李新超，段博，雷亞寧

（1.上海中廣核工程科技有限公司 工程部，上海，200241；2.北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司 工程部，北京,100094）

隨著我國(guó)碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)的提出，新能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電更是重中之重。在實(shí)現(xiàn)風(fēng)電智能化、信息化、自動(dòng)化控制的過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)通訊已越來(lái)越重要，成為影響風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵因素，直接影響風(fēng)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行[1]。在眾多網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題中，網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴無(wú)疑是對(duì)風(fēng)電機(jī)組影響最大的一種，其產(chǎn)生原因復(fù)雜，問(wèn)題定位困難。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴發(fā)生時(shí)，大量報(bào)文阻塞網(wǎng)絡(luò)，可能會(huì)導(dǎo)致死機(jī)，響應(yīng)能力變差，甚至出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，進(jìn)而引起全站風(fēng)電機(jī)組通訊中斷。

1 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴概述

■1.1 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的定義

由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)和連接問(wèn)題，或其他原因?qū)е聫V播在網(wǎng)段內(nèi)大量復(fù)制，傳播數(shù)據(jù)幀導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降，甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓，這樣的現(xiàn)象就是網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴[2]。

■1.2 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴形成機(jī)理

在眾多網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴成因中最為普遍的就是以太網(wǎng)成環(huán)現(xiàn)象，廣播包在環(huán)網(wǎng)中不斷重復(fù)發(fā)送，占用大量帶寬，最終形成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。以太網(wǎng)交換機(jī)工作時(shí)，任何一個(gè)端口接收到廣播包后都會(huì)向其他端口完整的發(fā)送一份相同的廣播包并不斷傳遞。如圖1 所示，以太網(wǎng)交換機(jī)接收到來(lái)自1 端口的廣播報(bào)文后分別向2，3，4 端口同時(shí)發(fā)送一份相同報(bào)文。

圖1 交換機(jī)工作原理圖

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通訊中出現(xiàn)成環(huán)現(xiàn)象時(shí)，就相當(dāng)于同一個(gè)交換機(jī)的兩個(gè)端口直接相連。如圖2 所示，交換機(jī)3，4 號(hào)端口相連，接收到廣播包的3 端口會(huì)通過(guò)環(huán)網(wǎng)向4 號(hào)端口發(fā)送報(bào)文，同時(shí)4 號(hào)端口會(huì)將接收到的報(bào)文分別發(fā)送至1，2，3 號(hào)端口各一份，如此循環(huán)反復(fù)，源源不斷向外界網(wǎng)絡(luò)發(fā)送報(bào)文，直至帶寬消耗殆盡造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

圖2 單個(gè)交換機(jī)成環(huán)工作原理圖

當(dāng)多個(gè)交換機(jī)相連時(shí)出現(xiàn)同一個(gè)廣播包被同一個(gè)交換機(jī)處理2 次時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。如圖3 所示，兩臺(tái)交換機(jī)之間形成一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，A3-B1-B2-A4 形成一個(gè)環(huán)路，廣播包會(huì)在環(huán)路中無(wú)限轉(zhuǎn)發(fā)，從而觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

圖3 多個(gè)交換機(jī)成環(huán)工作原理圖

■1.3 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴產(chǎn)生原因

現(xiàn)階段風(fēng)電機(jī)組通訊問(wèn)題往往只有在發(fā)生故障時(shí)才會(huì)被察覺(jué)，如通訊丟失，信號(hào)閃斷等。因此排查起來(lái)會(huì)消耗大量時(shí)間，處理效率較低，嚴(yán)重影響風(fēng)電機(jī)組有效運(yùn)行監(jiān)控。總結(jié)來(lái)看，風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴產(chǎn)生原因分為以下幾種。

(1)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

①交換機(jī)購(gòu)買(mǎi)時(shí)錯(cuò)誤購(gòu)買(mǎi)為智能型Hub，在網(wǎng)絡(luò)繁忙時(shí)便會(huì)產(chǎn)生卡頓甚至網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

②網(wǎng)卡損壞或交換機(jī)端口損壞，導(dǎo)致向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送大量報(bào)文，不斷轉(zhuǎn)發(fā)形成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

③交換機(jī)即插即用，在環(huán)網(wǎng)冗余通訊不一致的情況下容易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

(2)網(wǎng)絡(luò)環(huán)路

①網(wǎng)絡(luò)線路設(shè)計(jì)凌亂，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，雙絞線的兩端同時(shí)接在一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境。

②斷線修復(fù)時(shí)，在連接的一瞬間會(huì)讓環(huán)網(wǎng)形成回路，管理交換機(jī)無(wú)法發(fā)現(xiàn)回路并進(jìn)行阻塞，易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

(3)網(wǎng)絡(luò)配置

①技術(shù)人員對(duì)處于調(diào)試階段的風(fēng)電機(jī)組核心交換機(jī)配置時(shí)采用交換機(jī)初始配置，未嚴(yán)格按照風(fēng)電場(chǎng)狀況進(jìn)行虛擬局域網(wǎng)設(shè)置，加大網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的機(jī)率。

②更換損壞交換機(jī)時(shí)未對(duì)新交換機(jī)進(jìn)行配置，致使網(wǎng)絡(luò)冗余協(xié)議不匹配，產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟包等現(xiàn)象，從而引起網(wǎng)路風(fēng)暴[3]。

(4)網(wǎng)絡(luò)病毒

網(wǎng)絡(luò)病毒的傳播會(huì)占據(jù)大量帶寬，引起網(wǎng)絡(luò)阻塞，進(jìn)而引起網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)病毒有Funlove、震蕩波、RPC等[4]。

(5)惡劣環(huán)境

震動(dòng)、溫度和電磁干擾等對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況都會(huì)產(chǎn)生一定影響，造成數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，進(jìn)而引發(fā)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，電磁干擾尤為嚴(yán)重。風(fēng)電機(jī)組交換機(jī)通常處于塔基變頻器中，溫度較高，易發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的產(chǎn)生。

2 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的應(yīng)對(duì)策略

■2.1 快速生成樹(shù)協(xié)議

風(fēng)電場(chǎng)環(huán)網(wǎng)通訊中為避免網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的產(chǎn)生通常會(huì)采用快速生成樹(shù)協(xié)議來(lái)抑制，通過(guò)冗余鏈路結(jié)構(gòu)提高網(wǎng)絡(luò)通訊的可靠性。其工作機(jī)制是通過(guò)阻塞端口來(lái)消除環(huán)路，在發(fā)生故障時(shí)選擇備用鏈路以恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的通訊性。以下是不同故障下RSTP 的拓?fù)渥兓?

(1)根橋故障

如圖4 所示，在鏈路通訊中通過(guò)設(shè)定優(yōu)先級(jí)選定管理型交換機(jī)SWA，用來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)網(wǎng)狀態(tài)。在機(jī)組運(yùn)行時(shí)會(huì)阻塞一條鏈路作為備用，其他交換機(jī)SEB，SWC 會(huì)定期收到管理交換機(jī)發(fā)送的BPDU 報(bào)文，當(dāng)SWA 發(fā)生故障時(shí)，超過(guò)Max Age 定時(shí)器設(shè)定時(shí)間便會(huì)選舉新的根橋，SWB 與SWC 相互發(fā)送配置BPDU 報(bào)文，直至根橋交換機(jī)修復(fù)時(shí)再重新選取管理交換機(jī)進(jìn)行通訊。

圖4 通訊網(wǎng)絡(luò)根橋故障圖

(2)鏈路故障

如圖5 所示，交換機(jī)兩兩相連構(gòu)成冗余環(huán)路，設(shè)定SWA 為管理交換機(jī)，并阻塞一條鏈路，當(dāng)通訊鏈路發(fā)生故障時(shí)，管理交換機(jī)SWA 啟動(dòng)備用鏈路，防止通訊中斷。在通訊鏈路狀態(tài)修復(fù)后，管理交換機(jī)SWA 將再重新選擇備用通路同時(shí)進(jìn)行阻塞防止形成環(huán)路。

圖5 通訊網(wǎng)絡(luò)鏈路故障圖

■2.2 DRP 分布式冗余工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議

DRP網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)物理上通路但邏輯上斷路的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)若干交換節(jié)點(diǎn)相連，并借此實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)與自動(dòng)恢復(fù)。如圖6 所示。

圖6 組態(tài)完成后的DRP 環(huán)網(wǎng)

在環(huán)網(wǎng)中，首先采用blocking 方式禁用交換機(jī)1 和8間的備用路徑，避免整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中環(huán)網(wǎng)的出現(xiàn)，以免數(shù)據(jù)報(bào)文在環(huán)網(wǎng)中無(wú)限轉(zhuǎn)發(fā)造成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

其次DRP 網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]。相對(duì)于星型網(wǎng)絡(luò)冗余等其他連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，利于網(wǎng)絡(luò)管理以及降低網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本；另一方面，DRP 環(huán)網(wǎng)中管理主設(shè)備一角色由網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)交換機(jī)輪流承擔(dān)，分散了主從式方法中高度集中在固定主交換設(shè)備上的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)，保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

最后，采用DRP 協(xié)議的控制網(wǎng)絡(luò)或交換機(jī)能夠快速檢測(cè)出物理鏈路和交換機(jī)設(shè)備發(fā)生的故障，并解決由單個(gè)物理鏈路或交換設(shè)備故障而引發(fā)網(wǎng)絡(luò)通信中斷的問(wèn)題，快速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，很好地解決現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)集中，可用性低的問(wèn)題。此外DRP 還支持雙環(huán)冗余系統(tǒng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)冗余時(shí)，網(wǎng)絡(luò)對(duì)故障的容錯(cuò)性更強(qiáng)，可用性更高。

3 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴案例分析

■3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?/h3>

通過(guò)上述方法可以有效的解決環(huán)網(wǎng)通訊中網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的產(chǎn)生，但由于安裝配置過(guò)程中操作處理不當(dāng)也會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴問(wèn)題，以下是某風(fēng)電場(chǎng)環(huán)網(wǎng)通訊中采用快速生成樹(shù)協(xié)議后仍產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的案例分析及處理。

圖7 為某風(fēng)場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組通訊監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的為C 回路環(huán)網(wǎng)，其采用雙環(huán)網(wǎng)的形式連接，每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組塔基配備一臺(tái)管理型交換機(jī)，每條環(huán)網(wǎng)線路在升壓站監(jiān)控柜配備1 臺(tái)管理型交換機(jī)，管理型交換機(jī)采用RSTP通訊協(xié)議。

圖7 C 回路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

■3.2 故障現(xiàn)象及處理

(1)故障現(xiàn)象

①31#風(fēng)機(jī)通訊存在閃斷情況，閃斷持續(xù)數(shù)秒后自動(dòng)恢復(fù)；

②C 回路9 臺(tái)機(jī)組在凌晨出現(xiàn)通訊全部中斷，其余回路多臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)通訊頻閃，持續(xù)約3 小時(shí)后，SCADA 通訊自行恢復(fù)正常；

③C 回路9 臺(tái)機(jī)組在某天下午出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，導(dǎo)致通訊中斷，現(xiàn)場(chǎng)值班人員在升壓站通過(guò)手動(dòng)斷開(kāi)C 回路交換機(jī)其中一路光纖，使環(huán)網(wǎng)斷開(kāi)，約1 分鐘后C 回路9 臺(tái)機(jī)組通訊恢復(fù)正常，網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴消除。

(2)問(wèn)題排查處理

首先從31#風(fēng)機(jī)塔基管理型交換機(jī)(IP192.168.10.131)檢查:

①通過(guò)升壓站監(jiān)控電腦使用ping 連接31#風(fēng)機(jī)交換機(jī)，發(fā)現(xiàn)存在數(shù)據(jù)包丟失的情況，丟失率在25%～50%，可以確定31#風(fēng)機(jī)通訊閃斷是由于通訊管理機(jī)通訊不穩(wěn)定導(dǎo)致。

圖8 ping31 號(hào)風(fēng)機(jī)交換機(jī)

②在塔基直接用網(wǎng)線連接31#風(fēng)機(jī)交換機(jī)登錄界面查看端口流量情況，發(fā)現(xiàn)8 端口數(shù)據(jù)異常出現(xiàn)CRC 錯(cuò)誤。

③為定位是否31#風(fēng)機(jī)管理型交換機(jī)接口硬件故障導(dǎo)致端口數(shù)據(jù)異常CRC 錯(cuò)誤，采取將8 端口與7 端口光纖對(duì)調(diào)進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)8 端口數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，7 端口數(shù)據(jù)異常CRC 錯(cuò)誤，可以確定由于外部光纖導(dǎo)致。

④通過(guò)測(cè)量31#機(jī)組原8 端口光纖，并進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)31#機(jī)組與24#機(jī)組之間，24#機(jī)組側(cè)光纖接線盒至交換機(jī)之間的TX 端口光纖有衰減，因此31#機(jī)組無(wú)法正常接收7 端口的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致CRC 錯(cuò)誤。更換光纖數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

表1 31號(hào)風(fēng)機(jī)端口流量表

表2 31號(hào)風(fēng)機(jī)端口流量表

(3)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴原因分析

該風(fēng)場(chǎng)環(huán)網(wǎng)所使用的交換機(jī)采用RSTP(快速生成樹(shù)協(xié)議)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的產(chǎn)生有一定防范作用，可以有選擇的阻塞端口避免網(wǎng)絡(luò)環(huán)路的形成，并提供備用鏈路協(xié)議，從而避免報(bào)文在環(huán)路的無(wú)限循環(huán)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查看，19#機(jī)組管理型交換機(jī)被自動(dòng)設(shè)置為阻塞狀態(tài)。

表3 19號(hào)風(fēng)機(jī)管理交換機(jī)界面信息表

因此31 號(hào)風(fēng)機(jī)與升壓站交換機(jī)通訊是通過(guò)17#→25#→36#→38#→27#→24#→31#鏈路進(jìn)行。

此前24 號(hào)與31 號(hào)風(fēng)機(jī)之間光纖光功率衰減導(dǎo)致31#、28#風(fēng)機(jī)通訊頻閃，由于24 號(hào)與31 號(hào)風(fēng)機(jī)之間的光纖跳纖較短，在安裝過(guò)程中存在折彎的情況導(dǎo)致光功率衰減，使得此光纖工作在臨界狀態(tài)，通訊時(shí)斷時(shí)續(xù)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化。當(dāng)主站收不到檢測(cè)報(bào)文，認(rèn)為環(huán)網(wǎng)存在斷點(diǎn)，即打開(kāi)阻塞端口，但交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能正常，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)邏輯成環(huán)，因此產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

4 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的預(yù)防

(1)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

①使用高質(zhì)量設(shè)備，保證網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量從交換機(jī)到其他各節(jié)點(diǎn)設(shè)備質(zhì)量過(guò)關(guān)，從硬件上減少故障發(fā)生的機(jī)率。

圖9 C 回路環(huán)網(wǎng)示意圖

②合理選用網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)，對(duì)雙絞線，光纖的選取應(yīng)根據(jù)應(yīng)用內(nèi)容，應(yīng)用場(chǎng)所以及地區(qū)實(shí)際條件進(jìn)行，保障線路通暢。

③盡量使用同品牌，同型號(hào)的交換機(jī)和通訊光纖，最大程度確保節(jié)點(diǎn)端口的一致性。

④光纖安裝符合規(guī)范，避免可能造成光纖扭絞的情況，應(yīng)順著光纖自然松弛狀態(tài)進(jìn)行盤(pán)纖。

⑤采用可檢測(cè)光功率的交換機(jī)，注意日常維護(hù)交換機(jī)和相應(yīng)光纖，特別注意短跳纖。

(2)網(wǎng)絡(luò)環(huán)路

掌握網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)線路設(shè)計(jì)清晰化，對(duì)備用線路實(shí)施統(tǒng)一管理，避免無(wú)意間連接構(gòu)成回路。

(3)網(wǎng)絡(luò)配置

①在調(diào)試通訊環(huán)網(wǎng)時(shí)，對(duì)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)冗余實(shí)施科學(xué)配置，當(dāng)更換交換機(jī)后仍需對(duì)新的交換機(jī)重新進(jìn)行配置并校驗(yàn)，保證通訊網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)冗余協(xié)議始終保持匹配狀態(tài)。

②使用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理。對(duì)交換機(jī)端口通訊狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)超過(guò)設(shè)定閾值便丟棄此端口所有數(shù)據(jù)并堵塞；低于閾值時(shí)，進(jìn)入正常監(jiān)測(cè)狀態(tài)。此過(guò)程中可以使用協(xié)議類(lèi)分析軟件SnifferPRO，圖表形式展現(xiàn)更加直觀，可以達(dá)到有效預(yù)防的目的。

③采用VLAN 技術(shù)。通過(guò)在交換機(jī)上不同的實(shí)現(xiàn)方法控制廣播，從而大大減少?gòu)V播對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用，提高了帶寬的傳輸效率，有效的避免網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴產(chǎn)生[6]。

(4)網(wǎng)絡(luò)病毒

安裝網(wǎng)絡(luò)版殺毒軟件并及時(shí)升級(jí)，開(kāi)啟監(jiān)控功能，卸載不必要的服務(wù)，關(guān)閉不必要的端口，以提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

(5)環(huán)境

掌握風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行條件，對(duì)設(shè)備安裝位置進(jìn)行合理裝配，尤其考慮溫度，磁場(chǎng)等情況。嚴(yán)格執(zhí)行接地要求，特別是涉及遠(yuǎn)程線路的轉(zhuǎn)接設(shè)備，并且定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)。

5 總結(jié)

本文針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴進(jìn)行研究，闡述了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的成因及應(yīng)對(duì)策略，介紹了一起采用快速生成樹(shù)協(xié)議后仍產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的實(shí)例，以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榛A(chǔ)，逐步介紹網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴發(fā)生、分析和處理的過(guò)程，最后提出網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的預(yù)防辦法，確保了風(fēng)電機(jī)組的有效監(jiān)控。