1林鸿志 2曾欢悦
1湖南湘能多经产业（集团）有限公司 湖南长沙 410000
2国网湖南省电力有限公司株洲供电分公司 湖南株洲 412000
摘要：本文主要以 IEC61850 标准为基础，对智能变电站中的各种数据进行分析和归纳，通过对数学模型的应用，对站内不同信息采用优先级标签技术，对变电站采用虚拟局域网技术进行划分，研究智能变电站中的各种信息，对不同信息进行优先级等级设置。析交换机对信息交互的实时效果产生的影响，得出提高传输效率的结论。
关键词：智能变电站；数学模型；信息交互
引言
随着 IEC61850 标准的颁布和实施，智能变电站的主要特点是一次设备智能化、二次设备网络化以及三层两网的结构。智能电网建设新标准给设备网络化、智能化和结构优化都有一些新的要求。智能变电站二次设备网络化需要将通信网络贯穿到整个变电站自动化系统中。组网就是将智能变电站中的各种各样的智能设备以网络的方式组合在一起。由以太网构成的网络也对很多数据的传输有具体的要求。为实现信息交互的时效性，应当给予数据传输的时延更高的关注度。对于研究智能变电站中信息传输的实效性，已经有很多国内外的专家和学者开展了很多的工作。有一些研究了高层协议对通信时延的影响，有一些研究了VLAN划分技术关于提高通信效率的作用。不过这些研究工作都有一定的缺陷。本文主要对多种数据流的特点进行综合考虑，结合智能变电站的实际信息交互过程，在智能变电站中设定合适的参数采用VLAN技术，分析了具体的操作方法和相应的作用，最后得出应用VLAN技术可以有效提升信息交互的时效性。
1.智能变电站中的数据流类型
要想实现智能变电站中的信息交互的实时性的提高，首要的就是掌握清楚在智能变电站中有什么样的数据流类型。主要的数据流类型有三种：突发性数据流、随机性数据流、周期性数据流。突发性数据流的主要特点是规律性不明显、受前报文的送达情况影响比较大。该数据流的传输时间比较集中、报文长度比较短，可以满足快速、中速报文的传输的实时性要求。
随机性数据流有更明显的报文长度固定性。随机性数据流可以分为很多种类型，比如：文件传输、保护定值修改、时间同步、电容器投切、保护功能连锁等。其分布的主要特点是报文长度既能固定下来，也能随时间的变化而变化、实时性的要求也不高。在这三种数据流中，具有更强的持续性和稳定性的是周期性数据流。该类数据流可以在变电站的运行状态下产生时间驱动型信息数据。周期性数据流的两大主要类型分别是开关设备状态信息和采样值报文，其主要特点是有很高的传输延时眼球、数据流量大以及连续性强等。
2.VLAN 的应用与划分设置
2.1智能变电站采用 VLAN 的必要性
智能变电站采样值报文通过广播发送的方式让每一个保护控制 IED都会收到所有合并单元发送的 SAV 报文，这个环节的通信网络中有特别大的信息流量。广播信息会占用特别多的网络资源，不但会造成比较高的数据丢包率，而且也会造成网络严重拥塞的情况。由此，对广播信息进行控制是必要的，可以通过对 VLAN技术的应用，逻辑划分智能变电站的智能设施设备，在划分的时候，会把具有一样的工作特点的设备划分到同一个 VLAN 域 中。 VLAN 技术的应用不仅可以把广播信息控制在本 VLAN 域内，而且还可以有效减少广播信息跨 VLAN 泛滥的情况，进而实现通信实时性和网络传输效率的大幅提升。通过 VLAN 划分，智能变电站可以得到比较好的安全保障。在智能变电站的通信实时性得到满足的情况下，VLAN 技术可以有效避免信息被监听和非法篡改，在实际应用中，也不需要采用数据加密或身份认证等比较复杂的方式。然而，对于跨 VLAN 间隔交换的数据，就需要以网络访问的安全设置的方式才能实现，可以使变电站的安全性能得到大幅提升。另外， VLAN 技术还可以使变电站的网络管理更加灵活，降低变电站的管理成本。
2.2VLAN 的划分设置
本文将研究对象设定为 D2-1 型智能变电站，因变电站中的设备具有不会经常被移动或调换的特征，采用比较简单的基于端口的 VLAN 划分。 VLAN 和端口以手工的方式配置好后就不需要再变动。具体结构如下图所示：
.png)
D2-1 型变电站总体网络框架
在对 D2-1 智能变电站进行 VLAN 划分时，把 10 个间隔设置成 10 个 VLAN 域来实现抑制广播信息的泛滥的目的；除此之外，还设置了 2 个 VLAN，将其中的一个用来达到跨层、跨间隔通信的目的，另一个用于变电站的内部通信，一共要划分12 个功能不相同的 VLAN 域。在这12个不 同VLAN 域中， 会有一个跨交换机的同一个VLAN 参数设置，也有不跨交换机的同一 VLAN 设置，还有跨交换机的不同VLAN 参数设置 。当用跨交换机的方式进行通信的时候，为了让该端口转发出去的 MAC 帧设备确定每个从其转发出去的 MAC 帧所属的 VLAN，会有多个不同网络报文通过交换机某个端口进行接收或发送，同时会要求交换机具有识别所接受的数据属于哪个 VLAN 网络的能力，802.1Q 标准就在这样的情况下应运而生。通过以太网交换机给所有共享端口转发出去的 MAC 帧加上一个 VLAN 标识符（VID），形成具有 VLAN 标识的 Tagged 帧，这种携带 VLAN 标识符字段的 MAC 帧结构简称为 802.1Q 帧。
3 结合优先级标签技术与VLAN技术的模型设计
3.1模型结构与数据设计，
智能变电站的实际运行需要有特别多的种类的高低压智能设备做支撑，在这样的条件下开展实验工作会面临一定的危险性。因统计结果有一定的困难，而且实验也会花费太多的成本，因此，本次研究采用仿真软件进行模拟实验。OPNET仿真软件是一种可以对智能变电站的一切设备和有关的数据、信息进行模拟仿真的软件。该软件有着更加科学的建模机制，同时还能用C语言对其进行开发，事件列表是其采用的调度机制，通信机制为数据表、建模技术层次化高。结合Ethemet-station-adv节点模拟对合并单元、保护控制器、断路器进行模拟，其运用可以有效降低高层开销，同时也可以满足新的标准要求。运用source加载设备状态与文件传输服务，结合VLAN划分后的网络结构图，利用OPNET仿真软件中的编辑器实现对星形拓扑仿真结构的构建。
3.2基于优先级标签技术的通信传输。
在智能变电站的工作实践中，会交互和传输特别多的数据和信息，特别容易造成流量冲突的情况。当发生流量冲突或者网络堵塞的情况的时候，就没办法及时地完成很多重要信息的交互和传输。为了让重要信息的交互成果更好、交互效率更高，应当对重要的信息设置优先级，避免因为网络拥堵或者流量冲突的情况导致信息不能被成功传输的现象。在相关的标准和要求都得到满足的情况下，在信息交互及传输过程中采用优先级标签技术进行模拟实验，首先定义用户的优先级标签，按照信息类型的不同划分对应的优先等级。然后在交换机中设置先进先出及优先级调度算法，最后对用户的优先级标记结构进行划分，对数据流的优先级进行设定。采用网络层对数据包中的服务类型字段进行优先级传输与交互。
4.仿真实验结果展示与分析
第一种结果：当交换机处理数据包的速度在低负荷范围内的时候，
当交换机处理数据包的速度在低负荷范围中时，基于FCFSS算法与SPQ算法的仿真实验的结果如下图所示。
.png)
将前期构建的星形拓扑仿真结构作为依据，分别采用FCFSS和SPQ两种不同的算法进行仿真模拟，将结果进行对比可以看到，当网络的负荷比较低、交换机的处理速度比较快的时候，优先级设置情况下的信息传输与先进先出规则中的信息传输时效性并没有太大的差异。其次，在网络负荷比较高、交换机传输速度比较慢的时候，基于FCFSS算法与SPQ算法的仿真实验的结果如下图所示：
.png)
对实验结果进行对比可以看到，当交换机传输速度处于网络高负荷时，优先级标签技术的运用能够提高信息传输的实时性，可以满足对重要信息数据传输的时延优化需求。
第二种结果：对VLAN技术划分使用前后的数据进行比对可以看出，采用VLAN划分的网络中，广播信号的传播被局限于间隔内，而没有经过VLAN划分的网络，广播信号能够在整个网络中进行传播。在其他控制信息增加的影响下，交互信息增多，此时交换机处理能力依然满足通信及交互需求。可以得出，星形拓扑网络结构下采用VLAN技术，能够实现降低交换机交换信息量、控制广播信息混乱情况、提高通信实时性等目的。
参考文献：
[1]田皞,张可,赵宇,马恩宁.智能变电站信息的实时性分析[J].集成电路应用,2020,37(08):122-123.
[2]朱晶京.智能变电站信息实时性研究[J].信息与电脑(理论版),2019(04):195-203.
[3]林虹.智能变电站二次设备无线组网的设计与研究[D].重庆:重庆邮电大学,2019.
[4]方子璐,杨俊杰,刘娟.基于虚拟局域网的智能变电站通信网络实时性仿真[J].电测与仪表, 2017,54(24):62-67+93.