)隱患

這種單核心交換機(jī)連接方式簡(jiǎn)單、成本低、容易實(shí)現(xiàn)，在這種情況下，一旦核心交換機(jī)發(fā)生故障，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中斷，用戶(hù)不能及時(shí)掌握風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀況，將造成風(fēng)電機(jī)組停機(jī)甚至是安全事故。為此，需要對(duì)核心交換機(jī)進(jìn)行冗余備份改造，用兩臺(tái)核心交換機(jī)互為備份，當(dāng)一臺(tái)核心交換機(jī)發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能通過(guò)另一臺(tái)交換機(jī)繼續(xù)獲取風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)。

雙交換機(jī)熱備份實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)

雙交換機(jī)熱備的主要難點(diǎn)是要防止交換機(jī)形成環(huán)路。在交換的網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)交換機(jī)接收到一個(gè)未知目的地址數(shù)據(jù)幀時(shí)，交換機(jī)的操作是將這個(gè)數(shù)據(jù)幀廣播出去，在這樣的物理環(huán)路的交換網(wǎng)絡(luò)中，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)雙向的廣播環(huán)，甚至產(chǎn)生廣播風(fēng)暴，導(dǎo)致交換機(jī)死機(jī)等故障發(fā)生。在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)連接方式如圖2。兩個(gè)核心交換機(jī)均為SLM224G2－CN二層交換機(jī)，環(huán)網(wǎng)交換機(jī)型號(hào)為708FXE2－SC－15，按圖將網(wǎng)絡(luò)連接后發(fā)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊中斷，分析原因?yàn)閮蓚€(gè)核心交換機(jī)與兩個(gè)中控室環(huán)網(wǎng)交換機(jī)之間形成了環(huán)路，產(chǎn)生的廣播風(fēng)暴堵塞了網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)對(duì)核心交換機(jī)SLM224G2－CN與環(huán)網(wǎng)交換機(jī)708FXE2－SC－15進(jìn)行設(shè)置也不能解決環(huán)路問(wèn)題。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

圖2 交換機(jī)連接形成環(huán)路

雙機(jī)熱備解決方案

一、使用三層交換機(jī)做核心交換機(jī)

目前使用的雙機(jī)熱備方式一般用兩個(gè)三層交換機(jī)作為核心交換機(jī)實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備方式，用三層交換機(jī)中的生成樹(shù)、VRRP（虛擬路由冗余協(xié)議）等協(xié)議來(lái)防止交換機(jī)環(huán)路的產(chǎn)生，如：用H3C S5800－23C、RG－6806、LE0KS9303等型號(hào)的三層交換機(jī)做核心交換機(jī)，這種實(shí)現(xiàn)方式因?yàn)槭鞘褂萌龑咏粨Q機(jī)做核心交換機(jī)，所以?xún)r(jià)格高昂且原來(lái)網(wǎng)絡(luò)的二層核心交換機(jī)也要廢棄。另外，三層交換機(jī)進(jìn)行雙機(jī)熱備需要進(jìn)行設(shè)置，其設(shè)置也比較麻煩。

二、針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的雙機(jī)熱備方案

（一）網(wǎng)絡(luò)連接方式

針對(duì)圖1風(fēng)電場(chǎng)這種典型的連接方式，可以在原來(lái)設(shè)備不動(dòng)的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)二層的核心交換機(jī)，每臺(tái)連接的電腦增加一塊網(wǎng)卡及幾條網(wǎng)線就能滿(mǎn)足雙交換機(jī)熱備的要求。圖3為錦州老龍口風(fēng)電場(chǎng)核心交換機(jī)冗余備份改造連接示意圖，中控室環(huán)網(wǎng)交換機(jī)先串聯(lián)起來(lái)，再把中控室環(huán)網(wǎng)交換機(jī)1接到核心交換機(jī)1上，中控室環(huán)網(wǎng)交換機(jī)3接到核心交換機(jī)2上，服務(wù)器、工作站分別與核心交換機(jī)1、核心交換機(jī)2連接，這樣就避免了環(huán)路的產(chǎn)生。服務(wù)器與工作站上的兩塊網(wǎng)卡IP地址要設(shè)置為同一網(wǎng)段，如老龍口風(fēng)電場(chǎng)中服務(wù)器網(wǎng)卡1的IP為：193.168.1.100，網(wǎng)卡2的IP為：193.168.1.101。

圖3 風(fēng)電場(chǎng)核心交換機(jī)冗余備份改造連接示意圖

（二） 服務(wù)器的工作機(jī)制

1 服務(wù)器獲取風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)

在各設(shè)備正常的情況下，服務(wù)器上的通訊軟件通過(guò)服務(wù)器定時(shí)向各風(fēng)電機(jī)組PLC發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)請(qǐng)求，這個(gè)數(shù)據(jù)包默認(rèn)通過(guò)網(wǎng)卡1（IP地址：193.168.1.100）發(fā)送到核心交換機(jī)1，核心交換機(jī)1收到這個(gè)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)包，它先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就知道源MAC地址的機(jī)器是連在哪個(gè)端口上的，再去讀取包頭中的目的MAC地址，并在地址表中查找相應(yīng)的端口，如表中有與這目的MAC地址對(duì)應(yīng)的端口，把數(shù)據(jù)包直接復(fù)制到這端口上，如表中找不到相應(yīng)的端口則把數(shù)據(jù)包廣播到所有端口上，當(dāng)目的機(jī)器對(duì)源機(jī)器回應(yīng)時(shí)，交換機(jī)又可以學(xué)習(xí)目的MAC地址與哪個(gè)端口對(duì)應(yīng)，在下次傳送數(shù)據(jù)時(shí)就不再需要對(duì)所有端口進(jìn)行廣播了，同理這個(gè)數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)中控室環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、各光纖環(huán)網(wǎng)最后發(fā)送到各風(fēng)電機(jī)組PLC上；對(duì)應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組PLC在接到服務(wù)器發(fā)來(lái)的請(qǐng)求后將數(shù)據(jù)也通過(guò)核心交換機(jī)1、網(wǎng)卡1發(fā)送到服務(wù)器。

采用這種冗余備份方案，要求服務(wù)器上的通信程序在設(shè)計(jì)時(shí)，必須在INADDR_ANY這個(gè)地址上進(jìn)行偵聽(tīng)，含義是告訴操作系統(tǒng)，其進(jìn)程會(huì)在某個(gè)端口上進(jìn)行偵聽(tīng)，所有發(fā)送到服務(wù)器這個(gè)端口的數(shù)據(jù)（不管是哪個(gè)網(wǎng)卡接收到的），都應(yīng)該是由此進(jìn)程處理的。

2 網(wǎng)絡(luò)故障的自動(dòng)檢測(cè)

服務(wù)器針對(duì)其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)端口（網(wǎng)卡1或網(wǎng)卡2），都任意選擇其它3個(gè)風(fēng)電機(jī)組PLC作為檢測(cè)點(diǎn)。在針對(duì)網(wǎng)絡(luò)端口的每一個(gè)檢測(cè)周期中， 依次向每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)直接發(fā)送檢測(cè)包；收到對(duì)應(yīng)檢測(cè)包的PLC將向發(fā)送方回復(fù)確認(rèn)包。在一個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)如果有一個(gè)PLC回復(fù)確認(rèn)則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)無(wú)故障，不會(huì)再發(fā)剩余的檢測(cè)包；如果在一個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)3個(gè)檢測(cè)包都得不到回復(fù)確認(rèn)則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中斷，服務(wù)器以同樣的方式再檢測(cè)另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口。

（三） 通訊線路故障時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊的切換

1 核心交換機(jī)故障時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊的切換

當(dāng)核心交換機(jī)1發(fā)生故障，服務(wù)器通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)檢測(cè)會(huì)檢測(cè)到網(wǎng)卡1方向的網(wǎng)絡(luò)有故障，這時(shí)服務(wù)器再檢測(cè)網(wǎng)卡2方向的網(wǎng)絡(luò)，如果網(wǎng)卡2方向的網(wǎng)絡(luò)正常，則服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)卡2向風(fēng)電機(jī)組PLC發(fā)送請(qǐng)求，風(fēng)電機(jī)組PLC在接到請(qǐng)求后則將數(shù)據(jù)通過(guò)核心交換機(jī)2、網(wǎng)卡2發(fā)送到服務(wù)器，網(wǎng)卡2端口被設(shè)為默認(rèn)端口，從而保持網(wǎng)絡(luò)通訊的通暢。

2 中控室環(huán)網(wǎng)交換機(jī)故障時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊的切換

當(dāng)中控室環(huán)網(wǎng)交換機(jī)1發(fā)生故障時(shí)，除環(huán)網(wǎng)1中的風(fēng)電機(jī)組不能通訊外，環(huán)網(wǎng)2與環(huán)網(wǎng)3的風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)分別通過(guò)中控室環(huán)網(wǎng)交換機(jī)2與中控室環(huán)網(wǎng)交換機(jī)3，經(jīng)核心交換機(jī)2、網(wǎng)卡2傳送到服務(wù)器。

當(dāng)中控室環(huán)網(wǎng)交換機(jī)3發(fā)生故障后，環(huán)網(wǎng)2與環(huán)網(wǎng)1的風(fēng)電機(jī)組通過(guò)核心交換機(jī)1與服務(wù)器繼續(xù)通訊。

當(dāng)中控室環(huán)網(wǎng)交換機(jī)2發(fā)生故障后，環(huán)網(wǎng)1與環(huán)網(wǎng)3中的風(fēng)電機(jī)組分別通過(guò)核心交換機(jī)1與核心交換機(jī)2與服務(wù)器繼續(xù)通訊。

（四）工作站獲取服務(wù)器數(shù)據(jù)的工作機(jī)制

工作站的通訊軟件對(duì)服務(wù)器的訪問(wèn)不能以服務(wù)器的IP地址為尋址方式，要設(shè)置成以服務(wù)器名尋址的方式，正常情況下，工作站通過(guò)核心交換機(jī)1對(duì)服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求獲取數(shù)據(jù)。當(dāng)核心交換機(jī)1發(fā)生故障后，工作站通過(guò)核心交換機(jī)2對(duì)服務(wù)器發(fā)生請(qǐng)求，獲取服務(wù)器數(shù)據(jù)。

（五）實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在錦州老龍口風(fēng)電場(chǎng)雙交換機(jī)熱備改造項(xiàng)目中，將設(shè)備按圖3連接好后網(wǎng)絡(luò)工作正常；分別斷開(kāi)核心交換機(jī)1與核心交換機(jī)2后，網(wǎng)絡(luò)通訊正常；分別斷開(kāi)網(wǎng)線5與網(wǎng)線6，網(wǎng)絡(luò)照樣通訊正常。經(jīng)驗(yàn)證此種雙機(jī)熱備方式成功。

結(jié)語(yǔ)

風(fēng)電場(chǎng)的雙核心交換機(jī)熱備方式使用的都是二層交換機(jī)作為核心交換機(jī)，原來(lái)的二層核心交換機(jī)可以繼續(xù)使用，因此，改造費(fèi)用少，連接簡(jiǎn)單、可靠，并且不涉及到核心交換機(jī)的設(shè)置，容易實(shí)現(xiàn)。