智能站过程层交换机的转发机制

智能站过程层交换机的转发机制

粟祎敏，梁景棠

广东电网有限责任公司惠州供电局  广东惠州  516000

摘要：在智能站大规模应用的背景下，过程层交换机成为继电保护中的关键设备。通过本次研究，描述了过程层交换机在不同转发机制下报文的传播方式，并以智能站220kV过程层交换机为例进行说明，最后对静态组播和VLAN划分两种方式的优缺点进行了描述和总结。本论文由南方电网公司职工创新项目，项目编号：031300KZ23040045资助。

关键词：过程层交换机；转发机制；静态组播；VLAN

00前言

随着智能站大规模应用的背景下，光缆取代大部分电缆，这意味着大量的保护跳闸合闸命令、开关量状态等信息传输由电缆传输转向由光纤传输。智能站的网络结构从传统的站控层网络的单网骆转变成站控层网络、过程层网络的两网结构。过程层交换机作为过程层网络中的关键一环，关系着继电保护装置是否能够真正发挥电力系统第一道防线作用，是智能站的中枢设备。

模采网跳的智能站应用模式下，虽然GOOSE报文的数据流量远比不上网采网跳SV的数据流量，但对220kV及以上电压等级的大型变电站来说GOOSE报文数据量同样可观。在保护装置的跳闸命令传输到开关，要求交换机端口的转发平均时延在10uS以下。当GOOSE数据流量过大时，过程层交换机可能出现堵塞丢包，影响保护动作跳开开关。  为了避免过程层交换机发生网络阻塞、网络风暴影响保护报文传输，采取网络风暴抑制和流量抑制等多种措施。其中，组播转发方式是极为有效的控制措施。

某型号的过程层交换机设置流控组播数大于28时，会出现丢包、流控失控等现象，且已经证实为交换机的固有缺陷，影响报文的正确传输。因此，研究清楚过程层交换机的报文转发机制至关重要。 

过程层交换机的常用组播转发方式可以分为静态组播和VLAN划分。下文以某个220kV变电站的过程层交换机为例，分别对静态组播和VLAN划分下转发机制的转发过程进行描述。交换机的端口连接如下图1所示。

图1 220kV过程层交换机连接示意图

01 静态组播的转发机制

静态组播是基于MAC地址的转播方式，可以通过手动或者导入交换机的端口转发表，实现针对目标MAC地址的定向转发。

根据交换机端口转发表可知，端口1、2、7、8接入的装置数据均须转发给25端口的母差保护。交换机首先通过每个端口发出的第一帧报文记忆连接该端口装置的MAC地址（报文中的源地址）。交换机获得1、2、7、8口连接的装置报文中的源地址后进行记忆后，根据静态组播表的端口转发表进行转发。

表1 静态组播方式下的端口转发表

静态组播转发方式下，刚开机的交换机根据装置发出的第一帧报文记忆MAC地址进行广播，因此第一帧报文时会出现泛洪现象，但在验收完成后，运行状态时交换机已经完成各端口装置的MAC地址记忆，可根据目标地址快速转发报文而实现可靠运行。

02  VLAN的转发机制

VLAN的划分方式有4种：基于端口划分、基于MAC地址划分、基于IP地址划分、基于策略划分，其中基于端口划分VLAN的方式是最简单可靠，也是最常使用的方式。下文以端口划分说明VLAN划分的转发机制。

VLAN的端口可以分为Access和Trunk，不同端口类型的转发报文机制不同。Access端口只转发VID和PVID一致的报文，其余报文丢弃。Trunk端口则可转发VID和PVID不一致的报文，即不同VLAN下的数据。如下图1所示。

图2 Access端口的转发机制

图3 Trunk端口的转发机制

智能站在进行VLAN划分时以间隔为单位划分，即同一条线路间隔的线路保护和智能终端等设备划分为同一个VLAN，只接收本间隔内的报文因此设置为Access端口。而母差保护等跨域保护因收发不同间隔的刀闸位置、跳闸信息报文，须设置为Trunk端口，设置如下表2所示。

表2 VLAN 表

03 静态组播和VLAN划分方式的区别

随着变电站规模日益增大，采用VLAN划分的方式会导致VLAN配置复杂，须综合考虑每个交换机的VLAN ID和PVID进行配置。而静态组播方式下的转发路径清晰。特别当网络结构有调整时，过程层交换机必须重新划分VLAN。例如母差保护装置因须收发多个间隔的接在中心交换机上，当扩建间隔时，必须重新为中心交换机的母差端口增加VLAN号，交换机重启生效时势必会干扰到其他正常运行的间隔，扩大工作范围，增加验收工作量。因此，VLAN划分的方式适用于全部间隔一起投运的变电站。静态组播方式下，静态组播表庞大，脱离CSD文件后人工配置困难。

04 结束语

静态组播和VLAN划分各有优缺点，不同电网背景下对转发方式偏好不同，国家电网多使用VLAN划分，南方电网偏向于静态组播。静态组播方式和VLAN划分均能快速可靠地转发GOOSE报文，强力支撑智能站的建设与发展。在继电保护向智能化、系统化高速发展的背景下，站域保护等新技术的不断提出，过程层交换机在当前的转发机制下，仍在探索结合静态组播和VLAN转发机制、动态组播等转发机制。


“南方电网公司科技项目资助：【项目编号031300KZ23040045】”