風電場風電機組通訊網(wǎng)絡(luò)常遇問題淺析

文 | 刁書廣，魏穎超，孫卓，王濤

風電場風電機組通訊網(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，風電機組大型化的發(fā)展趨勢顯著，風電場機組通訊的即時性、可靠性、穩(wěn)定性變得更為重要。早期部分風電場使用的機組監(jiān)控環(huán)網(wǎng)采用串口單環(huán)網(wǎng)通訊，如Mita機組采用IC500通訊，這種通訊方式可靠性不高，通訊速度慢，在環(huán)網(wǎng)中某一點出線故障即可影響整個環(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，后期風電場通訊普遍采用了更加先進的工業(yè)以太網(wǎng)的雙環(huán)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，然而由于種種原因風電場通訊故障依舊不斷發(fā)生。本文首先介紹了風電場工業(yè)以太網(wǎng)雙環(huán)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，進而對風電場機組通訊網(wǎng)絡(luò)常遇問題及廣播風暴的產(chǎn)生、交換機配置VLAN抑制廣播風暴等進行了分析匯總，希望本文能對風電工作者有所裨益。

基于以太網(wǎng)風電場通訊網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)

一、以太網(wǎng)

以太網(wǎng)是一種計算機局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)。IEEE制定的IEEE802.3標準給出了以太網(wǎng)的技術(shù)標準。它規(guī)定了包括物理層的連線、電信號和介質(zhì)訪問層協(xié)議的內(nèi)容。以太網(wǎng)是當前應(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)標準，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、風電場通訊網(wǎng)絡(luò)的組成

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

風電機組內(nèi)部通訊采用50/125μm 6芯多模光纖，主要考慮到的是機組內(nèi)部通訊距離短，多模光纖價格經(jīng)濟、實惠。拓撲圖詳見圖1。

風電場環(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組成，此處采用單模光纖是因為風電機組通訊距離較遠，單模光纖色散小，適用于遠程通訊。見圖2。

完整的風電場通訊網(wǎng)絡(luò)圖見圖3。

目前風電場通訊網(wǎng)絡(luò)存在的問題

風電場通訊質(zhì)量的好壞嚴重影響風電場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，更為風電場業(yè)主監(jiān)盤、數(shù)據(jù)上傳、AGC與AVC調(diào)度遠控命令執(zhí)行帶來巨大問題。風電場技術(shù)人員通常是在風電機組通訊突然批量丟失或信號閃斷時才緊急查找故障原因，由于風電現(xiàn)場技術(shù)人員對風電場通訊網(wǎng)絡(luò)了解甚少，處理此類通訊故障便力不從心，故處理故障時間較久。

目前風電場通訊網(wǎng)絡(luò)存在的問題主要有以下幾點：

1.風電場在調(diào)試初期，通訊調(diào)試人員未嚴格按照風電場通訊環(huán)網(wǎng)圖紙配置交換機IP地址，為現(xiàn)場管理交換機帶來巨大困難。

2.由于塔基交換機可以即插即用，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，極易引起廣播風暴的產(chǎn)生。

3.核心交換機在出廠時是默認配置，風電現(xiàn)場未根據(jù)風電場實際情況配置vlan（虛擬局域網(wǎng)），導致廣播可以在整個風電場內(nèi)傳播，從而發(fā)生廣播風暴。

4.核心交換機網(wǎng)線未貼標簽，十分混亂，為以后管理帶來巨大麻煩。

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

6.交換機一般安裝于塔基變頻器內(nèi)，在夏季因天氣較熱，變頻器工作也會散熱，交換機環(huán)境溫度高達50℃至60℃，交換機長時間在高溫條件下工作會發(fā)生數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，此時應(yīng)特別注意交換機散熱問題。

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

廣播風暴的產(chǎn)生與避免

風電場通訊網(wǎng)絡(luò)使用的是環(huán)形冗余雙環(huán)網(wǎng)，由于其回路拓撲結(jié)構(gòu)，本身就存在廣播風暴的風險。風電場發(fā)生最大的通訊故障即是廣播風暴。風電場交換機網(wǎng)絡(luò)屬于同一個廣播域，廣播會擴展到每一條線路、每一個節(jié)點，并且風電場網(wǎng)絡(luò)中存在回路，廣播封包會在回路中不停的循環(huán)，無限循環(huán)的結(jié)果，僅僅一個廣播包就會消耗全部帶寬，導致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。在圖4中，一條廣播就可以擴展到整個風電場網(wǎng)絡(luò)。

正常情況下，風電場塔基管理型交換機均啟用了RSTP（快速生成樹協(xié)議），或者不同交換機廠家均啟用了自己私有協(xié)議，如科洛理思JetNet交換機啟用了Rapid Super Ring協(xié)議，MOXA交換機啟用了Turbo Ring協(xié)議，這些協(xié)議工作原理基本相似，均定義了一臺RM管理者的交換機來偵測環(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，它也同時切斷回路防止廣播風暴產(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，管理交換機將會再選擇備援通路，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、設(shè)置或操作，都可能導致廣播風暴。交換機網(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)試時進行配置，然而有些通訊調(diào)試技術(shù)員根本就未對交換機進行任何配置，即使通訊調(diào)試技術(shù)員對交換機進行了正確配置，在后期風電場風電機組運行后，由于個別交換機的損壞，風電場留守技術(shù)人員直接更換新交換機，未對交換機進行任何配置，導致網(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，建議風電場一一校驗交換機網(wǎng)絡(luò)冗余協(xié)議，保證整個風電場內(nèi)網(wǎng)絡(luò)冗余協(xié)議一致。同時，建議同一風電場使用同一品牌、同一型號的交換機，同一品牌、同一型號的通訊光纖，并保證交換機接線端口一致。

冗余環(huán)網(wǎng)發(fā)生廣播風暴的情況：

（一）斷線修復(fù)

更新線路將斷線點修復(fù)時，由于在線路接上的那一瞬間會讓環(huán)網(wǎng)形成回路，任意廣播都將導致風暴，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)中各個設(shè)備重啟需要的時間各不相同，在RM完成啟動并阻塞備援路徑之前，有可能出現(xiàn)回路導致廣播風暴，被癱瘓的RM無法發(fā)現(xiàn)回路，故無法阻塞備援路徑。

某風電場經(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電場通訊信號閃斷或SCADA根本就接收不到風電場通訊信號，后來重新配置交換機，使交換機自判斷、自挑選認定RM交換機，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)計問題，都可能導致回路及廣播風暴。

表1　MOXA核心交換機VLAN配置

通過在核心交換機處配置VLAN（Virtual Local Area Network），可以有效避免發(fā)生風電場級的廣播風暴，降低風電場通訊故障率。

交換機VLAN配置

在風電場通訊柜核心交換機處配置VLAN，將不同風電機組環(huán)網(wǎng)進行隔離配置，這將避免風電場通訊網(wǎng)絡(luò)故障的擴大。現(xiàn)以MOXA PT-7728型核心交換機為例，進行VLAN劃分：

風電場概況：某風電場共計33臺機組，總裝機容量49.5MW。風電場分3個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，每個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)11臺機組。塔基交換機型號：EDS-408A-1M2S-ST-T。核心交換機型號：PT-7728，核心交換機VLAN配置按表1，PT-7728核心交換機WEB界面配置見圖5、圖6。

VLAN成功配置后，核心交換機2-1端口、2-2端口、2-3端口各為一個廣播域，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)所有風電機組。

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

結(jié)束語

風電場通訊網(wǎng)絡(luò)是保證風電機組SCADA監(jiān)控系統(tǒng)良好運行的基礎(chǔ)，風電場技術(shù)人員應(yīng)盡力杜絕風電場發(fā)生重大網(wǎng)絡(luò)故障。從細節(jié)著手，將風電場網(wǎng)絡(luò)故障消滅于萌芽之中。

作者單位：［東方電氣（通遼）風電工程技術(shù)有限公司］