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【摘要】在61850变电站中，建立在Unix操作系统上的监控后台的特殊性决定了其ARP报文量较大，同时间隔层中的大量冗余IEC-GOOSE报文也颇为占用网络通道。本文以广州500kV狮洋变为例，借助Ethereal工具分析各种报文量，提出了双网卡、循环绑定、间隔层保护交换机隔绝等方法，大幅减少了冗余报文量，净化网络通道，对站内通讯产生积极影响。本文的结论同样适用于Unix操作系统上搭建的监控后台以及保护、测控网可独立划分的61850变电站。
【关键词】ARP；UDP；IEC-GOOSE；61850变电站
0.引言
500kV狮洋变电站是广州电网首个应用61850协议的500kV无人值班变电站，站内的自动化、继保装置使用了多个厂家的产品，通讯结构成分复杂[1]。
狮洋变后台系统，采用的是安装在Unix Solaris 10 u8操作系统上的南瑞继保RCS970(UNIX)V5.04监控系统。以往，广州的变电站多采用Windows操作系统，其通讯方式与Unix系统的一个不同点在于前者对装置进行ARP绑定后，在保持数据交换的情况下不释放ARP缓存表。此外，作为61850变电站，站内的测控装置会产生大量的IEC GOOSE报文。以上两点将对站内通讯质量产生不利影响。
本文利用Ethereal Network Protocol Analyzer软件，在变电站现场采集通讯网络中完全真实的数据流，详细分析了ARP、GOOSE对通讯网络的影响，提出了若干方案，根据变电站实际比较各方法的优劣，提出解决网络缺陷的建议，并且选择性地应用于狮洋站的实际运行中。
1.ARP对站控层通讯影响分析
网络上的计算机是通过IP地址通信的，但是IP地址是位于网络层的逻辑地址，计算机之间要进行数据交换就必须知道对方的物理地址[2]，ARP协议的基本功能是通过目标设备的IP地址，查询其MAC地址，保证通讯的进行 [3]。ARP报文虽短，但当后台向全站几百台装置同时发送该报文时，这种ARP报文峰值将对相应交换机的通讯造成不利影响。
1.1 狮洋变通讯缺陷的现象
狮洋变的通讯系统为星形级联的结构，即每个小室测控网和保护网是相互独立的，分别通过光纤直接级联到主控室的测控主交换机和保护主交换机，最后经光纤接入监控主交换机，将测控和保护的信息统一送到后台监控系统，其结构图见参考文献[1]中的图3。狮洋变在所有测控、保护装置通讯正常的情况下，每隔一段时间就捕获到监控后台发出的一次ARP报文的峰值，该峰值对通讯的影响不大；但在大量测控、保护装置通讯中断的情况下，监控后台持续发出大量的ARP报文；特别地，当继保室的一台高层交换机通讯故障时，该交换机连接的数十台测控或保护装置无法与后台通讯，监控后台将发出数量极多的ARP报文，形成ARP风暴，阻塞全站通讯。
1.2 Unix系统与ARP峰值的关系
狮洋变的后台安装的是Unix Solaris 10 u8操作系统，该系统与广州电网普遍使用的Windows系统在网络连接上的两个不同在于：
1)Unix系统每15分钟会释放一次ARP缓存表[4]；
2)Unix系统后台与保护测控装置通讯中断后，ARP缓存表将失效。
1.3 通讯中断装置数量与ARP数量的关系
2.GOOSE报文对间隔层通讯影响分析
UDP是是TCP/IP体系结构中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务[5]。它可以分为对多点传播的组播报文和对子网内所有主机传播的广播报文。在61850变电站中，GOOSE是一种实时应用，主要传送间隔闭锁信号和实时跳闸信号[6]。在变电站正常运行时，GOOSE报文内容多数是间隔层的测控装置之间交换的联锁信息，这种报文属于组播报文的一种。
2.1 GOOSE影响保护装置通讯的途径
本变电站的测控、保护装置通过监控主交换机连接在一起，测控装置间交换联锁信息用的GOOSE报文通过监控主交换机传播给保护装置，同时也通过监控主交换机流入保护网络，而所有的保护装置无须接收GOOSE报文，因此，在保护子网里传播的GOOSE报文都属于冗余报文。
2.2 间隔层中GOOSE报文对通讯的影响
选取主变继保小室内的保护交换机截取报文，在十分钟时间内的报文量组成。该软件把GOOSE报文区分在其它(Other)类中，从GOOSE报文量占保护报文量的一半以上，虽然这没有超过交换机的处理能力，但已浪费过半的通道。
3.解决网络冗余报文的方案及效果
3.1 用双网卡增强站控层通讯能力
目前，监控后台服务器的CPU有处理海量的ARP报文的能力，瓶颈在于网卡，只要减少网卡上连接的装置数量，就能大幅减少装置通讯中断引发的ARP数量。如果能直接把保护主交换机接入保护专用网卡，把测控主交换机接入测控专用网卡，剔除监控主交换机，就能从源头上把保护、测控网隔离。一方面，测控的GOOSE报文不再流入保护网；另一方面，测控主交换机故障，剧增的ARP报文都不会流入保护主交换机，反之亦然。
然而本站使用的服务器没有提供双网卡的扩展插槽，所以无法实施该方法。
3.2 用循环绑定法减少ARP报文
3.3 通过隔绝GOOSE来净化间隔层报文
针对间隔层的组播报文太多的现象，现通过交换机组态设置手段，把间隔层的保护通讯交换机上的全部GOOSE报文隔绝，同样选取主变继保小室内的保护交换机截取报文，在十分钟时间内的报文量。在没有了GOOSE报文之后，总报文量也随之下降至未作处理前的十分之二，效果十分明显。
4.结束语
本文针对IEC-61850变电站中的复杂网络结构，以广州500kV狮洋站为例，分析了产生ARP风暴的原因，提出了双网卡、监控后台循环ARP绑定法来解决该问题。这两种方法在其它以Unix系统为操作系统搭建的监控后台中有较为实用的价值。本文分析了站内产生繁冗的GOOSE报文的原因，提出了间隔层保护网络交换机隔绝GOOSE报文的方法，该方法在其它保护、测控网独立划分的变电站中有较高参考价值。
参考文献：
[1]顾衍璋.IEC 61850标准在500 kV狮洋变电站自动化系统的应用及组网分析[J].广东电力.2011,24.
[2]李元,吴勇,李祥. ARP协议的描述与TLA验证[J].计算机技术与发展.2010,6,163-166.
[3]莫静.浅析局域网ARP攻击的原理[J].科学与财富. 2010,1, 4-4.
[4]TCP/IP协议与网络管理.清华大学出版社[D].2007,7.
[5]刘鹏,刘艳.UDP协议使用与分析研究[J].电脑知识与技术.2010,6,3319-3320.
[6] 李小滨,韩明峰.GOOSE实时通信的分析与实现[J].电力系统保护与控制.2009,37,59-62,69.
【关键词】ARP；UDP；IEC-GOOSE；61850变电站
0.引言
500kV狮洋变电站是广州电网首个应用61850协议的500kV无人值班变电站，站内的自动化、继保装置使用了多个厂家的产品，通讯结构成分复杂[1]。
狮洋变后台系统，采用的是安装在Unix Solaris 10 u8操作系统上的南瑞继保RCS970(UNIX)V5.04监控系统。以往，广州的变电站多采用Windows操作系统，其通讯方式与Unix系统的一个不同点在于前者对装置进行ARP绑定后，在保持数据交换的情况下不释放ARP缓存表。此外，作为61850变电站，站内的测控装置会产生大量的IEC GOOSE报文。以上两点将对站内通讯质量产生不利影响。
本文利用Ethereal Network Protocol Analyzer软件，在变电站现场采集通讯网络中完全真实的数据流，详细分析了ARP、GOOSE对通讯网络的影响，提出了若干方案，根据变电站实际比较各方法的优劣，提出解决网络缺陷的建议，并且选择性地应用于狮洋站的实际运行中。
1.ARP对站控层通讯影响分析
网络上的计算机是通过IP地址通信的，但是IP地址是位于网络层的逻辑地址，计算机之间要进行数据交换就必须知道对方的物理地址[2]，ARP协议的基本功能是通过目标设备的IP地址，查询其MAC地址，保证通讯的进行 [3]。ARP报文虽短，但当后台向全站几百台装置同时发送该报文时，这种ARP报文峰值将对相应交换机的通讯造成不利影响。
1.1 狮洋变通讯缺陷的现象
狮洋变的通讯系统为星形级联的结构，即每个小室测控网和保护网是相互独立的，分别通过光纤直接级联到主控室的测控主交换机和保护主交换机，最后经光纤接入监控主交换机，将测控和保护的信息统一送到后台监控系统，其结构图见参考文献[1]中的图3。狮洋变在所有测控、保护装置通讯正常的情况下，每隔一段时间就捕获到监控后台发出的一次ARP报文的峰值，该峰值对通讯的影响不大；但在大量测控、保护装置通讯中断的情况下，监控后台持续发出大量的ARP报文；特别地，当继保室的一台高层交换机通讯故障时，该交换机连接的数十台测控或保护装置无法与后台通讯，监控后台将发出数量极多的ARP报文，形成ARP风暴，阻塞全站通讯。
1.2 Unix系统与ARP峰值的关系
狮洋变的后台安装的是Unix Solaris 10 u8操作系统，该系统与广州电网普遍使用的Windows系统在网络连接上的两个不同在于：
1)Unix系统每15分钟会释放一次ARP缓存表[4]；
2)Unix系统后台与保护测控装置通讯中断后，ARP缓存表将失效。
1.3 通讯中断装置数量与ARP数量的关系
2.GOOSE报文对间隔层通讯影响分析
UDP是是TCP/IP体系结构中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务[5]。它可以分为对多点传播的组播报文和对子网内所有主机传播的广播报文。在61850变电站中，GOOSE是一种实时应用，主要传送间隔闭锁信号和实时跳闸信号[6]。在变电站正常运行时，GOOSE报文内容多数是间隔层的测控装置之间交换的联锁信息，这种报文属于组播报文的一种。
2.1 GOOSE影响保护装置通讯的途径
本变电站的测控、保护装置通过监控主交换机连接在一起，测控装置间交换联锁信息用的GOOSE报文通过监控主交换机传播给保护装置，同时也通过监控主交换机流入保护网络，而所有的保护装置无须接收GOOSE报文，因此，在保护子网里传播的GOOSE报文都属于冗余报文。
2.2 间隔层中GOOSE报文对通讯的影响
选取主变继保小室内的保护交换机截取报文，在十分钟时间内的报文量组成。该软件把GOOSE报文区分在其它(Other)类中，从GOOSE报文量占保护报文量的一半以上，虽然这没有超过交换机的处理能力，但已浪费过半的通道。
3.解决网络冗余报文的方案及效果
3.1 用双网卡增强站控层通讯能力
目前，监控后台服务器的CPU有处理海量的ARP报文的能力，瓶颈在于网卡，只要减少网卡上连接的装置数量，就能大幅减少装置通讯中断引发的ARP数量。如果能直接把保护主交换机接入保护专用网卡，把测控主交换机接入测控专用网卡，剔除监控主交换机，就能从源头上把保护、测控网隔离。一方面，测控的GOOSE报文不再流入保护网；另一方面，测控主交换机故障，剧增的ARP报文都不会流入保护主交换机，反之亦然。
然而本站使用的服务器没有提供双网卡的扩展插槽，所以无法实施该方法。
3.2 用循环绑定法减少ARP报文
3.3 通过隔绝GOOSE来净化间隔层报文
针对间隔层的组播报文太多的现象，现通过交换机组态设置手段，把间隔层的保护通讯交换机上的全部GOOSE报文隔绝，同样选取主变继保小室内的保护交换机截取报文，在十分钟时间内的报文量。在没有了GOOSE报文之后，总报文量也随之下降至未作处理前的十分之二，效果十分明显。
4.结束语
本文针对IEC-61850变电站中的复杂网络结构，以广州500kV狮洋站为例，分析了产生ARP风暴的原因，提出了双网卡、监控后台循环ARP绑定法来解决该问题。这两种方法在其它以Unix系统为操作系统搭建的监控后台中有较为实用的价值。本文分析了站内产生繁冗的GOOSE报文的原因，提出了间隔层保护网络交换机隔绝GOOSE报文的方法，该方法在其它保护、测控网独立划分的变电站中有较高参考价值。
参考文献：
[1]顾衍璋.IEC 61850标准在500 kV狮洋变电站自动化系统的应用及组网分析[J].广东电力.2011,24.
[2]李元,吴勇,李祥. ARP协议的描述与TLA验证[J].计算机技术与发展.2010,6,163-166.
[3]莫静.浅析局域网ARP攻击的原理[J].科学与财富. 2010,1, 4-4.
[4]TCP/IP协议与网络管理.清华大学出版社[D].2007,7.
[5]刘鹏,刘艳.UDP协议使用与分析研究[J].电脑知识与技术.2010,6,3319-3320.
[6] 李小滨,韩明峰.GOOSE实时通信的分析与实现[J].电力系统保护与控制.2009,37,59-62,69.