智能变电站中的交换技术

摘要：智能变电站技术的逐步发展，使得以太网交换机在变电站中的重要性日益明显。文章首先介绍了以太网帧在交换机中的学习和转发原理，然后说明了变电站分层结构下二次系统使用交换机的组网方案，再详细剖析了 vlan、qos、镜像、组播等交换技术原理，根据各种IED特点及数据流特点，给出各项技术实际的应用方案。根据不同业务需要和不同的报文类型，设计合理的网络拓扑，并灵活的使用这些交换技术，可以保障智能变电站中的通信报文安全、稳定、可靠地传输，从而使得整个变电站变得更加坚强。

引言

随着信息通信技术、计算机网络技术的日益成熟，以及智能断路器、新型互感器技术的发展，智能变电站成为了研究的热点。智能变电站是采用先进、稳定的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能，实现与相邻变电站、电网调度等互动的变电站[1-5]。由此可见，通信网络是变电站智能化的关键依托，而以太网交换机又是整个网络中的枢纽。文章介绍以太网的交换原理及其在智能变电站中的应用。

1交换原理

交换机是一种连接各类服务器及终端并负责它们之间数据接收和转发的设备。，它检测从以太端口来的数据包的源和目的地的MAC(介质访问层)地址，然后与系统内部MAC表进行比较，若数据包的MAC层地址不在查找表中，则将该地址加入查找表中，并将数据包发送到所有端口;如果地址在表中则发送到相应的端口，如果目的地址与该端口相对应则不进行转发。

基于以上原理，交换机完成以下功能：

地址学习(Address learning)：以太网交换机能够学习到所有连接到其端口的设备的MAC地址。地址学习的过程是通过监听所有流入的数据帧，对其源MAC地址进行检验，形成一个MAC地址到其相应端口的映射，并将此映射存放在交换机缓存中的MAC地址表中。

帧的转发和过滤(Forward/filter decision)：当一个数据帧到达交换机后，交换机首先通过查找MAC地址表来决定如何转发该数据帧。如果目的地址在MAC地址表中有映射，它被转发到连接目的节点的端口，否则将数据帧向除源端口以外的所有端口转发。

环路避免(Loop avoidance)：当交换机包括一个冗余回路时，以太网交换机通过环网协议协议(如rstp)避免回路的产生，防止数据帧在网络中不断兜圈子的现象发生，同时允许存在后备路径。

2 交换机在智能变电站中组网

在IEC61850中把变电站分为三层：站控层、间隔层和过程层。网络结构如下：

上图只是一个间隔内的简单网络结构，其中站控层包括监控后台、故障信息系统、工程师工作站等;问隔层包括保护、录波器、测控装置等;过程层包括智能断路器、电子式互感器、智能终端、合并单元。这三层设备通过两个网络相联，即联系站控层和间隔层的站控层网络，联系间隔层和过程层的过程网络，在站控层网络上传送保护动作事件、保护定值、录波文件、四遥信息等，在过程网络传送保护跳闸、保护启动、保护闭锁、断路器位置、采样值等实时信息[1-5]。

3 常用交换技术

3.1vlan

VLAN(Virtual Local Area Network)即虚拟局域网，是一种通过将局域网内的设备逻辑地而不是物理地划分为一个个网段从而实现虚拟工作组的技术。VLAN技术允许网络管理者将一个物理的LAN逻辑地划分成不同的广播域(或称虚拟LAN，即VLAN)，每一个VLAN都包含一组有着相同需求的计算机工作站，与物理上形成的LAN 有着相同的属性。但由于它是逻辑的而不是物理地划分，所以同一个VLAN内的各个工作站无须被放置在同一个物理空间里，即这些工作站不一定属于同一个物理 LAN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，从而有助于控制流量、减少设备投资、简化网络管理、提高网络的安全性。

在智能变电站中，根据不同的电压等级划分为不同的逻辑区域，如220kv系统区，110kv系统区，35kv系统区。在不同的电压等级内，分别按照间隔划分 vlan，每个间隔划分一个vlan[4-7]。如220kv系统中，智能终端、合并单元跟相应的线路保护或者母线保护划分在同一个vlan，35kv系统中，智能终端、合并单元跟相应的保护测控一体化设备或者同一vlan中。

在变电站网络中会遇到一个IED与多个vlan中的IED通信，这时候，要用到交换机的vlan交集功能，或者hybrid vlan模式。如通常母线保护要与多个vlan中的IED通信，后台要与多个间隔层设备通信，这些情况下要设置vlan交集。

3.2镜像技术

端口镜像(port Mirroring)把交换机一个或多个端口的数据镜像到一个或多个端口的方法。在一些交换机中，我们可以通过对交换机的配置来实现将某个端口上的数据包，拷贝一份到另外一个端口上，这个过程就是“端口镜像”。