厚石网络工业交换机在风力发电中的应用

    近日，深圳市厚石网络科技有限公司市场总监吴林先生发表工业交换机在风电应用的看法，全文如下：

吴林先生表示，目前，我国已经成为全球风力发电规模最大、增长最快的市场。根据全球风能理事会（Global Wind Energy Council）统计数据，全球风电累计装机容量从截至2001年12月31日的23，900MW增至截至2021年12月31日的486，749MW，年复合增长率为22.25%，而同期我国风电累计装机容量的年复合增长率为49.53%，增长率位居全球第一；2021年，我国新增风电装机容量23，328MW（临时数据），占当年全球新增装机容量的42.7%，位居全球第一。

数据来源：国家统计局

随着风力发电场的大量建设，风场信息化管理系统、风机远程监控系统也随之被大量应用。这些系统应用环境恶劣，需要管理型宽温工业交换机进行网络支持，所以中国风电市场对工业交换机的要求也越来越高。

一、风力发电领域对于交换机的要求

通信网络的根本任务是解决风电场系统的实时信息交换，而网络是不可或缺的功能载体，那么构建一个可靠、实时、高效的网络体系是通信的关键之一。在风电场系统中对通信设备的要求主要体现在以下几个方面：

1、可靠性

由于电力生产的连续性和重要性，通信网络的可靠性是第一位的，应避免一个装置损坏导致通信中断。特别是数字、图像信息的多媒体技术的应用，我们会更加依赖通信网络，因此，一个可靠的通信网络是首要条件。

2、安全性

保证远程监控数据的安全性，工业交换机需要具备网络管理和安全设置功能。

3、实时性

因测控数据、保护信号、遥控命令等都要求实时传送，虽然正常工作时，通信网络内数据流不大，但出现故障时要传送大量的数据，要求信息能在通信网络上快速传送。

4、环境适应能力

风电场应用环境恶劣，长年风沙严重，昼夜、冬夏温差大，要求交换机工作温度范围较宽，拥有较高的防护等级。在风电场中存在非常强的电磁干扰，要求交换机拥有极强的抗电磁干扰能力。

二、风力发电系统中工业交换机应用方案分析

通过分析风力发电的实际需求，厚石网络提供的工业交换机组网方案主要从以下几个方面进行考虑：

1、采用统一和开放的协议，能够无缝连接不同厂商的网络设备，性价比高。

2、风场建在开阔地带，容易遭到强雷击侵扰，当地气候环境比较恶劣，风电设备本身工作时的机械振动和电磁辐射较大，因此风电场中心监控系统与风力发电机就地控制系统之间的通信可靠性十分重要，将直接影响整个风场机组监控系统的可靠运行。

3、因网络规模大，组网方案采用清晰的多层结构，从最根本的网络结构设计上简化网络的维护及管理，实现故障点的快速分离，确保系统的稳定运行。

4、组网方案必须具备一定的故障排除及快速自愈功能，能够针对设备故障、链路故障进行诊断及快速排除，并实时报警。

5、考虑到工业现场对实时性要求，采用环网设计理念，避免单条链路故障对网络的影响。

6、为了保证远程监控数据的安全性，交换机需要有全面的网络安全设置。

三、厚石网络工业交换机风电系统网络方案拓扑图

在本方案中，每个风机处放置一台IS3000系列工业交换机，风机处的工业交换机与控制中心处的IS3000系列工业以太网交换机通过光纤互联形成环网，然后控制中心的IS3000系列工业交换机通过RJ45以太网接口分别连接两台核心IS6000系列工业交换机，控制中心的服务器和主机采用双网卡分别接入两台核心交换机。

环网中的IS3000系列工业交换机启用ERPS协议功能，实现了网络链路的冗余，保障了网络的无忧切换，网络自愈时间≤50ms。在组网中启用交换机的VLAN虚拟局域网功能，将风电系统中不同的业务进行隔离，防止业务的广播风暴影响其他业务，并将交换机各业务接入端口开启广播风暴抑制功能，起到有效数据传输，无效数据抑制的作用，提高网络数据传输的安全性。同时采用QOS服务质量功能，根据不同的业务级别对交换机的接入端口进行带宽分配，提高网络数据传输的高效性。

网络拓扑如下图所示：

四、厚石网络工业交换机方案的优势

厚石网络工业以太网交换机具有以下的优势：

1、支持快速冗余组网

厚石网络工业交换机支持标准协议ERPS，采用该协议可以搭建一个可靠的冗余网络，ERPS协议的网络收敛时间≤50ms。

2、抗干扰能力强

厚石网络工业交换机可以工作在严酷的电磁环境中，并且在数据口和电源端口防雷、快速脉冲群、静电放电等都有较高的防护等级。

3、宽温度设计，可应用于恶劣的环境

厚石网络工业交换机是宽温设计，工作温度：-40℃~75℃，存储温度：-40℃~85℃，满足恶劣工作环境的需求。

4、具有灵活的安装方式

厚石网络工业交换机支持卡轨式安装、机架式安装，灵活的安装满足多种场景的安装需求。

5、电源优势

厚石网络工业交换机支持双电源供电模式，支持宽电压输入，提高交换机供电的可靠性。

6、安全优势

厚石网络工业交换机通过以下措施来保证工业网络通信的安全性：

Ø  支持802.1x功能

802.1x协议是基于Client/Server的访问控制和认证协议。它可以限制未经授权的用户/设备通过接入端口(access port)访问网络。在获得交换机提供的各种业务服务之前，802.1x对连接到交换机端口上的用户/设备进行认证。在认证通过之前，802.1x只允许EAPoL（基于局域网的扩展认证协议）数据通过设备连接的交换机端口；认证通过以后，正常的数据可以顺利地通过以太网端口。达到了接受合法用户接入，拒绝非授权用户的访问，保护网络安全的目的。

Ø  支持ACL（访问控制列表）功能

访问控制列表（Access Control List，ACL） 是交换机接口的控制指令列表，用来控制端口进出的数据包。配置ACL后，可以限制网络流量，允许特定设备访问，指定转发特定端口数据包等。为了保证网络之间的安全性，需要通过安全策略来保障非授权用户只能访问特定的网络资源，从而达到对访问进行控制的目的。简而言之，ACL可以过滤网络中的数据报文，是控制访问的一种网络技术手段。

Ø  支持VLAN（虚拟局域网）功能

VLAN 是一种将局域网设备从逻辑上划分成一个个网络，从而实现将一个大的物理网络分隔成多个虚拟工作组数据交换技术。这些设备和用户不受物理位置的限制，可以根据功能、部门及应用等因素设定为一个群组，使它们之间通信像在同一个物理分段中。

Ø  支持QOS（服务质量）功能

QoS（Quality of Service，服务质量）是用各种手段解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。当网络过载或拥塞时，QoS 能确保重要业务量和关键应用不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。

厚石网络工业交换机采用了CoS、DSCP、本地优先级策略，保障了关键数据的实时可靠传输。

Ø  支持端口镜像功能

端口镜像（port Mirroring）功能通过在交换机上，将一个或多个源端口的数据流量转发到某一个指定端口来实现对网络的监听，指定端口称之为“镜像端口”或“目的端口”，在不严重影响源端口正常吞吐流量的情况下，可以通过镜像端口对网络的流量进行监控分析，在网络出故障的时候，可以快速地定位故障。

厚石网络工业交换支持镜像监控端口的入口数据、出口数据，也可以同时监控端口的出、入口数据。

Ø  支持流量控制功能

交换机的流量控制可以预防因为广播数据包、组播数据包及因目的地址错误的单播数据包数据流量过大造成交换机带宽的异常负荷，并可提高系统的整体效能，保持网络安全稳定的运行。

厚石网络工业交换机支持对端口的出口、入口数据进行限速配置。

Ø  支持风暴抑制功能

广播风暴是指广播的泛洪数据充斥网络无法得到处理，并占用大量的网络宽带和资源，导致正常业务不能运行，甚至彻底瘫痪。

广播风暴控制是允许端口对网络上出现的广播风暴进行过滤。开启广播风暴过滤后，当端口收到的广播帧累计到预定门限值时，端口将自动丢弃收到的多出广播帧。当未启用该功能或广播帧未累计到门限时，广播帧将被正常广播到交换机的其它端口。设备系统风暴过滤的对象分别为广播/未知单播/未知组播三种，对于三种报文的操作和工作原理均一样。

Ø   支持告警功能

厚石网络工业交换机支持不同事件的继电器告警、告警灯告警、trap告警、日志告警，支持的事件包括：电源告警、端口UP/DOWN告警、环网拓扑变更告警、环路检测告警、配置变更告警、温度告警、CPU告警、内存告警等，当触发事件告警时，继电器将处于闭合状态，告警灯亮，交换机向trap主机发送trap告警信息，并将告警信息记录在日志中。

网管人员依据以上信息掌握设备的运行状况，及早发现问题，及时进行配置设定和排障，保障网络安全稳定地运行。