虚拟局域网技术在智能电网中的应用研究

刘宁，赵飞

(河北软件职业技术学院，河北保定071000)

虚拟局域网技术在智能电网中的应用研究

刘宁，赵飞

(河北软件职业技术学院，河北保定071000)

针对现有的主流网络技术的对比和分析，提出一种适用于智能电网的网络构建方案。解决方案主要采用虚拟局域网VLAN技术对智能电网的网络进行构建。经实验证明，这种构建方式，可以使网络结构更加清晰，便于提高网络的运行效率。

智能电网；网络；虚拟局域网；故障定位

智能就是电网的智能化(智电电力)，也就是将电网的运行过程进行智能化控制。一般来说，智能电网是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的、、经济、、环境友好和使用安全的目标。根据国家相关标准，智能电网有其明显的特征，其主要特征如下：

(1)坚强和自愈的能力。智能电网必须具有实时、在线和连续的安全评估和分析能力，强大的预警和预防控制能力，以及自动故障诊断、故障隔离和系统自我恢复的能力。在电网发生大扰动和故障时，仍能保持对用户的供电能力，以保证在极端情况下依旧能保证电网的安全运行，直到故障排除；

(2)兼容和集成的能力。智能电网必须具有广阔的包容性，可以支持多种可再生能源及分布式电源或微网的有序合理接入，并能够实现电网信息的高度集成和共享，同时提供与用户的有效交互和多种增值服务；

(3)经济和资源优化的能力。优化能源形式，提高能源利用效率，降低投资成本和运行维护成本。

1 智能网络的需求特点

智能电网是一种新的电力系统构建方式。其核心是通过先进的传感器、通信、控制、智能分析等技术，建立全网络所有信息采集、传输、分析和处理的统一数字化应用平台，从而实现智能电网的自动运行控制、设备状态检测、智能决策分析、分布协同控制等功能，完成整个电力系统的高效自动运行。

为了实现以上的功能，智能电网直接所面临的问题就是数据流的极大扩张，使得在整个网络运行的控制当中，数据的采集、传输、处理成为重点。因此，好的网络控制方案是解决这一问题的重点。

网络控制系统是近十几年来随着网络技术和计算机应用技术的飞速发展而出现的一种新的控制系统。它是以信息科学为核心的各学科理论及应用交叉、渗透和融合的综合性科技。典型的网络结构体系如图1所示。

图1 网络控制系统典型结构图

如图1所示，网络控制系统的基本原理是将传感器、执行器和上层控制中心利用某种类型的网络连接起来，以完成最终的控制现场设备运行功能。目前，网络控制系统可以分为分布式和集中式。所利用的技术主要有现场总线形式、工业以太网、无线通信网络，而上层控制中心进行通信主要依靠Internet网或者是移动通信网络。

智能电网的控制系统中，其控制指令、传感器数据和系统信息的传输是通过相应的通信网络来实现。因此，对通信网络的要求较高。相对于以上的技术，虚拟局域网具有系统结构简单、适应能力强、成本低、可靠性高的优点，可以有利于整体控制效率的提高。

2 虚拟局域网技术

虚拟局域网VLAN(Virtual Local Area Network)，是将局域网内的设备逻辑地而不是物理地划分成一个个网段来实现虚拟工作组的一门新兴技术[1]。本质上，VLAN技术是根据某一明确的目标而划分的逻辑网络单元。这些单元的具体物理位置并不能成为划分的障碍，所以，同一个VLAN的各个计算机的工作站无须局限在同一个物理空间内[1]。

VLAN是为解决以太网的广播问题和安全性而提出的一种新型的网络构建方式。在传统以太网中，为了确定某一通信节点所发出的某一个消息，就需要向全网的一个广播域中播放相应的广播帧，广播帧需要通过全网的交换机，到达各个通信节点，以获取广播帧的目标MAC地址，这样就会造成各个交换机及节点都需要对该广播帧信息进行处理，占用了大量CPU的时间。同时，一个网络中广播帧的数目是相当可观的，因此，广播帧的工作过程会极大地影响整个网络的工作效率。尤其在通信较为复杂、规模较大的网络中，这个矛盾更为突出。

为了解决以上的问题，可以采用小交换机技术，将网络的规模和通信的复杂度限制在一定的范围内，从而减少广播帧的数目，但是这样做也会引出一些弊端，那就是整个网络的成本会上升，布线更为麻烦，维护也更为困难，网络灵活性更差。

更好的解决办法就是在原有交换局域网的基础上构建VLAN。VLAN的本质是利用软件系统来构建逻辑网段，形成一组需求及目的相同，而物理地址不受限制的终端工作站。这些工作站将用户依据功能、应用等因素在逻辑上划分为一个个功能相对独立的工作组，一个工作组形成一个广播域，并在以太网帧的基础上增加了VLAN头，从而形成功能完善，工作范围减小，且通信效率提高的逻辑网络。

由于结构合理，一个完善的VLAN具有几大优势：(1) VLAN具有较小的逻辑范围，范围的形成依据软件来实现，可以在逻辑上将某一个交换机的端口划分为某一个VLAN，与其他VLAN之间相隔离，因此可以有效地控制相应的广播风暴；(2)提高网络的安全性，VLAN可以利用相关的软件技术限制用户的访问，控制广播组的大小，有效防御外部用户的入侵，因此具有较强的网络安全性；(3)网络结构更为灵活、组成成本低、维护方便，由于VLAN是在原有交换局域网的基础上构成的逻辑网络，因此利用软件技术构造临时的工作组网络极为简单，也不用增加硬件成本，而且维护灵活方便。

3 智能电网网络传输解决方案的分析

智能电网的通信网络主要由过程层网络和站控层网络所构成。在这两层中，过程层网络属于底层，主要负责设备运行状态数据的采集和接收站控层网络发送过来的控制指令。该网络的主要特点是数据量大，占用带宽资源多，同时突发数据要求得到及时的反应，时延小；站控层网络属于整个网络的上层部分，它的主要任务是负责底层数据的处理、分析，从而实现相应的监控、管理和高级应用。其主要的特点是数据处理量大，准确性高，指令下达至过程层网络要迅速。针对以上问题，本系统利用VLAN技术对站内过程层网络进行逻辑划分，在有效范围内实现数据传输的及时性。

VLAN主要有三种类型，分别是基于端口的VLAN、基于MAC地址的VLAN和基于协议的VLAN。对比三种类型，基于MAC地址的VLAN和基于协议的VLAN不能隔离广播，网络性能不高，这使得网络无法防止外部的入侵和网内广播帧的窃听，从而降低系统的安全性，因此，目前主要应用的是基于端口的VLAN网络[2]。

基于端口的VLAN网络，交换机是其核心部件之一。每一个交换机都包括若干个端口，每一个端口可以配置成一个VLAN子系统，也可以将两个或两个以上的端口配置成一个VLAN子系统，但是不能将一个端口分配给两个或两个以上的VLAN子系统，以完成隔离广播域的功能。基于端口的VLAN网络具有划分简单、管理方便、安全性高等优势，但是灵活性不够，因此，需结合动态主机协议来保证主机移动时网络的自动配置功能。

基于端口的VLAN的方式一般是建立在物理层上；MAC方式建立在数据链路层上；基于协议的VLAN方式建立在网络层上，因此，相对于智能电网而言，以交换机的端口作为划分网络的方式，也是最为简单可靠的方案。

图2是智能电网中的一个500 kV的变电站的逻辑保护网络结构图。系统以电压作为网络的划分依据，分别为500 kV子系统、220 kV子系统、110 kV子系统和35 kV子系统等。

图2 逻辑保护分区

而在每一个逻辑保护区中，以交换机为核心，为每种电压设定相应的分组原则，例如，550 kV可以按串分组，每串依据设备的多少设置1至2个交换机；220和110 kV可以按间隔分组，每组也是依据设备的多少设置1～2个交换机；35 kV按母线分级，每组母线上的设备分为一组，一组设定一台交换机。

以110 kV为例，在一个VLAN中，包括着智能单元、合并单元和相应的线路保护或母线保护，具体结构如图3所示。

图3 110 kV逻辑分区

4 结论

本文利用VLAN技术设计了适用于智能电网的信息通信网络。这一技术的应用，可以有效提高网络安全性，增强网络连接的灵活性。同时，对于流量风暴，具有良好的防御效果。

[1]肖军弼.虚拟局域网(VLAN)技术研究[D].青岛：石油大学(华东)，2004：36-39.

[2]丁腾波，林亚男.智能变电站虚拟局域网逻辑结构划分方案的研究[J].电力系统保护与控制，2012(1)：115-118.

Application of virtual localarea network in smartpower grid

LIU Ning，ZHAO Fei
(HebeiSoftware Institute，Baoding Hebei071000，China)

Focused on com parison and analysis of existing mainstream network technology，a kind of construction scheme suitable for smart grid network was put forward.VLAN technology was adopted to build the smart grid network.Experiments prove that this construction way can make network structure clearer，easy to improve the operation efficiency of the network.

smartpower grid;network;VLAN;fault location

TM 131

A

1002-087 X(2016)07-1501-02

2016-02-25

刘宁(1981—)，女，河北省人，讲师，本科，主要研究方向为计算机应用。