CN106789131A - 一种基于虚拟局域网组播技术的新能源电站控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟局域网组播技术的新能源电站控制方法，步骤如下：定义新能源电站通信节点编号；将新能源电站通信设备划分为多级虚拟局域网，定义通信传输组播MAC地址；监控系统向第一级虚拟局域网中下发控制命令；虚拟局域网内接收端接收控制命令；虚拟局域网内接收端判断控制命令是否发向当前接收端；判断通讯节点是否为控制执行节点；控制执行节点解析并执行控制命令；判断是否结束控制操作。其优点在于：划分多个虚拟局域网，各虚拟局域网内发送端以组播的形式快速下发控制命令，接收端主动识接收别控制命令，并进行转发或执行操作，站内多控制命令下发全过程耗时可以缩短至十毫秒级，能够有效提升新能源电站的运维效率。

Description

一种基于虚拟局域网组播技术的新能源电站控制方法

技术领域

本发明涉及绿色能源发电技术领域，具体涉及一种基于虚拟局域网组播技术的新能源电站控制方法。

背景技术

随着能源危机日益临近，新能源已经成为今后世界上的主要能源之一，新发电作为一种新兴绿色能源产业，逐步得到国家的重视与扶持，但是由于新能源多属于间歇性能源，且发电波动性大，需要依靠电站发电设备的数量及控制的时效性来弥补这些缺陷。同时，现有新能源电站的通信结构一般为监控系统->通信处理单元->控制执行设备，但也有可能是监控系统与控制执行设备直连，没有中间的通信处理单元；或者有多个通信处理单元并联；或者通信处理单元串联；或者有更复杂的结构，因此使用现有的控制模式不利于光伏发电监控的发展，有必要研究一套适用于新能源电站的控制模式，提升新能源电站出力的质量。

智能化新能源变电站基于国际电工委员会IEC所推荐的IEC61850标准实现，该标准的特点是各装置间实现了基于组播传输的快速数据交换机制GOOSE。装置间可以通过GOOSE机制实现信息的交互，避免了装置间的硬接线通信（通过220V或110V直流电进行信号触发）或者通过监控系统间接通信，例如：保护跳闸报文装置间的信号传输时间可以缩短至3~5毫秒。但标准中对GOOSE仅对遥信和遥测做了规定，但是对遥控没有做规定。并且，考虑到新能源电站的控制要求低于变电站，发电设备数量多于普通变电站的客观事实，有必要对新能源电站的控制流程做优化处理，用以满足新能源电站的运维需求。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的不足，本发明的目的在于针对新能源电站待控点数量多且控制过程严格程度不及常规电站的特点，提供的一种基于虚拟局域网组播技术的新能源电站控制方法，将现有遥信、遥调的快速传输机制引入到了遥控中，站内多控制命令下发全过程耗时可以缩短至十毫秒级，提升新能源电站的运维效率以及新能源发电的市场竞争力。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于虚拟局域网组播技术的新能源电站控制方法，所述控制方法的步骤包括：

S1，定义新能源电站通信节点编号；

S2，将新能源电站通信设备划分为多级虚拟局域网，定义通信传输组播MAC地址；

S3，监控系统向第一级虚拟局域网中下发控制命令；

S4，虚拟局域网内接收端接收控制命令；

S5，虚拟局域网内接收端判断控制命令是否发向当前接收端或接收端所属通信节点；是则执行S6，否则丢弃控制命令；

S6，虚拟局域网内接收端判断接收的通讯节点是否为控制执行节点；是则执行S7，否则对控制命令进行解析，向下一级虚拟局域网中下发控制命令后返回S4；

S7，控制执行节点解析并执行控制命令；

S8，判断是否结束控制操作；是，则结束控制操作；否，则返回S3。

进一步，所述S1中新能源电站中的通信节点包括：监控系统、通信处理单元以及控制执行设备；其中，监控系统为发送端，负责下发控制命令；通信处理单元负责中转控制命令，具有发送和接收功能；控制执行设备为接收端，负责接收控制命令并执行。

进一步，所述S1中通信节点的编号定义为4位16进制数字。

进一步，所述S2中的虚拟局域网等级划分操作为：将所有与监控系统有直接控制信息交互的通信节点规划为第一级虚拟局域网；将第N级虚拟局域网中作为控制命令接收作用的通信处理单元作为N+1级虚拟局域网中的控制命令发送端，此通信处理单元与接收其控制命令的通信处理单元及控制执行设备规划为N+1级虚拟局域网。

进一步，所述S2中的新能源电站各虚拟局域网的组播 MAC地址包括：一个发送端组播MAC地址和一个接收端组播MAC地址；所述组播 MAC地址为12位16进制数字，组播MAC地址起始地址为01-0C-CD-00-00-00，组播MAC地址结束地址为01-0C-CD-ff-ff-ff。

进一步，所述S3中监控系统向第一级虚拟局域网中下发的控制命令为以组播方式发送的快速控制报文；所述快速控制报文格式中包含的属性包括：报文头、发送端节点MAC地址、发送端节点序号、接收端节点MAC地址、关联控制执行总节点数目、控制执行节点序号、控制执行节点遥控数目、遥控序号、遥控值、控制执行节点遥调数目、遥调序号、遥调值和校验位。

进一步，所述快速控制报文的报文头为：EA 80 EA 80 EA 80，快速控制报文的校验位采用循环冗余校验CRC和校验算法验证。

进一步，所述S6中判别控制命令接收通信节点不是控制执行设备时，则该通信节点为中继传输节点，所述中继传输节点解析接收的快速控制报文，提取与自身节点有关联的下级控制执行节点数量、各控制执行节点序号、各控制节点遥控数量、遥控序号、遥控值、各控制节点遥调数量、遥调序号、遥调值信息，结合自身节点序号、接收端口组播MAC地址、下一级虚拟局域网内接收端口组播MAC地址信息组织报文，并通过发送端口向下一级虚拟局域网中发送后返回S4。

进一步，所述S7中控制执行设备解析接收的快速控制报文，通过控制执行节点序号提取与自身节点有关联的遥控数量、遥控序号、遥控值、遥调数量、各调序号、遥调值信息，并执行控制操作。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

针对新能源电站待控点数量多且控制过程严格程度不及常规电站的特点，提供的一种基于虚拟局域网组播技术的新能源电站控制方法，按照新能源电站的通信组网结构将通信节点划分至多个虚拟局域网，各虚拟局域网内发送端以组播的形式快速下发控制命令，接收端主动识接收别控制命令，并进行转发或执行操作，站内多控制命令下发全过程耗时可以缩短至十毫秒级，能够有效提升新能源电站的运维效率。

附图说明

图1是本发明的一种基于虚拟局域网组播技术的新能源电站控制方法的流程图；

图2是本发明的新能源电站通信设备划分多级虚拟局域网示意图；

图3是本发明的控制命令的报文格式示意图。

具体实施方式

一种基于虚拟局域网组播技术的新能源电站控制方法，所述控制方法的步骤包括：

S1，定义新能源电站通信节点编号；

S2，将新能源电站通信设备划分为多级虚拟局域网，定义通信传输组播MAC地址；

S3，监控系统向第一级虚拟局域网中下发控制命令；

S4，虚拟局域网内接收端接收控制命令；

S5，虚拟局域网内接收端判断控制命令是否发向当前接收端或接收端所属通信节点；是则执行S6，否则丢弃控制命令；

S6，虚拟局域网内接收端判断接收的通讯节点是否为控制执行节点；是则执行S7，否则对控制命令进行解析，向下一级虚拟局域网中下发控制命令后返回S4；

S7，控制执行节点解析并执行控制命令；

S8，判断是否结束控制操作；是则结束控制操作；否则返回S3。

前述S1中新能源电站中的通信节点包括：监控系统、通信处理单元以及控制执行设备；其中，监控系统为发送端，负责下发控制命令；通信处理单元负责中转控制命令，具有发送和接收功能；控制执行设备为接收端，负责接收控制命令并执行。

前述S1中通信节点的编号定义为4位16进制数字。

前述S2中的虚拟局域网等级划分操作为：将所有与监控系统有直接控制信息交互的通信节点规划为第一级虚拟局域网；将第N级虚拟局域网中作为控制命令接收作用的通信处理单元作为N+1级虚拟局域网中的控制命令发送端，此通信处理单元与接收其控制命令的通信处理单元及控制执行设备规划为N+1级虚拟局域网。

前述S2中的新能源电站各虚拟局域网的组播 MAC地址包括：一个发送端组播MAC地址和一个接收端组播MAC地址；所述组播 MAC地址为12位16进制数字，组播MAC地址起始地址为01-0C-CD-00-00-00，组播MAC地址结束地址为01-0C-CD-ff-ff-ff。

前述S3中监控系统向第一级虚拟局域网中下发的控制命令为以组播方式发送的快速控制报文；所述快速控制报文格式中包含的属性包括：报文头、发送端节点MAC地址、发送端节点序号、接收端节点MAC地址、关联控制执行总节点数目、控制执行节点序号、控制执行节点遥控数目、遥控序号、遥控值、控制执行节点遥调数目、遥调序号、遥调值和校验位。

前述快速控制报文的报文头为：EA 80 EA 80 EA 80，快速控制报文的校验位采用循环冗余校验CRC和校验算法验证。

前述S6中判别控制命令接收通信节点不是控制执行设备时，则该通信节点为中继传输节点，所述中继传输节点解析接收的快速控制报文，提取与自身节点有关联的下级控制执行节点数量、各控制执行节点序号、各控制节点遥控数量、遥控序号、遥控值、各控制节点遥调数量、遥调序号、遥调值信息，结合自身节点序号、接收端口组播MAC地址、下一级虚拟局域网内接收端口组播MAC地址信息组织报文，并通过发送端口向下一级虚拟局域网中发送后返回S4。

前述S7中控制执行设备解析接收的快速控制报文，通过控制执行节点序号提取与自身节点有关联的遥控数量、遥控序号、遥控值、遥调数量、各调序号、遥调值信息，并执行控制操作。

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

本发明针对新能源电站待控点数量多且控制过程严格程度不及常规电站的特点，提供的一种基于虚拟局域网组播技术的新能源电站控制方法，按照新能源电站的通信组网结构将通信节点划分至多个虚拟局域网，各虚拟局域网内发送端以组播的形式快速下发控制命令，虚拟局域网控制命令的接收端主动识别接收控制命令，并进行转发或执行操作，站内多控制命令下发全过程耗时可以缩短至十毫秒级，能够有效提升新能源电站的运维效率，如图1所示，本发明的一种基于虚拟局域网组播技术的新能源电站控制方法，具体包括以下内容：

1）定义新能源电站通信节点编号；

新能源电站中的通信节点为参与控制过程的监控系统、通信处理单元以及控制执行设备。其中，监控系统作为发送端，负责下发控制命令；通信处理单元负责中转控制命令，具有发送和接收功能；控制执行设备作为接收端，负责接收控制命令并执行。

将新能源电站中的通信节点进行站内唯一编号，通信节点的编号定义为4位16进制数字，例如：0000、0a45等。

2) 将新能源电站通信设备划分为多级虚拟局域网，定义通信传输组播MAC地址；

组播是广播传输的一种，广播是网络内一发其余全部收，组播是在网络内将指定的若干通信节点归类为组，组内一发其余组内通信节点收，组外通信节点不收。此处组播传输的好处是涉及的控制通信过程在实际工程中会与数据采集、监视等功能共用同一网络，利用组播技术可以防止对其他功能造成影响。

新能源电站中参与控制操作通信过程的网络交换机需要具备划分虚拟局域网功能。分别处于两个虚拟局域网的通信处理单元至少需要双网口配置，其一为接收端口，其二为发送端口。通信节点包括：监控系统、通信处理单元和控制执行设备。监控系统和控制执行设备分别位于控制过程的最上和最下端，在控制过程中有一个网口即可实现控制命令的发或收功能。而通信处理单元，即同时处于两个虚拟局域网中的通信设备，在控制过程中需要先在上一级虚拟局域网中收，继而往下一级虚拟局域网中发，因此至少需要配置双网口，若通信处理单元还有其他功能就可能需要配置多网口。

一个新能源电站可能存在多个同级别的虚拟局域网。目前最多有3级虚拟局域网，但是不排除因网络结构复杂，会出现更多级的情况，因此此处用“N”来描述。将所有与监控系统有直接控制信息交互的通信节点规划为第一级虚拟局域网；将第N级虚拟局域网中作为控制命令接收作用的通信处理单元作为N+1级虚拟局域网中的控制命令发送端，此通信处理单元与接收其控制命令的通信处理单元及控制执行设备规划为N+1级虚拟局域网。

新能源电站中可能同时有风电场和光伏电站，但是用的是同一套监控系统监控，这时就可能在一级虚拟局域网的下一级存在两个二级虚拟局域网的情况。此时，虚拟局域网划分示意图如图2所示。

新能源电站各虚拟局域网中存在1个发送端组播MAC地址和1个接收端组播MAC地址，组播 MAC地址为12位16进制数字，组播MAC地址起始地址为01-0C-CD-00-00-00，组播MAC地址结束地址为01-0C-CD-ff-ff-ff，新能源电站内各组播MAC地址唯一。

同一虚拟局域网内，存在唯一控制命令发送通信节点，该通信节点组播MAC地址定义为本虚拟局域网发送端MAC地址；虚拟局域网内非控制命令发送通信节点为控制命令接收通信节点，各控制命令接收通信节点MAC地址一致且定义为本虚拟局域网接收端组播MAC地址。

新能源电站内参与控制操作的网络交换机按照虚拟局域网划分的原则进行设置。市场上的交换机可以分为支持VLAN功能和不支持VLAN功能两种。这里强调的是为实现本专利所涉及的交换机需要具有VLAN功能，同时交换机要按照前述的虚拟局域网划分原则进行设置，用以满足功能实现。

各虚拟局域网内控制命令发送通信节点记录本虚拟局域网内控制命令接收通信节点的设备序号和接收端组播MAC地址。

各虚拟局域网内控制命令接收通信节点记录本虚拟局域网内控制命令发送通信节点的设备序号和发送端组播MAC地址；

各虚拟局域网中，属于通信处理单元的所有通信节点记录与其后续控制流程有控制操作关系的所有通信节点的设备序号和组播MAC地址属性。其中，被记录对象属于控制执行设备的通信节点仅需记录其接收端组播MAC地址，属于通信处理单元的通信节点需要记录其发送端组播MAC地址和接收端组播MAC地址；

例如，如图2所示的第一级虚拟局域网中作为控制命令发送端的监控系统组播MAC地址可以配置为01-0C-CD-00-00-05，一级虚拟局域网中作为控制命令接收端的通信处理单元及风机、光伏等控制装置的接收端组播MAC地址可以统一配置为01-0C-CD-00-0A-03。从左至右第一个二级虚拟局域网中的通信处理单元的发送端组播MAC地址可以配置为01-0C-CD-00-0B-0F，其余风机控制装置的组播MAC地址可以统一配置为01-0C-CD-03-2A-06。第二个二级虚拟局域网中的通信处理单元的发送端组播MAC地址可以配置为01-0C-CD-B6-67-89，光伏控制装置的组播MAC地址可以统一配置为01-0C-CD-E0-FF-C8。

3) 监控系统向第一级虚拟局域网中下发控制命令；

监控系统向第一级虚拟局域网中的其它所有通信节点以组播方式发送快速控制报文，如图3所示，快速控制报文格式中包含的属性有：报文头(3字节)、发送端节点MAC地址(6字节)、发送端节点序号(2字节)、接收端节点MAC地址(6字节)、关联控制执行总节点数目(2字节)、控制执行节点序号(2字节)、控制执行节点遥控数目(2字节)、遥控序号(2字节)、遥控值(1字节)、控制执行节点遥调数目(2字节)、遥调序号(2字节)、遥调值(4字节)、校验位(1字节)。

其中，快速控制报文报文头定义为：EA 80 EA 80 EA 80，快速控制报文校验位采用循环冗余校验CRC和校验算法验证。

新能源电站进行批量控制时，所有控制信息按照前述约定的报文格式以一帧报文的形式构建并发送。

所有的控制命令都是首先由电站运维人员或上级调度通过站内的监控系统下达的。将所有与监控系统有直接控制信息交互的通信节点规划为第一级虚拟局域网，因此发送到第一级虚拟局域网。当第一级虚拟局域网中除监控系统外的其他通信节点中是“控制执行机构”的时候，这个通信节点收到命令就执行了，相当于树形结构的叶子节点，这个节点的下面就没有东西，也就是不存在下一级虚拟局域网了。当第一级虚拟局域网中除监控系统外的其他通信节点中是“通信处理单元”的时候，这个通信节点收到命令自己不执行，它只是起到一个中转的作用，相当于树形结构的中间节点，这个节点的下面有下一级的中间节点或者叶子节点，这时，中间节点与该中间节点有直接联系的下一级中间节点或者下一级叶子节点就形成了相对于上一级虚拟局域网的“次一级虚拟局域网”，在这个“次一级虚拟局域网”中该中间节点就是发端，其余的节点就是收端。以此类推，直至虚拟局域网中都是叶子节点。

4) 虚拟局域网内接收端接收并判断控制命令是否发向当前接收端或接收端所属通信节点；

各虚拟局域网中的控制命令发送通信节点以组播方式发出控制命令报文后，虚拟局域网中的控制命令接收通信节点从虚拟局域网中获取该报文。控制命令接收通信节点在通信链路层通过报文的报文头、发送端节点组播MAC地址、接收端节点组播MAC地址、校验位判别报文是否正确且与自身相关。

控制命令接收通信节点在通信应用层通过报文的发送端节点序号、控制执行节点序号判别是否与自身有联系。

若前述2个判别结论都为是，则执行步骤5），否则放弃该通信报文，等待接收下一次通信报文。

5) 虚拟局域网内接收端判断接收的通讯节点是否为控制执行节点；

判别控制命令接收通信节点是否为控制执行设备，若为是，则执行6）；若为否，则该通信节点为中继传输节点，该中继传输节点解析接收的报文，提取与自身节点有关联的下级控制执行节点数量、各控制执行节点序号、各控制节点遥控数量、遥控序号、遥控值、各控制节点遥调数量、遥调序号、遥调值信息，结合自身节点序号、接收端口组播MAC地址、下一级虚拟局域网内接收端口组播MAC地址信息组织报文，并通过发送端口向下一级虚拟局域网中发送。

此步骤的接收端会对所有收到的报文进行甄别，识别报文是否与自己有关。如图2所示，2个二级虚拟局域网中的通信处理单元为中继传输节点，一级虚拟局域网及2个二级虚拟局域网中的风机、光伏控制装置为控制执行节点。

6) 控制执行节点解析并执行控制命令；

控制执行设备解析接收的报文，通过控制执行节点序号提取与自身节点有关联的遥控数量、遥控序号、遥控值、遥调数量、各调序号、遥调值信息，并执行。

随后判断是否结束控制操作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于虚拟局域网组播技术的新能源电站控制方法，其特征在于：所述控制方法的步骤包括：

S1，定义新能源电站通信节点编号；

S2，将新能源电站通信设备划分为多级虚拟局域网，定义通信传输组播MAC地址；

S3，监控系统向第一级虚拟局域网中下发控制命令；

S4，虚拟局域网内接收端接收控制命令；

S5，虚拟局域网内接收端判断控制命令是否发向当前接收端或接收端所属通信节点；是则执行S6，否则丢弃控制命令；

S6，虚拟局域网内接收端判断接收的通讯节点是否为控制执行节点；是则执行S7，否则对控制命令进行解析，向下一级虚拟局域网中下发控制命令后返回S4；

S7，控制执行节点解析并执行控制命令；

S8，判断是否结束控制操作；是，则结束控制操作；否，则返回S3。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟局域网组播技术的新能源电站控制方法，其特征在于：所述S1中新能源电站中的通信节点包括：监控系统、通信处理单元以及控制执行设备；其中，监控系统为发送端，负责下发控制命令；通信处理单元负责中转控制命令，具有发送和接收功能；控制执行设备为接收端，负责接收控制命令并执行。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟局域网组播技术的新能源电站控制方法，其特征在于：所述S1中通信节点的编号定义为4位16进制数字。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟局域网组播技术的新能源电站控制方法，其特征在于：所述S2中的虚拟局域网等级划分操作为：将所有与监控系统有直接控制信息交互的通信节点规划为第一级虚拟局域网；将第N级虚拟局域网中作为控制命令接收作用的通信处理单元作为N+1级虚拟局域网中的控制命令发送端，此通信处理单元与接收其控制命令的通信处理单元及控制执行设备规划为N+1级虚拟局域网。

5.根据权利要求1所述的基于虚拟局域网组播技术的新能源电站控制方法，其特征在于：所述S2中的新能源电站各虚拟局域网的组播 MAC地址包括：一个发送端组播MAC地址和一个接收端组播MAC地址；所述组播 MAC地址为12位16进制数字，组播MAC地址起始地址为01-0C-CD-00-00-00，组播MAC地址结束地址为01-0C-CD-ff-ff-ff。

6.根据权利要求1所述的基于虚拟局域网组播技术的新能源电站控制方法，其特征在于：所述S3中监控系统向第一级虚拟局域网中下发的控制命令为以组播方式发送的快速控制报文；所述快速控制报文格式中包含的属性包括：报文头、发送端节点MAC地址、发送端节点序号、接收端节点MAC地址、关联控制执行总节点数目、控制执行节点序号、控制执行节点遥控数目、遥控序号、遥控值、控制执行节点遥调数目、遥调序号、遥调值和校验位。

7.根据权利要求6所述的基于虚拟局域网组播技术的新能源电站控制方法，其特征在于：所述快速控制报文的报文头为：EA 80 EA 80 EA 80，快速控制报文的校验位采用循环冗余校验CRC和校验算法验证。

8.根据权利要求6所述的基于虚拟局域网组播技术的新能源电站控制方法，其特征在于：所述S6中判别控制命令接收通信节点不是控制执行设备时，则该通信节点为中继传输节点，所述中继传输节点解析接收的快速控制报文，提取与自身节点有关联的下级控制执行节点数量、各控制执行节点序号、各控制节点遥控数量、遥控序号、遥控值、各控制节点遥调数量、遥调序号、遥调值信息，结合自身节点序号、接收端口组播MAC地址、下一级虚拟局域网内接收端口组播MAC地址信息组织报文，并通过发送端口向下一级虚拟局域网中发送后返回S4。

9.根据权利要求6所述的基于虚拟局域网组播技术的新能源电站控制方法，其特征在于：所述S7中控制执行设备解析接收的快速控制报文，通过控制执行节点序号提取与自身节点有关联的遥控数量、遥控序号、遥控值、遥调数量、各调序号、遥调值信息，并执行控制操作。