智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的分析與處理

張省三

摘 要：智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定對(duì)變電站的可靠運(yùn)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(huì)對(duì)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(bào)文的結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴在交換機(jī)中的傳輸速率，進(jìn)而分析了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的形成原理，評(píng)估了SV和GOOSE報(bào)文網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴對(duì)站內(nèi)裝置的影響，并分析了應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的措施，如報(bào)文校驗(yàn)、引入虛擬局域網(wǎng)、生成樹(shù)協(xié)議等多種形式，這些措施可以有效避免過(guò)程層的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

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

中圖分類號(hào)：TM406.64 ；TP393.09 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）24-0084-02

1 概 述

對(duì)于智能變電站來(lái)說(shuō)，過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的作用是對(duì)間隔信息進(jìn)行采樣，完成設(shè)備間及上層報(bào)文操作命令的指令傳輸。因此，過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)關(guān)系著繼電保護(hù)設(shè)備的正常運(yùn)行，也會(huì)對(duì)電能計(jì)量設(shè)備產(chǎn)生影響，對(duì)智能變電站的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

在過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸?shù)膱?bào)文有兩種，一種是SV報(bào)文，一種是GOOSE報(bào)文。SV報(bào)文可以包括所有的采樣信息，信息流大，一般不會(huì)有突發(fā)性的流量；GOOSE報(bào)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(duì)實(shí)時(shí)性的要求較高。

采用不同的報(bào)文，就會(huì)產(chǎn)生不同的流量特征，所以必須進(jìn)行合理的網(wǎng)絡(luò)配置，保證報(bào)文的正常傳輸，避免網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。過(guò)程層有時(shí)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(bào)文過(guò)濾方法，是不能應(yīng)對(duì)所有過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的。

本文針對(duì)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(duì)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(guò)報(bào)文進(jìn)行通信的，合并單元發(fā)出SV報(bào)文傳輸所有電壓、電流在某個(gè)時(shí)點(diǎn)的采樣值，智能終端發(fā)出GOOSE報(bào)文傳輸?shù)堕l的開(kāi)關(guān)信息，包括跳閘、重合閘以及聯(lián)閉鎖信息等。同時(shí)還可以發(fā)送其他的GOOSE報(bào)文信息，如自檢狀態(tài)、報(bào)警信息等。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)采樣信號(hào)和跳閘指令進(jìn)行保護(hù)，傳輸時(shí)采用直接連接方式，不會(huì)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(bào)文有時(shí)也可以采用組網(wǎng)的形式。

在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸?shù)膱?bào)文通過(guò)交換機(jī)進(jìn)行交換，會(huì)受到吞吐量和時(shí)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(jī)。

3 網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的流量分析

3.1 GOOSE網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的流量分析

GOOSE報(bào)文每五秒鐘傳遞一次，一幀報(bào)文大約有200-1000個(gè)字節(jié)，如果出現(xiàn)了電網(wǎng)故障，GOOSE報(bào)文會(huì)按照時(shí)間遞增的規(guī)律進(jìn)行發(fā)送，所以GOOSE報(bào)文的供求率一般不超過(guò)每秒4 Mb，這個(gè)傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于交換機(jī)的限額速率。GOOSE報(bào)文還要進(jìn)行時(shí)間間隔時(shí)的信息傳輸，將各時(shí)間間隔的GOOSE信息連接成GOOSE網(wǎng)絡(luò)。

3.2 SV網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的流量分析

SV報(bào)文的長(zhǎng)度一般在200個(gè)字節(jié)左右，每秒鐘可以傳輸

4 000幀的報(bào)文，這個(gè)速度相當(dāng)于傳輸一幀報(bào)文大約需要200 μs，所以單組的SV報(bào)文的傳輸速率大約是每秒8 Mb，按這個(gè)傳輸速率，一臺(tái)交換機(jī)中只有傳輸13組的SV報(bào)文才可以達(dá)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(jìn)行劃分，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在同一光口進(jìn)行傳輸?shù)腟V報(bào)文不能超過(guò)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(gè)間隔的SV網(wǎng)中只會(huì)傳輸本間隔中的SV報(bào)文。

智能變電站的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析儀是記錄網(wǎng)絡(luò)流量信息的，如果用一個(gè)網(wǎng)口傳輸GOOSE報(bào)文信息，傳輸速率會(huì)低于單組報(bào)文的傳輸速率上限（500 kB/s），如果每個(gè)網(wǎng)口接入一組SV報(bào)文進(jìn)行傳輸，可以達(dá)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(xiǎn)

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(jī)來(lái)進(jìn)行連接的，如果是正常的運(yùn)行，交換機(jī)之間會(huì)有一條鏈路進(jìn)行信息交換。對(duì)間隔進(jìn)行檢修時(shí)，因?yàn)榻粨Q機(jī)上的光口很多，所以如果發(fā)生光口的接線錯(cuò)誤，會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的重復(fù)鏈路，在交換機(jī)的內(nèi)部信號(hào)會(huì)形成環(huán)路，交換機(jī)會(huì)不自主的進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)發(fā)，于是就形成了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。有時(shí)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(huì)造成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，一般會(huì)表現(xiàn)為很多的重復(fù)報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)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(jī)的光口轉(zhuǎn)發(fā)速率會(huì)升高，甚至達(dá)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(huì)形成報(bào)文重復(fù)，秩序混亂，SV報(bào)文幀間隔會(huì)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(hào)不連續(xù)，報(bào)文的波形不呈正弦波的樣子，測(cè)控、故障錄波器、電能表的記錄也不能準(zhǔn)確的反映各間隔的測(cè)量值。

所以為了避免SV網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，進(jìn)行保護(hù)采樣時(shí)會(huì)采用直采，不經(jīng)過(guò)SV網(wǎng)絡(luò)，這樣可以避免保護(hù)被閉鎖或者誤動(dòng)。

如果在GOOSE網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，則報(bào)文也會(huì)重復(fù)和亂序，對(duì)站中保護(hù)的失靈、跳閘、解除電壓閉鎖、開(kāi)關(guān)刀閘位置、告警等信號(hào)的傳輸造成影響，進(jìn)而影響保護(hù)對(duì)應(yīng)功能的正常運(yùn)行。所以為了避免GOOSE網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，保護(hù)裝置會(huì)采用直跳，使用保護(hù)動(dòng)作時(shí)不經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)，這樣可以保證保護(hù)正確動(dòng)作。

網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴會(huì)對(duì)報(bào)文的正常傳輸與處理造成影響，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴占用了交換機(jī)的資源，一些數(shù)據(jù)幀被迅速的進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)資源受到占用而不能進(jìn)行正常的報(bào)文傳輸。在工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)中，網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴會(huì)占用99%的帶寬，在網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴發(fā)生時(shí)交換機(jī)僅能提供每秒1 Mb的帶寬進(jìn)行報(bào)文的傳輸，于是報(bào)文就會(huì)丟失。

5 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的應(yīng)對(duì)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(bào)文的裝置會(huì)告警，告警信號(hào)顯示收到的報(bào)文是異常的。如果有多個(gè)裝置都告警網(wǎng)絡(luò)異常，后果就更加嚴(yán)重了。發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴以后，報(bào)文會(huì)重復(fù)和亂序，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)報(bào)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(bào)文都會(huì)被交換機(jī)進(jìn)行重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)，所以不能確認(rèn)光口連接錯(cuò)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(rèn)光口的連接，進(jìn)而檢查出連接的錯(cuò)誤處。

5.2 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的避免建議

由于報(bào)文被重復(fù)快速轉(zhuǎn)發(fā)，所以會(huì)形成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，可以在報(bào)文接收設(shè)備中進(jìn)行循環(huán)冗余檢驗(yàn)，如判斷出相繼接收的報(bào)文校驗(yàn)信息相同，則可以將此報(bào)文認(rèn)定為風(fēng)暴發(fā)生，直接丟棄，這樣可以使設(shè)備的處理報(bào)文數(shù)量減少。但是在交換機(jī)中發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴時(shí)，并不是只有一幀報(bào)文會(huì)被重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)的，還會(huì)有多幀不同的報(bào)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(jī)內(nèi)部或者不同的交換機(jī)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(jìn)行分離，分別進(jìn)行傳輸，這樣可以保證報(bào)文的實(shí)時(shí)性。同時(shí)兩種報(bào)文的報(bào)文頭都是帶局域網(wǎng)標(biāo)記的，排列布置各個(gè)光口的局域網(wǎng)準(zhǔn)入列表，如果報(bào)文的局域網(wǎng)標(biāo)記不一致就不允許進(jìn)入交換機(jī)，從而避免形成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

現(xiàn)在很多的交換機(jī)都支持生成樹(shù)協(xié)議，智能變電站內(nèi)的交換機(jī)進(jìn)行生成樹(shù)配置后，交換機(jī)之間發(fā)送、接收?qǐng)?bào)文會(huì)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中是否有回環(huán)現(xiàn)象。如果檢測(cè)到發(fā)生回環(huán)現(xiàn)象，即會(huì)將網(wǎng)絡(luò)修剪為沒(méi)有環(huán)路的樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)。利用生成樹(shù)協(xié)議進(jìn)行配置，可以避免在交換機(jī)環(huán)網(wǎng)內(nèi)形成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

6 結(jié) 語(yǔ)

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

本文對(duì)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的原理和危害進(jìn)行了分析，分析站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的流量特點(diǎn)并進(jìn)行比對(duì)，可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴產(chǎn)生的位置，并對(duì)風(fēng)暴進(jìn)行排查，這樣可以減少智能變電站的運(yùn)行危害。在變電站進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)時(shí)要引入先進(jìn)的交換機(jī)技術(shù)來(lái)杜絕網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的發(fā)生，并加強(qiáng)交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)管理，減少網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的發(fā)生機(jī)率，來(lái)保證智能變電站的正常運(yùn)行。

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