張省三

摘 要：智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定對變電站的可靠運行起著至關(guān)重要的作用，如果遇到網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴必然會對全站網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸和相關(guān)設(shè)備造成不利的影響。本文根據(jù)報文的結(jié)構(gòu)分析，計算了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴在交換機中的傳輸速率，進而分析了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的形成原理，評估了SV和GOOSE報文網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴對站內(nèi)裝置的影響，并分析了應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的措施，如報文校驗、引入虛擬局域網(wǎng)、生成樹協(xié)議等多種形式，這些措施可以有效避免過程層的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

關(guān)鍵詞：智能變電站；過程層；網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴

中圖分類號：TM406.64 ；TP393.09 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）24-0084-02

1 概 述

對于智能變電站來說，過程層網(wǎng)絡(luò)的作用是對間隔信息進行采樣，完成設(shè)備間及上層報文操作命令的指令傳輸。因此，過程層網(wǎng)絡(luò)關(guān)系著繼電保護設(shè)備的正常運行，也會對電能計量設(shè)備產(chǎn)生影響，對智能變電站的穩(wěn)定、可靠運行起著至關(guān)重要的作用。

在過程層網(wǎng)絡(luò)中進行傳輸?shù)膱笪挠袃煞N，一種是SV報文，一種是GOOSE報文。SV報文可以包括所有的采樣信息，信息流大，一般不會有突發(fā)性的流量；GOOSE報文傳輸?shù)氖窃O(shè)備間的配合信息，信息流小，但突發(fā)流量較大，對實時性的要求較高。

采用不同的報文，就會產(chǎn)生不同的流量特征，所以必須進行合理的網(wǎng)絡(luò)配置，保證報文的正常傳輸，避免網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。過程層有時還采用SV+GOOSE的結(jié)合網(wǎng)絡(luò)，所以如果僅是采用某一種報文過濾方法，是不能應(yīng)對所有過程層網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的。

本文針對智能變電站中可能發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，提出了應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴事故的處理辦法和一些預(yù)防措施。

2 智能變電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

智能變電站的設(shè)備是通過報文進行通信的，合并單元發(fā)出SV報文傳輸所有電壓、電流在某個時點的采樣值，智能終端發(fā)出GOOSE報文傳輸?shù)堕l的開關(guān)信息，包括跳閘、重合閘以及聯(lián)閉鎖信息等。同時還可以發(fā)送其他的GOOSE報文信息，如自檢狀態(tài)、報警信息等。

相關(guān)標準規(guī)定，對采樣信號和跳閘指令進行保護，傳輸時采用直接連接方式，不會形成網(wǎng)絡(luò)。站內(nèi)的GOOSE網(wǎng)絡(luò)采用組網(wǎng)方式，合并單元發(fā)送給故障錄波器、網(wǎng)絡(luò)分析儀和電能表等的SV報文有時也可以采用組網(wǎng)的形式。

在網(wǎng)絡(luò)中進行傳輸?shù)膱笪耐ㄟ^交換機進行交換，會受到吞吐量和時延的影響，現(xiàn)在的智能變電站一般都采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機。

3 網(wǎng)絡(luò)報文的流量分析

3.1 GOOSE網(wǎng)絡(luò)報文的流量分析

GOOSE報文每五秒鐘傳遞一次，一幀報文大約有200-1000個字節(jié)，如果出現(xiàn)了電網(wǎng)故障，GOOSE報文會按照時間遞增的規(guī)律進行發(fā)送，所以GOOSE報文的供求率一般不超過每秒4 Mb，這個傳輸速率遠遠低于交換機的限額速率。GOOSE報文還要進行時間間隔時的信息傳輸，將各時間間隔的GOOSE信息連接成GOOSE網(wǎng)絡(luò)。

3.2 SV網(wǎng)絡(luò)報文的流量分析

SV報文的長度一般在200個字節(jié)左右，每秒鐘可以傳輸

4 000幀的報文，這個速度相當(dāng)于傳輸一幀報文大約需要200 μs，所以單組的SV報文的傳輸速率大約是每秒8 Mb，按這個傳輸速率，一臺交換機中只有傳輸13組的SV報文才可以達到每秒100 Mb的速率。

發(fā)送給智能電子設(shè)備的采樣值可以按照間隔進行劃分，根據(jù)相關(guān)標準規(guī)定，在同一光口進行傳輸?shù)腟V報文不能超過五組，所以利用SV形成全站統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)是不可行的，每個間隔的SV網(wǎng)中只會傳輸本間隔中的SV報文。

智能變電站的網(wǎng)絡(luò)報文分析儀是記錄網(wǎng)絡(luò)流量信息的，如果用一個網(wǎng)口傳輸GOOSE報文信息，傳輸速率會低于單組報文的傳輸速率上限（500 kB/s），如果每個網(wǎng)口接入一組SV報文進行傳輸，可以達到理論分析值的上限。

4 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的形成原理及危險

4.1 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的形成原理

不論哪種網(wǎng)絡(luò)都是由交換機來進行連接的，如果是正常的運行，交換機之間會有一條鏈路進行信息交換。對間隔進行檢修時，因為交換機上的光口很多，所以如果發(fā)生光口的接線錯誤，會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的重復(fù)鏈路，在交換機的內(nèi)部信號會形成環(huán)路，交換機會不自主的進行信息的轉(zhuǎn)發(fā)，于是就形成了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。有時網(wǎng)絡(luò)的裝置出現(xiàn)故障或者內(nèi)部芯片出現(xiàn)故障也會造成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，一般會表現(xiàn)為很多的重復(fù)報文在網(wǎng)絡(luò)中進行快速傳播。

4.2 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴造成的危害

發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴以后，交換機的光口轉(zhuǎn)發(fā)速率會升高，甚至達到最大的轉(zhuǎn)發(fā)速率。如果在SV網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，會形成報文重復(fù)，秩序混亂，SV報文幀間隔會在20 μs左右，與正常情況下的間隔是有很大差距的，采樣的序號不連續(xù)，報文的波形不呈正弦波的樣子，測控、故障錄波器、電能表的記錄也不能準確的反映各間隔的測量值。

所以為了避免SV網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，進行保護采樣時會采用直采，不經(jīng)過SV網(wǎng)絡(luò)，這樣可以避免保護被閉鎖或者誤動。

如果在GOOSE網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，則報文也會重復(fù)和亂序，對站中保護的失靈、跳閘、解除電壓閉鎖、開關(guān)刀閘位置、告警等信號的傳輸造成影響，進而影響保護對應(yīng)功能的正常運行。所以為了避免GOOSE網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，保護裝置會采用直跳，使用保護動作時不經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)，這樣可以保證保護正確動作。

網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴會對報文的正常傳輸與處理造成影響，這是因為網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴占用了交換機的資源，一些數(shù)據(jù)幀被迅速的進行轉(zhuǎn)發(fā)，交換機的轉(zhuǎn)發(fā)資源受到占用而不能進行正常的報文傳輸。在工業(yè)以太網(wǎng)交換機中，網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴會占用99%的帶寬，在網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴發(fā)生時交換機僅能提供每秒1 Mb的帶寬進行報文的傳輸，于是報文就會丟失。

5 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的應(yīng)對建議

5.1 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的發(fā)現(xiàn)和處理

如果在站內(nèi)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，接收網(wǎng)絡(luò)報文的裝置會告警，告警信號顯示收到的報文是異常的。如果有多個裝置都告警網(wǎng)絡(luò)異常，后果就更加嚴重了。發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴以后，報文會重復(fù)和亂序，通過網(wǎng)絡(luò)報文分析儀的顯示，雖然可以確定發(fā)生了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，但是不能確定發(fā)生風(fēng)暴的位置，由于受到網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的所有報文都會被交換機進行重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)，所以不能確認光口連接錯誤的間隔，所以必須核查受到風(fēng)暴影響的間隔，根據(jù)圖紙確認光口的連接，進而檢查出連接的錯誤處。

5.2 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的避免建議

由于報文被重復(fù)快速轉(zhuǎn)發(fā)，所以會形成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，可以在報文接收設(shè)備中進行循環(huán)冗余檢驗，如判斷出相繼接收的報文校驗信息相同，則可以將此報文認定為風(fēng)暴發(fā)生，直接丟棄，這樣可以使設(shè)備的處理報文數(shù)量減少。但是在交換機中發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴時，并不是只有一幀報文會被重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)的，還會有多幀不同的報文被重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)，所以這種方法的局限性是非常明顯的。

可以在交換機內(nèi)部或者不同的交換機之間劃分虛擬局域網(wǎng)，將智能變電站內(nèi)的GOOSE網(wǎng)絡(luò)和SV網(wǎng)絡(luò)進行分離，分別進行傳輸，這樣可以保證報文的實時性。同時兩種報文的報文頭都是帶局域網(wǎng)標記的，排列布置各個光口的局域網(wǎng)準入列表，如果報文的局域網(wǎng)標記不一致就不允許進入交換機，從而避免形成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

現(xiàn)在很多的交換機都支持生成樹協(xié)議，智能變電站內(nèi)的交換機進行生成樹配置后，交換機之間發(fā)送、接收報文會檢測到網(wǎng)絡(luò)中是否有回環(huán)現(xiàn)象。如果檢測到發(fā)生回環(huán)現(xiàn)象，即會將網(wǎng)絡(luò)修剪為沒有環(huán)路的樹形網(wǎng)絡(luò)。利用生成樹協(xié)議進行配置，可以避免在交換機環(huán)網(wǎng)內(nèi)形成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

6 結(jié) 語

隨著大量智能變電站的成功投運，智能變電站技術(shù)得到了迅速發(fā)展。但在智能變電站運行過程中，會不可避免的出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，進而影響智能變電站全站的正常運行。

本文對網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的原理和危害進行了分析，分析站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)報文的流量特點并進行比對，可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴產(chǎn)生的位置，并對風(fēng)暴進行排查，這樣可以減少智能變電站的運行危害。在變電站進行規(guī)劃建設(shè)時要引入先進的交換機技術(shù)來杜絕網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的發(fā)生，并加強交換機的網(wǎng)絡(luò)管理，減少網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的發(fā)生機率，來保證智能變電站的正常運行。

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