文 | 董定勇，楊十力，胡凱凱，陳林

隨著風電行業(yè)的不斷發(fā)展，風電場對監(jiān)控的功能要求增多，從而對監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求也越來越高。

然而，出于成本等多方面因素的考慮，大量的風電場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用的是使用二層交換機的單核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。這種網(wǎng)絡(luò)的特點是簡單、成本低，但缺點也是顯而易見的：一旦核心交換機出現(xiàn)問題，整個風電場網(wǎng)絡(luò)就完全癱瘓，絲毫沒有冗余可言。監(jiān)控系統(tǒng)不能監(jiān)控風電機組運行狀況，整個風電場將處于無監(jiān)控狀態(tài)。因此，使用一種簡單、有效和可靠的單核心網(wǎng)絡(luò)雙機熱備份改造方式就能體現(xiàn)出其價值。

風電場網(wǎng)絡(luò)狀況

一、典型的風電場組網(wǎng)模式

典型的風電場SCADA 系統(tǒng)由變電站、風電機組、遠程接口單元（RIU） 、現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)、SCADA 現(xiàn)場服務(wù)器、現(xiàn)場工作站、遠程客戶端等組成。風電場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接如圖1，風電機組的各種運行數(shù)據(jù)通過PLC連接到風電機組環(huán)網(wǎng)交換機，一般10個－20個風電機組環(huán)網(wǎng)交換機加一個中控室環(huán)網(wǎng)交換機組成一個光纖環(huán)網(wǎng)，根據(jù)風電機組數(shù)量不同，每個風電場有若干個光纖環(huán)網(wǎng)，光纖環(huán)網(wǎng)的中控室交換機通過以太網(wǎng)網(wǎng)線連接到核心交換機，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上，從而構(gòu)成一個整體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

二、單核心交換機隱患

這種單核心交換機連接方式簡單、成本低、容易實現(xiàn)，在這種情況下，一旦核心交換機發(fā)生故障，則整個網(wǎng)絡(luò)中斷，用戶不能及時掌握風電機組運行狀況，將造成風電機組停機甚至是安全事故。為此，需要對核心交換機進行冗余備份改造，用兩臺核心交換機互為備份，當一臺核心交換機發(fā)生故障時，網(wǎng)絡(luò)能通過另一臺交換機繼續(xù)獲取風電機組運行數(shù)據(jù)。

雙交換機熱備份實現(xiàn)難點

雙交換機熱備的主要難點是要防止交換機形成環(huán)路。在交換的網(wǎng)絡(luò)中，當交換機接收到一個未知目的地址數(shù)據(jù)幀時，交換機的操作是將這個數(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，就會產(chǎn)生一個雙向的廣播環(huán)，甚至產(chǎn)生廣播風暴，導(dǎo)致交換機死機等故障發(fā)生。在實驗中，設(shè)計連接方式如圖2。兩個核心交換機均為SLM224G2－CN二層交換機，環(huán)網(wǎng)交換機型號為708FXE2－SC－15，按圖將網(wǎng)絡(luò)連接后發(fā)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)通訊中斷，分析原因為兩個核心交換機與兩個中控室環(huán)網(wǎng)交換機之間形成了環(huán)路，產(chǎn)生的廣播風暴堵塞了網(wǎng)絡(luò)。通過對核心交換機SLM224G2－CN與環(huán)網(wǎng)交換機708FXE2－SC－15進行設(shè)置也不能解決環(huán)路問題。

圖1 風電場遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

圖2 交換機連接形成環(huán)路

雙機熱備解決方案

一、使用三層交換機做核心交換機

目前使用的雙機熱備方式一般用兩個三層交換機作為核心交換機實現(xiàn)雙機熱備方式，用三層交換機中的生成樹、VRRP（虛擬路由冗余協(xié)議）等協(xié)議來防止交換機環(huán)路的產(chǎn)生，如：用H3C S5800－23C、RG－6806、LE0KS9303等型號的三層交換機做核心交換機，這種實現(xiàn)方式因為是使用三層交換機做核心交換機，所以價格高昂且原來網(wǎng)絡(luò)的二層核心交換機也要廢棄。另外，三層交換機進行雙機熱備需要進行設(shè)置，其設(shè)置也比較麻煩。

二、針對風電場網(wǎng)絡(luò)的雙機熱備方案

（一）網(wǎng)絡(luò)連接方式

針對圖1風電場這種典型的連接方式，可以在原來設(shè)備不動的基礎(chǔ)上再增加一個二層的核心交換機，每臺連接的電腦增加一塊網(wǎng)卡及幾條網(wǎng)線就能滿足雙交換機熱備的要求。圖3為錦州老龍口風電場核心交換機冗余備份改造連接示意圖，中控室環(huán)網(wǎng)交換機先串聯(lián)起來，再把中控室環(huán)網(wǎng)交換機1接到核心交換機1上，中控室環(huán)網(wǎng)交換機3接到核心交換機2上，服務(wù)器、工作站分別與核心交換機1、核心交換機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，如老龍口風電場中服務(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 風電場核心交換機冗余備份改造連接示意圖

（二） 服務(wù)器的工作機制

1 服務(wù)器獲取風電機組數(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服務(wù)器定時向各風電機組PLC發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)請求，這個數(shù)據(jù)包默認通過網(wǎng)卡1（IP地址：193.168.1.100）發(fā)送到核心交換機1，核心交換機1收到這個請求的數(shù)據(jù)包，它先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就知道源MAC地址的機器是連在哪個端口上的，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，當目的機器對源機器回應(yīng)時，交換機又可以學(xué)習目的MAC地址與哪個端口對應(yīng)，在下次傳送數(shù)據(jù)時就不再需要對所有端口進行廣播了，同理這個數(shù)據(jù)包經(jīng)過中控室環(huán)網(wǎng)交換機、各光纖環(huán)網(wǎng)最后發(fā)送到各風電機組PLC上；對應(yīng)的風電機組PLC在接到服務(wù)器發(fā)來的請求后將數(shù)據(jù)也通過核心交換機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)計時，必須在INADDR_ANY這個地址上進行偵聽，含義是告訴操作系統(tǒng)，其進程會在某個端口上進行偵聽，所有發(fā)送到服務(wù)器這個端口的數(shù)據(jù)（不管是哪個網(wǎng)卡接收到的），都應(yīng)該是由此進程處理的。

2 網(wǎng)絡(luò)故障的自動檢測

服務(wù)器針對其對應(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個風電機組PLC作為檢測點。在針對網(wǎng)絡(luò)端口的每一個檢測周期中， 依次向每個檢測點直接發(fā)送檢測包；收到對應(yīng)檢測包的PLC將向發(fā)送方回復(fù)確認包。在一個檢測周期內(nèi)如果有一個PLC回復(fù)確認則認為網(wǎng)絡(luò)無故障，不會再發(fā)剩余的檢測包；如果在一個檢測周期內(nèi)3個檢測包都得不到回復(fù)確認則認為網(wǎng)絡(luò)中斷，服務(wù)器以同樣的方式再檢測另一個網(wǎng)絡(luò)端口。

（三） 通訊線路故障時網(wǎng)絡(luò)通訊的切換

1 核心交換機故障時網(wǎng)絡(luò)通訊的切換

當核心交換機1發(fā)生故障，服務(wù)器通過對網(wǎng)絡(luò)的自動檢測會檢測到網(wǎng)卡1方向的網(wǎng)絡(luò)有故障，這時服務(wù)器再檢測網(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)器通過網(wǎng)卡2向風電機組PLC發(fā)送請求，風電機組PLC在接到請求后則將數(shù)據(jù)通過核心交換機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)交換機故障時網(wǎng)絡(luò)通訊的切換

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

當中控室環(huán)網(wǎng)交換機3發(fā)生故障后，環(huán)網(wǎng)2與環(huán)網(wǎng)1的風電機組通過核心交換機1與服務(wù)器繼續(xù)通訊。

當中控室環(huán)網(wǎng)交換機2發(fā)生故障后，環(huán)網(wǎng)1與環(huán)網(wǎng)3中的風電機組分別通過核心交換機1與核心交換機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)的工作機制

工作站的通訊軟件對服務(wù)器的訪問不能以服務(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，工作站通過核心交換機1對服務(wù)器發(fā)送請求獲取數(shù)據(jù)。當核心交換機1發(fā)生故障后，工作站通過核心交換機2對服務(wù)器發(fā)生請求，獲取服務(wù)器數(shù)據(jù)。

（五）實驗測試

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

結(jié)語

風電場的雙核心交換機熱備方式使用的都是二層交換機作為核心交換機，原來的二層核心交換機可以繼續(xù)使用，因此，改造費用少，連接簡單、可靠，并且不涉及到核心交換機的設(shè)置，容易實現(xiàn)。