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高速公路供用电自动化通信及Vlan技术的应用

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高速公路供用电自动化通信及Vlan技术的应用[摘要:本文讨论了供用电自动化系统的通讯组网模式,阐述了光纤局域网在供用电自动化系统中的应用,并将虚拟局域网技术应用于供用电自动化业务子网的建设,得出了在点多面广,网络结构复杂的供用电自动化系统中、采用基于Vlan技术的光纤局域网可较好的达到投资省、性能高,扩充方便,可靠性好的结论、该方案可以很好的用于高速公路供配电自动化监控.
关键词:供用电自动化光纤局域网虚拟局域网
0,电力自动化组网概述通信组网是实现电力系统自动化的核心技术之一.目前、根据介质不同、电力系统通信组网包括了光纤通信,电力载波通信,微波通信,无线扩频电台等多种模式,在传统的发输电系统组网中、由于其电网一次架构主要为220KV(含部分110KV)及其以上骨干电网,线路走廊清晰,不同业务的数据通信相对集中、通信节点数量也较少,因此其组网模式主要以高压电力载波通信和微波通信为主,而在中低压配用电网,由于电网结构呈现出复杂的树状分布、通信业务数据种类参差不齐,通信节点也随供用电网地形复杂,点多面广分布而零置的特点、通信组网的建设一直是一个比较大的难题,在很大程度上制约了供用电网自动化系统的建设,在少数的供用电自动化系统建设中、其通信组网模式也主要以音频载波(如电力载波音频信道,PSTN网等)、无线电台为主,随着近年来中低压无线扩频载波通信技术的大力突破,基于10KV和380V电网的载波通信产品逐渐在供用电系统中崭露头角,但其通信速率和可靠性方面还难以达到让用户满意的程度,其产品的实用化进程还有较长的路要走,因此要提高供用电网的自动化程度,实现其通信组网的低成本,高可靠性,强灵活性建设是一个关键.
光纤通信以其中继距离长,传输容量大,传输质量好,特别是抗电磁干扰不受高电压,大电流的优点、深受人们欢迎,尤其是它可利用电力系统特有资源,如采用地线复合光缆,绕在地线上的缠绕式复合光缆,以及与高压线同杆架设的全塑自承式光缆,都可使光缆的铺设费用大幅降低,是目前公认满足日益增加的数据传送要求和可靠性要求最好的通信组网方式,我国也将光纤通信网的建设列为电力系统十五规划建设中的重要内容、但由于光缆和光端机的发展历史并不是很长,长期以来其价格相对其它通信组网方式较高,因此光纤通信组网的应用主要局限于发输电骨干电网,用以实现发输电网的重要业务数据传递,包括生产控制类业务,如调度电话、继电保护与安全自动控制,远动与调度自动化等;行政管理类业务,如语音业务,办公数据业务;市场运营类业务如不同公司之间的BtoB,电力公司与电监会等政府部门之间的BtoG以及电网公司与用电客户之间的BtoC等.但随着近两年我国光缆生产的进步和市场大范围的需求导致批量化生产,无论是光缆还是光端机的价格均出现了大幅的回落,使得采用光纤通信不在是大多数系统可望不可及的奢侈品、许多供用电企业开始在架设一次供用电网的同期铺设光缆,使得供用电系统为满足未来自动化需求组建光纤通信网成为现实.
供用电光纤局域网电力系统供用电网主要由和380V电网组成,按电压级别从高到低呈倒树型分布、越是往下分支越多,分布范围广泛、所处地形复杂,各通信节点所需处理的业务范围和面临的地理环境也各不相同、要实现供用电网自动化所需的通信组网拓扑结构远较发输电网复杂,其单节点所需处理的数据业务种类和数据量又远较发输电网简单,如中低压供用电网的通信节点大多为无人值守或无人值班环境、大多数节点无需像发输电网那样考虑办公业务,因此其通信组网模式与发输电骨干通信网因有着本质的区别.
供用电系统自动化通信组网方案应立足于日益普及的工业以太网为主.在供用电自动化系统中、通信网络主要服务于电网的生产控制需要、包括变电站自动化数据,微机继电保护数据,厂站环境数据,电网运行参数(如电度,录波数据等)、设备参数,远程图像(含少量音频)等数据业务,数据的传输具有较高的实时性,突发性和可靠性要求,传统的扩频载波组网,无线电台,专线等模式在通信带宽和可靠性上均难以全面满足上述要求,宽带IP技术作为承载业务和沟通传输的中间体,具有速度快、容量大,多业务支持能力强的特点、可扩展性好,Qos可靠性高,简单灵活,是目前在大业务数据量和高可靠性应用的首选、且随着internet技术的发展,各种基于IP应用的设备和工具使得系统建设和维护越来越便利,为未来的业务拓展和系统升级提供很大的空间,因此在具备光纤通信环境的供用电系统中、其通信组网架构应该首先立足于基于IP的工业以太网络基本模式.
供用电工业以太网要满足供用电自动化系统的分层分布式结构需要.供用电自动化系统业务数据流向多为分散的现场自动化数据一层一层的流向数据管理中心节点、如配电自动化系统先将分散的设备数据由FTU,TTU配电终端采集,然后逐层的传递给变电站配电子站,配电自动化中心主站,在中心主站进行分析处理从而满足配电自动化功能实现的需要、如图1所示;远程数据图像监控系统也是由设备层的图像先汇集到变电站,配电所的当地监控分中心、然后由网络逐级传送至电网的区域管理分中心、调度管理中心等、呈现出典型的分层分布式网络格局、即供用电系统通信网络要满足基于自动化系统具有一个或多个中心、分中心节点需要、下级通信节点从属于上级通信节点的格局.
能否建立一个成本低廉、可靠性高,升级扩展灵活的分层分布网络是光纤局域网能否在供用电网中成功的关键.通过光纤组建IP局域网可以有多种办法,包括基于光同步传输SDH,光异步转移ATM,高带宽应用的光波分复用WDMDWDM以及光纤局域网.前三种方法可以实现很大带宽的综合业务需要、且具有非常灵活的网络组网,信道分配、系统容错和网络安全模式,如SDH可以根据需要实现从155M,622M,2.5G甚至10G的带宽要求,密集波分复用DWDM设备带宽更是达到了400G的速度,用户可根据需要选择2M~140M数字接口,IP接口,音频接口,数字RS232接口等不同的接口类型,还可根据组网需要选择多个光通信方向,并在复杂组网结构时具有很好的光纤自愈和光纤交叉措施,在电力系统的发输电网中得到大量采用,但其组网模式的缺点是光端设备成本较高,需要专业人员进行网络的架设和维护.光纤局域网是一种基于工业以太网交换机和以太网光纤收发器建立起来的一个大型局域网,以太网光纤收发器将网络交换机的端口信号转换成光信号进行远距离传输,并在光纤的另一侧将光信号还原成电信号,这样就把分布在不同位置的网络设备通过光纤汇集到了一起,再辅之以相应的网络交换机进行级联、就可以很方便的组建一个大型的局域网络进行数据的交互传递,目前以太网光纤收发器不仅简单的实现了光电信号的远距离转换,而且还实现了网络节点管理,双环光纤自愈环网,交叉端口的自适应等多种功能,是目前在工业自动化领域应用较广,成熟度较好的产品、其目前可以实现从几百米到上百公里距离的信号传输,传输带宽也达到了100M到1G不等的速率.光纤局域网的建设成本上远低于前述三种通信模式,在光端设备上后者不足前者成本的十分之一.
如图2给出了供用电网的光纤局域网组网示意图,显然,在满足低成本,小业务量,扩展维护简单的供用电系统通信组网上,基于以太网光纤收发器的光线局域网较等宽带骨干网模式具有明显的优势.
Vlan技术及其特点Vlan是英文Virtual Local Area Network的缩写,即虚拟局域网,是一种通过将局域网内的设备逻辑的而不是物理的划分成一个个网段从而实现虚拟工作组的新兴技术.IEEE 于1999年颁布了用以标准化VLAN 实现方案的802.1Q 协议标准草案.VLAN 技术允许网络管理者将一个物理的局域网逻辑地划分成不同的广播域Vlan,每一个VLAN 都包含一组有着相同需求的网络节点或网络设备,与物理上形成的局域网有着相同的属性,即一个Vlan就是一个逻辑广播域,它可以覆盖多个网络设备.但由于它是逻辑地而不是物理地划分,允许处于不同地理位置的网络用户加入到一个逻辑子网中、共享一个广播域,所以同一个VLAN 内的各个网络节点或设备无须被放置在同一个物理空间里、即这些工作站可以不属于同一个物理局域网段.一个VLAN 内部的广播和单播流量都不会转发到其他VLAN 中、用户可以根据网络用户的位置,作用,部门或者根据网络用户所使用的应用程序和协议来进行分组,从而有助于控制流量避免、广播风暴的产生,减少设备投资,简化网络管理,提高网络的安全性.
VLAN 是为解决以太网的广播问题和安全性而提出的一种协议,它在以太网帧的基础上增加了VLAN 头,用VLAN ID 把用户划分为更小的工作组,限制不同工作组间的用户在网络的第二层互访,每个工作组就是一个虚拟局域网.Vlan对于网络用户来说是完全透明的,用户感觉不到使用中与一个本地交换式网络有任何的差别、但对于网络管理人员则有很大的不同、因为这主要取决于Vlan的优势:
控制广播风暴:VLAN相当于OSI参考模型的第二层的广播域,能够将广播风暴控制在一个VLAN内部,划分VLAN后,由于广播域的缩小,网络中广播包消耗带宽所占的比例大大降低,网络的性能得到显著的提高.
提高网络整体安全性:不同的VLAN之间的数据传输是通过第三层(网络层)的路由来实现的,通过路由访问列表和MAC地址分配等Vlan划分原则,可以控制用户访问权限和逻辑网段大小.VLAN技术和第三层第四层的交换结合使用能够为网络提供非常好的安全措施.
灵活的动态网络管理:对于交换式以太网,如果对某些用户重新进行网段分配、需要网管员对网络系统的物理结构重新进行调整,甚至需要追加网络设备,增大网络管理的工作量,而对于采用Vlan技术的网络来说,只需网管人员在网管中心对该用户进行Vlan网段的重新分配即可.
因此,Vlan技术充分体现了现代网络技术的重要特征:可靠,高速,灵活,管理简便和扩展容易,已成为目前局域网领域的核心技术之一.
供用电自动化的Vlan应用在供用电系统中建立一套完整的基于以太网光纤收发器的光纤局域网,就好比建设了一条宽阔且四通八达的高速公路网络,所有的自动化数据如电力SCADA数据,图像数据,环境数据,设备数据均可就近汇集到宽带光纤局域网上,也可以在网络上的任意指定位置下载取用,为自动化系统的构建打下了良好的基础、但是,由于各种不同业务系统的数据量不同、组网架构和数据传输目的地也大不一样,若不进行有效地数据流管理,很容易导致不同数据在网络上漫无目的地任意传播、即产生日常所说的网络广播风暴现象,浪费系统的网络资源并严重影响网络性能,严重时导致网络阻塞甚至瘫痪,尤其是自动化系统中的图像数据,其数据传送规约与常规的参数和属性数据有着很大的不同、数据量也远大于其它业务数据,若不进行很好的数据流规划,很可能影响到整个系统的实时性和可靠性,好比高速公路上必须具备清晰的交通指示信息和车道分类信息一样,要保证供用电自动化系统的可靠运行、我们必须根据供用电网中业务数据的种类,数据相应的源地址和目标地址、网络上的数据传输密度,规划出相应通畅、快捷的数据传递通道.Vlan虚拟网络技术的发展为此提供了一个很好的技术平台.
由于一个Vlan就是一个广播域,它不受网络节点地理位置的限制,可以跨多个局域网交换机、不同的虚拟局域子网间数据相对独立,因此可以根据实际的供用电自动化系统业务需要、将供用电光纤局域网络划分成多个不同的业务虚拟局域子网,如设立图像监控局域子网,供用电SCADA局域子网,供用电营销局域子网,设备管理局域子网等、由于虚拟局域网的设置可以不受地理位置和数量的限制(大多数二层以上网络交换机都具备64个以上虚拟局域网的设置功能)且可实现远程的动态配置,上述虚拟局域子网均不需在网络建设时一次全部设置所需要的虚拟局域子网,而可以随着自动化业务系统的建设情况随时增加相应的业务子网,只要网络的初始配置恰当,就不再需要更换添置任何网络设备.
由于供用电自动化系统各业务数据汇集中心如SCADA调度中心、图像监控中心、营销结算中心均为各虚拟局域网的核心、连接的网络设备较多,数据访问量较大,还往往承受网络的维护管理任务,具有非常重要的地位、有的还可能需要跨越不同的虚拟局域网以满足数据的交换需要、我们将这些节点称为一级节点、建议在这些网络节点配置三层或以上核心网络交换机、以便提高系统的可靠性和维护管理能力.对于可能同时存在两种及以上业务的网络节点、如可能同时具备图像和SCADA数据传输业务的网络节点、我们称其为二级节点、由于这些节点往往需配置2个或以上的虚拟局域子网,建议配置二层或以上的网络交换机(由于虚拟局域网可以基于端口,IP地址和设备MAC地址进行配置,不同型号的网络交换机支持不同类型的配置模式,价格也略有差异,可参照厂家设备设计,在此不具体论述).对于单一业务接入的网络节点如只需传递图像数据或其它单一业务数据,我们称其为三级节点、这些节点不需单独配置虚拟局域网,所以可以选用低端配置的网络交换机或集线器设备.由于同一厂家的网络设备大多支持网上远程广播配置且具备自适应功能,建议在供用电自动化通信网络建设时尽量选用同一厂家的网络设备.
如图3为我们基于CISCO Catalys系列交换机构建的一供用电光纤局域网络.
4,小结供用电系统处于电力系统的末梢,呈典型的点多面广,复杂树型分支结构,按传统的SDH,ATM骨干通信网的设计思想建立供用电数据通信网不仅会给供电企业带来极大的成本负担、也会造成不必要的网络资源浪费、因此本文提出了在供用电网各数据传输节点采用以太网光纤收发器和网络交换机建设统一的宽带光纤局域网方案,可以大大节省网络的建设成本,又可以方便的进行网络的配置和扩充、并通过虚拟局域网技术的应用,实现了基于不同业务的虚拟局域子网管理,既可以最大限度的利用网络资源,又提高了网络的安全性和可靠性,具有较大的应用价值.
参考文献:胡清兰,叶秉0.光纤通信技术在电力系统中的应用.现代电力元翔、范方黎.电力宽带数据通信网的设计方案.电力系统自动化刘鲁川、王小斌等.Cisco Catalyst系列交换机的使用与组网技术.清华大学出版社.2002Network of Power Distribution Automation and Application of Vlan Technology
Abstract: Summarized the possible communication network models of Power Distribution system, this paper proposed the Fiber Ethernet is the most rightly one among them. Divided to several subnets according to different applications by using the Vlan technology, the Network adapted to the dispersed and complicated Power Distribution well. This method isasaving, capable, reliable and easily expandable scheme of Power Distribution Automation network construction.
Keywords: Power Distribution Automation Fiber Ethernet Vlan图1 配电自动化系统分层结构示意图终端网络通信FTU,TTU配电子站配电主站网络通信当地网络光纤箱式收发器光纤收发器数采装置集抄器配变台柱上开关开闭所变电站营运中心管理大楼图2 供用电光纤局域网组网示意图网络交换机SCADA Vlan营运Vlan图像Vlan二级节点图3 供用电光纤虚拟局域网示意图

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