文 | 刁書廣，魏穎超，孫卓，王濤

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組通訊網(wǎng)絡(luò)常遇問題淺析

文 | 刁書廣，魏穎超，孫卓，王濤

自2000年開始，風(fēng)電機(jī)組大型化的發(fā)展趨勢(shì)顯著，風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組通訊的即時(shí)性、可靠性、穩(wěn)定性變得更為重要。早期部分風(fēng)電場(chǎng)使用的機(jī)組監(jiān)控環(huán)網(wǎng)采用串口單環(huán)網(wǎng)通訊，如Mita機(jī)組采用IC500通訊，這種通訊方式可靠性不高，通訊速度慢，在環(huán)網(wǎng)中某一點(diǎn)出線故障即可影響整個(gè)環(huán)網(wǎng)通訊，造成環(huán)網(wǎng)通訊中斷。因串口單環(huán)網(wǎng)存在不足之處，后期風(fēng)電場(chǎng)通訊普遍采用了更加先進(jìn)的工業(yè)以太網(wǎng)的雙環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然而由于種種原因風(fēng)電場(chǎng)通訊故障依舊不斷發(fā)生。本文首先介紹了風(fēng)電場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)雙環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組通訊網(wǎng)絡(luò)常遇問題及廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生、交換機(jī)配置VLAN抑制廣播風(fēng)暴等進(jìn)行了分析匯總，希望本文能對(duì)風(fēng)電工作者有所裨益。

基于以太網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)

一、以太網(wǎng)

以太網(wǎng)是一種計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)。IEEE制定的IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)給出了以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它規(guī)定了包括物理層的連線、電信號(hào)和介質(zhì)訪問層協(xié)議的內(nèi)容。以太網(wǎng)是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù)，它很大程度上取代了其他局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，如令牌環(huán)、FDDI和ARCNET。工業(yè)以太網(wǎng)是指應(yīng)用到工業(yè)控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)。

二、風(fēng)電場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)的組成

風(fēng)電場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)分為風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部通訊網(wǎng)絡(luò)和風(fēng)電場(chǎng)環(huán)網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)，機(jī)組內(nèi)部通訊網(wǎng)絡(luò)主要由光端機(jī)、控制單元、機(jī)艙面板、多模光纖、管理型交換機(jī)、非管理型交換機(jī)、塔基面板、RJ45網(wǎng)線組成。

風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部通訊采用50/125μm 6芯多模光纖，主要考慮到的是機(jī)組內(nèi)部通訊距離短，多模光纖價(jià)格經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠。拓?fù)鋱D詳見圖1。

風(fēng)電場(chǎng)環(huán)網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)主要由單模光纖連接塔基管理型交換機(jī)組成，此處采用單模光纖是因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組通訊距離較遠(yuǎn)，單模光纖色散小，適用于遠(yuǎn)程通訊。見圖2。

完整的風(fēng)電場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)圖見圖3。

目前風(fēng)電場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)存在的問題

風(fēng)電場(chǎng)通訊質(zhì)量的好壞嚴(yán)重影響風(fēng)電場(chǎng)SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）的正常工作，更為風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主監(jiān)盤、數(shù)據(jù)上傳、AGC與AVC調(diào)度遠(yuǎn)控命令執(zhí)行帶來巨大問題。風(fēng)電場(chǎng)技術(shù)人員通常是在風(fēng)電機(jī)組通訊突然批量丟失或信號(hào)閃斷時(shí)才緊急查找故障原因，由于風(fēng)電現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員對(duì)風(fēng)電場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)了解甚少，處理此類通訊故障便力不從心，故處理故障時(shí)間較久。

目前風(fēng)電場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)存在的問題主要有以下幾點(diǎn)：

1.風(fēng)電場(chǎng)在調(diào)試初期，通訊調(diào)試人員未嚴(yán)格按照風(fēng)電場(chǎng)通訊環(huán)網(wǎng)圖紙配置交換機(jī)IP地址，為現(xiàn)場(chǎng)管理交換機(jī)帶來巨大困難。

2.由于塔基交換機(jī)可以即插即用，即使同一環(huán)網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)冗余通訊協(xié)議不一致，也可以正常使用，但這卻存在很大的安全隱患，極易引起廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生。

3.核心交換機(jī)在出廠時(shí)是默認(rèn)配置，風(fēng)電現(xiàn)場(chǎng)未根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際情況配置vlan（虛擬局域網(wǎng)），導(dǎo)致廣播可以在整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)傳播，從而發(fā)生廣播風(fēng)暴。

4.核心交換機(jī)網(wǎng)線未貼標(biāo)簽，十分混亂，為以后管理帶來巨大麻煩。

5.部分風(fēng)電場(chǎng)技術(shù)員胡亂混用單模、多模光纖，或混用交換機(jī)單模、多模端口，造成更加復(fù)雜的通訊故障。

6.交換機(jī)一般安裝于塔基變頻器內(nèi)，在夏季因天氣較熱，變頻器工作也會(huì)散熱，交換機(jī)環(huán)境溫度高達(dá)50℃至60℃，交換機(jī)長時(shí)間在高溫條件下工作會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)特別注意交換機(jī)散熱問題。

其中，現(xiàn)場(chǎng)遇到最棘手的問題是通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)生廣播風(fēng)暴。

廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生與避免

風(fēng)電場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)使用的是環(huán)形冗余雙環(huán)網(wǎng)，由于其回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本身就存在廣播風(fēng)暴的風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生最大的通訊故障即是廣播風(fēng)暴。風(fēng)電場(chǎng)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)屬于同一個(gè)廣播域，廣播會(huì)擴(kuò)展到每一條線路、每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中存在回路，廣播封包會(huì)在回路中不停的循環(huán)，無限循環(huán)的結(jié)果，僅僅一個(gè)廣播包就會(huì)消耗全部帶寬，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。在圖4中，一條廣播就可以擴(kuò)展到整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。

正常情況下，風(fēng)電場(chǎng)塔基管理型交換機(jī)均啟用了RSTP（快速生成樹協(xié)議），或者不同交換機(jī)廠家均啟用了自己私有協(xié)議，如科洛理思JetNet交換機(jī)啟用了Rapid Super Ring協(xié)議，MOXA交換機(jī)啟用了Turbo Ring協(xié)議，這些協(xié)議工作原理基本相似，均定義了一臺(tái)RM管理者的交換機(jī)來偵測(cè)環(huán)的狀態(tài)，如果環(huán)網(wǎng)是閉合的，RM管理者自判斷并熱阻塞一條路徑，這條阻塞的路徑作為備援通路，它也同時(shí)切斷回路防止廣播風(fēng)暴產(chǎn)生。如果該環(huán)形通訊網(wǎng)絡(luò)某處發(fā)生開路，備援通路將立即啟用，防止通訊中斷。在將網(wǎng)絡(luò)開路故障修復(fù)后，管理交換機(jī)將會(huì)再選擇備援通路，并再熱阻塞備援通路，防止形成通訊環(huán)路。然而不良的設(shè)計(jì)、設(shè)置或操作，都可能導(dǎo)致廣播風(fēng)暴。交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)冗余配置需要通訊調(diào)試技術(shù)員在通訊環(huán)網(wǎng)調(diào)試時(shí)進(jìn)行配置，然而有些通訊調(diào)試技術(shù)員根本就未對(duì)交換機(jī)進(jìn)行任何配置，即使通訊調(diào)試技術(shù)員對(duì)交換機(jī)進(jìn)行了正確配置，在后期風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行后，由于個(gè)別交換機(jī)的損壞，風(fēng)電場(chǎng)留守技術(shù)人員直接更換新交換機(jī)，未對(duì)交換機(jī)進(jìn)行任何配置，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)冗余協(xié)議不匹配，從而發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障，如數(shù)據(jù)丟包、數(shù)據(jù)丟失等。因此，建議風(fēng)電場(chǎng)一一校驗(yàn)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)冗余協(xié)議，保證整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)冗余協(xié)議一致。同時(shí)，建議同一風(fēng)電場(chǎng)使用同一品牌、同一型號(hào)的交換機(jī)，同一品牌、同一型號(hào)的通訊光纖，并保證交換機(jī)接線端口一致。

冗余環(huán)網(wǎng)發(fā)生廣播風(fēng)暴的情況：

（一）斷線修復(fù)

更新線路將斷線點(diǎn)修復(fù)時(shí)，由于在線路接上的那一瞬間會(huì)讓環(huán)網(wǎng)形成回路，任意廣播都將導(dǎo)致風(fēng)暴，被癱瘓的RM無法發(fā)現(xiàn)回路，故無法阻塞備援路徑。

（二）系統(tǒng)重啟

系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備重啟需要的時(shí)間各不相同，在RM完成啟動(dòng)并阻塞備援路徑之前，有可能出現(xiàn)回路導(dǎo)致廣播風(fēng)暴，被癱瘓的RM無法發(fā)現(xiàn)回路，故無法阻塞備援路徑。

某風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)常發(fā)生在升壓站主箱變送電后，一條線路或多條線路風(fēng)電場(chǎng)通訊信號(hào)閃斷或SCADA根本就接收不到風(fēng)電場(chǎng)通訊信號(hào)，后來重新配置交換機(jī)，使交換機(jī)自判斷、自挑選認(rèn)定RM交換機(jī)，此后通訊故障再未發(fā)生。

（三）RM故障

RM是環(huán)網(wǎng)的唯一管理者，萬一RM功能失效、系統(tǒng)故障，或其他不可預(yù)計(jì)問題，都可能導(dǎo)致回路及廣播風(fēng)暴。

表1　MOXA核心交換機(jī)VLAN配置

通過在核心交換機(jī)處配置VLAN（Virtual Local Area Network），可以有效避免發(fā)生風(fēng)電場(chǎng)級(jí)的廣播風(fēng)暴，降低風(fēng)電場(chǎng)通訊故障率。

交換機(jī)VLAN配置

在風(fēng)電場(chǎng)通訊柜核心交換機(jī)處配置VLAN，將不同風(fēng)電機(jī)組環(huán)網(wǎng)進(jìn)行隔離配置，這將避免風(fēng)電場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)故障的擴(kuò)大?，F(xiàn)以MOXA PT-7728型核心交換機(jī)為例，進(jìn)行VLAN劃分：

風(fēng)電場(chǎng)概況：某風(fēng)電場(chǎng)共計(jì)33臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量49.5MW。風(fēng)電場(chǎng)分3個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)11臺(tái)機(jī)組。塔基交換機(jī)型號(hào)：EDS-408A-1M2S-ST-T。核心交換機(jī)型號(hào)：PT-7728，核心交換機(jī)VLAN配置按表1，PT-7728核心交換機(jī)WEB界面配置見圖5、圖6。

VLAN成功配置后，核心交換機(jī)2-1端口、2-2端口、2-3端口各為一個(gè)廣播域，各端口不能互相訪問。2-4端口、2-5端口……4-4端口可以訪問2-1端口、2-2端口、2-3端口內(nèi)所有風(fēng)電機(jī)組。

其他廠家核心交換機(jī)VLAN配置與PT-7728界面雖有差異，但原理相通，可參照?qǐng)?zhí)行。

結(jié)束語

風(fēng)電場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)是保證風(fēng)電機(jī)組SCADA監(jiān)控系統(tǒng)良好運(yùn)行的基礎(chǔ)，風(fēng)電場(chǎng)技術(shù)人員應(yīng)盡力杜絕風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生重大網(wǎng)絡(luò)故障。從細(xì)節(jié)著手，將風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)故障消滅于萌芽之中。

作者單位：［東方電氣（通遼）風(fēng)電工程技術(shù)有限公司］