智能变电站通信网络虚拟局域网建模与优化配置方法

邹俊雄，黄成巧，张延旭，蔡泽祥，何瑞文，李晓华

（1.华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640；2.广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510006）

0 引言

为提高智能变电站通信网络的信息共享水平，同时保证信息的传输效率，采样值SV（Sample Value）、面向通用对象的变电站事件GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）和精确时间协议 PTP（Precise Time Protocol）等报文均采用广播的传输模式。但是这种广播模式会使得部分智能电子设备IED（Intelligent Electronic Device）收到没有订阅的无效报文，这一方面会造成不必要的网络流量，降低通信网络的性能，另一方面存在相关IED错误解析报文信息而导致不正确动作的隐患。

为限制报文的广播域，缓解网络的流量压力，提高设备及系统可靠性，虚拟局域网VLAN（Virtual Local Area Network）技术常被应用到智能变电站通信网络中。VLAN能够将通信网络从逻辑上划分成若干独立的局域网，报文仅限定在特定VLAN内部传输[1-4]。

近年来，有很多研究工作针对VLAN技术在智能变电站通信网络中的应用展开。文献[5]提出按站内电压等级来划分VLAN，不同电压等级再按照不同的原则把设备归类，进而形成VLAN。该方式划分过程繁琐，涉及原则较多，工作量大，为避免错误，需运行经验丰富的人员来执行，导致其推广受到很大的限制。文献[6]按照报文的类型划分VLAN，其电流互感器和其所在母线上的所有需要电压的装置划分为1个VLAN且全站唯一，GOOSE报文、对时报文各自分配1个VLAN。该方式相比于报文广播形式，虽在一定程度上限制了网络流量，但因每种不同报文都只有1个VLAN，故站内网络总流量仍然很大。文献[7]基于站内间隔类型，把同一个间隔内的设备归于同一个VLAN，站内信息共享水平不高，且不易于网络扩展。

综上，智能变电站通信网络的VLAN配置方法尚缺乏统一的原则与标准，没有形成系统的划分机制，其配置主要依赖于运行人员的工作经验，效率和准确率欠佳。另外，对VLAN配置的对比分析不够深入，没有针对VLAN划分合理性的评价指标与方法。

基于此，本文基于智能变电站通信网络拓扑结构和设备间报文订阅关系，提出了VLAN配置模型，分析了影响VLAN划分的约束条件。结合该模型提出了一种报文最短传输路径的算法[8-10]，进而实现站内VLAN的优化配置与自动划分。最后以一实际智能变电站的VLAN配置为例，给出其VLAN优化配置的具体步骤，并将其与现有方案进行对比，验证了本文所提出方法的有效性和实用性。

1 VLAN配置的通信网络模型

决定VLAN配置的约束条件主要包括报文的订阅关系、网络的拓扑结构以及交换机端口的关联关系这3个部分。为实现自动配置VLAN，本节对VLAN配置的通信网络进行建模。

1.1 报文订阅关系

变电站配置描述SCD（Substation Configuration Description）文件完整描述了智能变电站内各IED间的逻辑关系[11]。通过软件方式可自动解析SCD文件获取设备的发布报文信息和订阅报文信息，并综合这两方面的信息来自动获取报文的订阅关系，具体方法可参考文献[12]。

设某智能变电站通信网络的设备（包括交换机和IED在内）共有p个端口。在智能变电站通信网络中，端口是报文发送、转发和接收的最小单元。本文以端口为单位，通过定义矩阵Bp×p来描述报文之间的订阅关系。

报文订阅关系矩阵Bp×p描述了通过发布和订阅各报文而建立的设备及其端口之间的关系。VLAN配置过程中，应首先保证订阅关系的充分性得到满足，即所有IED必须能够收到所订阅的报文。其次，可通过VLAN的优化配置，尽量满足订阅关系的必要性，即所有IED应尽量少地收到没有订阅的无效报文。

为评价VLAN配置满足订阅关系充分必要性的程度，可定义以下评价指标：

其中，N1i为第i个IED收到的订阅报文数量；N2i为第i个IED订阅的报文总数；N3i为第i个IED收到没有订阅的报文总数；n为IED的总数；E1i和E1分别为某IED和全站对报文充分性的满足指标，一个正确的VLAN配置方案中，E1i和E1均应为1，若小于1则表示VLAN配置不正确；E2i和E2分别为某IED和全站对报文必要性的满足指标，一个理想的VLAN配置方案中，E2i和E2均应为0，E2i和E2越大，则表示存在越多的无效报文。

1.2 网络拓扑结构

网络拓扑结构主要包含IED与交换机以及交换机之间的连接关系信息。网络拓扑连接关系构成了报文传输的路径，以实现给定的报文订阅关系。

根据图论理论，可把智能变电站的通信网络抽象成一个无向图G，通信网络的IED及交换机端口映射为节点，光纤链路映射为分支。图1所示为某通信网络拓扑结构的无向图，该图包含有已编号的18个节点（对应于12个交换机端口和6个IED端口），虚线框表示网络中的交换机，节点之间的连接实线为光纤链路。定义节点邻接矩阵Cp×p表示图G的拓扑信息。

图1 通信网络拓扑无向图GFig.1 Undirected graph G of communication network topology

矩阵Cp×p的每一行、每一列都有且只有1个非零元素。

1.3 交换机端口的关联关系

VLAN的表现形式即是用交换机的端口集合来表示的，本文定义矩阵Wp×p来表示交换机端口的关联关系。

2 基于最短路径的VLAN优化配置

2.1 报文最短路径搜索算法

智能变电站通信网络中，报文传输延时的不确定性主要是由报文在交换机中的排队延时决定的，为避免报文传输延时过长，智能变电站中交换机的级联层次一般不超过4层。当满足报文订阅关系的端口连接而成的路径存在多条时，本文定义报文最短的路径即为所有路径中包含交换机端口数目最少的路径，也即交换机级联层次最少的路径。最短路径搜索共分为3个过程：初始化订阅关系矩阵Bp×p、从报文订阅端口寻找发送端口的回推过程和记录回推过程所选最短路径中各端口序号的前代过程。算法实现的流程如图2所示。

2.1.1 初始化矩阵Bp×p

在订阅关系矩阵Bp×p中，若2条报文之间存在订阅关系，则其对应的元素为1，否则为0。针对每一条订阅关系进行最短路径的逐一搜索，即每次搜索均在矩阵Bp×p中选取一个不为0的元素，并形成一个初始矩阵B0p×p。对于图1，若选取的订阅关系为端口15订阅端口1的报文进行最短路径搜索，则形成的初始矩阵 B0p×p中除元素 b15，1为 1以外，其他均为 0。

图2 最短路径算法流程图Fig.2 Flowchart of shortest path algorithm

2.1.2 回推过程

回推过程即从报文的订阅端口出发寻找报文的发送端口，其作用是过滤较长路径，筛选最短路径。首先利用迭代的方式，从订阅端口15出发按可能的路径向发布端口1方向回推，进而找出最短路径。回推的迭代公式如下：

其中，k代表本次计算为第k次迭代；Ep×p为判断矩阵。每次迭代计算结束后均需判断Ep×p中是否有元素为2，有则说明已从订阅端口回推到发布端口，否则进行下一次迭代。

如图1所示，对于端口15与1的订阅关系存在2条路径：1-3-5-7-9-15和1-3-6-12-11-8-9-13，显然前者为最短路径。由于上述判据一旦成立，即结束迭代时，按照第1条路径的回推仅需要2次迭代即可完成，而第2条路径需要3次。因此，第2条路径会在2次迭代后被过滤，只留下最短路径。

2.1.3 前代过程

前代过程是利用回推过程结束前的一次迭代结果作为初始信息继续向前查找订阅端口，可实现对回推过程所筛选出的最短路径中各端口序号的记录，如回推过程在第k次迭代后结束，则前代过程的初始信息为第k-1次迭代的结果Bk-1p×p。前代过程的公式如下：

其中，Gp×p与 Fp×p用于储存中间结果。 为将路径中的端口序号记录下来，定义一新的矩阵Lp×p。筛选出Fp×p中为2的元素fab后，将Lp×p中对应的元素lab置1，说明在最短路径中端口a和b是相连的，体现为图1中的端口3和5。

进行一次回推和前代过程能够找出并记录最短路径中在一台交换机中的2个端口，为记录下路径中的所有端口，需重复进行回推和前代过程，即以图1中的端口5作为发布端口，以端口15为订阅端口，重复回推和迭代，直到最短路径中的全部端口均已完成记录。

2.2 基于最短路径的VLAN自动配置

本文VLAN配置主要涉及VID及support ID。交换机端口的VID即该端口的VLAN ID，本文默认交换机的端口号为其端口的VID，某一端口的support ID就是该端口允许通过的该交换机其他端口的VID号。VLAN的配置即实现为每一个端口配置support ID。

在最短路径Lp×p下配置VLAN可分2个步骤进行。

a.划分support ID。若通信网络中共有j台交换机，每台交换机有d个端口，则在矩阵Lp×p中，可形成j个d阶子矩阵，逐一判断每个子矩阵中每一元素是否为0。若某元素不等于0，则该元素所对应行的端口为报文传出端口，列所对应的端口为报文进入端口，把报文进入端口的VID记录在报文传出端口的support ID中。

b.确定最终VLAN。若根据某个报文订阅关系通过上述最短路径算法获得对应多个报文传输路径，则对各个路径均进行VLAN划分，然后对比各链路的流量分布情况，选择使网络流量分布相对均匀的路径对应的VLAN为最终方案。

针对图1形成的订阅关系矩阵B18×18，对于等于1 的元素 b15，1、b17，2、b17，16、b15，18，利用最短路径算法求出在各自订阅关系下的路径如表1所示。

表1 报文订阅关系下的报文最短路径Table 1 Shortest packet path for different packet subscription relationships

根据最短路径VLAN的自动配置原理，形成最终的VLAN方案，如表2所示。

表2 报文订阅关系下的VLAN方案Table 2 VLAN scheme for existing packet subscription relationships

上述各步骤均可通过编程利用计算机软件实现，相比目前各种人工配置VLAN方式，本文的VLAN自动配置方式不仅能减少配置过程的工作量和避免人工配置时的人为失误，而且能极大地减少冗余报文和降低网络流量。

3 算例分析

3.1 算例系统参数

为了验证本文所提出的VLAN优化配置方法的合理性与可行性，选择某智能变电站110 kV侧过程层网络的VLAN优化配置作为算例。该智能变电站过程层网络的拓扑结构图如图3所示，其包含3台交换机，每台交换机有20个端口；同时配置了6台110 kV线路保护测控装置、4台主变保护测控装置、2台主变非电量保护测控装置、1台母线保护装置、11台合并单元、6台智能操作箱、1台110 kV备自投等设备。本文在图3中已对所有设备及交换机的端口进行统一编号。

图3 某智能变电站过程层网络拓扑图Fig.3 Process-layer network topology of a smart substation

3.2 VLAN配置结果对比与评价

通过解析该智能变电站SCD文件，可获得其详细报文信息及其订阅关系。基于本文方法分别对每一台交换机下的端口进行VLAN配置，结果如表3所示。为便于比较分析，表4所示为文献[13]的附录A中所描述的该智能变电站110 kV过程层网络实际运行时采用VLAN配置方案。

表3 某智能变电站过程层网络VLAN划分结果Table 3 Result of VLAN partitioning for process-layer network of a smart substation

表4 某智能变电站过程层网络的VLAN配置方案Table 4 Operating process-layer network VLAN scheme of a smart substation

为求取不同VLAN配置方案下的报文分布，本文基于OPNET通信网络仿真软件，进行了基于IEC61850 的智能变电站通信网络建模，包括：各IED、合并单元MU（Merging Unit）、交换机等实体设备，组网方式和通信协议等[14-16]。

本文把VLAN配置方案下的报文订阅关系的充分性指标E1、必要性指标E2、网络的平均流量水平和流量分布的均匀度S（流量标准差）作为评价该VLAN配置方案是否合理的评价指标。通过对比分析本文方案和现有方案的上述指标来说明本文VLAN配置方案具有更优效果。

本文基于OPNET的部分端口流量仿真结果如表5所示。其中SV报文大小约为254 Byte，发包间隔为0.00025 s；故障情况下，GOOSE报文大小约为254 Byte，发包间隔为0.002 s；仿真总时间为10 s。再由仿真结果分别计算网络平均流量水平和流量分布均匀度S（流量标准差）：本文方案的=32.2Mbit/s，现有方案的=42.1 Mbit/s；本文方案的 S=2.25，现有方案的S=6.10。

表5 2种VLAN方案仿真结果的对比Table 5 Comparison of simulative results between two VLAN schemes

3.2.1 订阅关系的充分必要性

2种VLAN配置方案都满足报文订阅关系的充分性，满足了站内设备收到其订阅的报文要求，即实现了式（2）中的E1=1。但本文方案各个设备E2的值都比现运行方案的E2小，这是因为在本文算法中，发送端口只把报文发送给那些存在报文传输路径的端口，尽可能避免一些端口收到没有订阅的报文，从而减小式（3）中的N3i，由于设备所订阅的报文是确定的，即N2i大小不变，故可使E2变小；而现运行的方案只对SV报文以间隔为原则进行VLAN配置，其GOOSE报文采用全网广播方式导致过多设备收到大量多余的报文。因此2种方案对比之下，通过本文优化配置后的VLAN方案效果更好。

3.2.2 网络流量水平及其分布均匀度

综上 E1、E2、以及 S 的对比分析，本文优化配置后的VLAN方案比现有VLAN方案具有更优的效果。另一方面，本文方案可实现VLAN自动配置，相对于该智能变电站现有的VALN人为配置方案，提高了配置工作的效率和准确率，具有实际的工程意义。

4 结论

本文根据设备间的报文订阅关系以及通信网络拓扑结构构建了VLAN配置的通信网络模型，并基于此提出了报文最短路径算法，以此来实现VLAN的优化配置。最后基于实际运行的某一智能变电站为算例，将本文的VLAN优化配置方案与现有的VLAN方案进行对比，对比结果说明本文VLAN划分结果更具准确性、可靠性和实用性，从而验证了本文所提出优化配置方法的合理性和可行性，对VLAN技术在智能变电站通信网络中的应用和推广具有重要的工程意义。