过程层网络（精选10篇）
过程层网络 篇1
1 引言
从目前智能变电站的建设来看, 智能变电站已经成为了未来变电站的重要发展趋势。通过了解发现, 智能变电站的核心技术主要是过程层具有较大的技术优势, 这一技术优势决定了智能变电站比普通变电站具有更强的应用特性。所以, 我们在针对智能变电站的研究中, 要积极展开过程层的研究与分析, 要将过程层的网络性能测试技术作为主要的技术要点进行研究, 把握过程层网络性能测试技术的要点, 保证过程层的网络性能测试技术能够发挥积极作用。因此, 我们有必要对智能变电站过程层的概念及组成进行分析, 明确智能变电站过程层的组成要求, 对过程层网络性能测试技术进行积极的试验和测试, 保证该技术能够发挥积极的作用, 提高智能变电站过程层网络性能测试技术研究的最终效果。
2 智能变电站过程层概念及组成分析
对于智能变电站而言, 过程层是其重要组成部分, 也是智能变电站与传统变电站的重要区别, 所以我们要对智能变电站过程层的概念有准确的了解。就智能变电站来说, 主要采用了分层网络系统、分布网络系统、开放式网络系统实现系统连接, 其中过程层是最底层的系统, 属于一次设备和二次设备相结合的层面, 其任务主要是对设备的状态进行监测, 并执行系统的操作和控制命令, 同时对运行的电气量进行采集, 并完成系统基本状态变量的输入和输出, 保证信号数字化。
智能变电站的过程层组成主要包含以下几个部分:变压器、断路器、隔离开关、电流/电压互感器等一次设备及其所属的智能组件以及独立的智能电子装置。智能变电站与传统变电站的区别主要在于一次设备和二次设备的选择上。智能变电站主要采用电子式互感器, 传统变电站采用的是电磁互感器。智能变电站采用了智能开关, 传统变电站采用了传统开关。此外, 最突出的特征是智能变电站可以实现多个智能电子设备信息传输, 所采用的传输协议主要是GOOSE和采样值机制。
3 智能变电站过程层的基本组成要求
3.1 采样值传输技术的基本要求
在智能变电站的过程层与间隔层之间要想实现信息通信, 就需要借助采样值传输技术, 而智能变电站的过程层与间隔层的信息传递过程中数据流往往很大, 需要使用电子式互感器进行保护, 所以采样值传输技术对实时性有特殊要求。采样值传输是变电站自动化系统过程层与间隔层通信的重要内容, 智能变电站过程层上最大的数据流出现在电子式互感器和保护、测控之间的采样值传输过程中。采样值报文 (以及跳闸报文) 的传输有很高的实时性要求, 即使在极端情况下也要确保报文响应时间是可确定性的。根据IEC61850-9-2标准定义, 采样值传输以光纤方式接入过程层网络, 间隔层保护、测控、计量等设备不与合并单元直接相连, 而是通过过程层交换机获取采样值信号, 以实现信息共享。
3.2 GOOSE实时传输技术基本要求
GOOSE是一种面向通用对象的变电站事件, 其基于发布/订阅机制, 能快速和可靠地交换数据集中的通用变电站事件数据值的相关模型对象和服务, 以及这些模型对象和服务到ISO/IEC8802-3帧之间的映射。智能变电站中GOOSE服务主要用于智能一次设备、智能单元等与间隔层保护测控装置之间的信息传输, 包括传输跳合闸信号或命令, GOOSE报文数据量不大但具有突发性。由于在过程层中GOOSE应用于保护跳闸等重要报文, 必须在规定时间内传送到目的地, 因此对其实时性要求远高于一般的面向非嵌入式系统, 对报文传输的时间延迟在4 ms以内。
3.3 合并单元与智能终端技术的基本要求
在智能变电站过程层的合并单元中, 主要对工作地点有具体要求, 要求必须是无爆炸危险, 并且远离干扰源、同时要在室内, 并具有防静电功能。智能终端技术主要是与GOOSE技术对接的系统, 因此要求能够与GOOSE技术实现同步传输。首先, 合并单元正常情况下的对时精度应为±1μs, 守时精度范围为±4μs。其次当外部同步信号失去时, 合并单元应该利用内部时钟进行守时。当守时精度满足同步要求时, 采样值报文中的同步标识位“Smp Synch”应为TRUE。当守时精度不满足同步要求时, 采样值报文中的同步标识位“SmpSynch”应为FALSE。
4 智能变电站过程层的三网合一方案分析
在智能变电站过程层的三网合一方案中, 主要采用了IEC61850-9-2采样信息、GOOSE信息、IEEE1588对时信息共网传输。间隔层与过程层合并单元遵循IEC61850-9-2标准, 与过程层智能终端采用GOOSE通信协议。过程层网络按间隔配置独立的间隔交换机, 各间隔通过主干网交换机组成过程层网络实现信息共享。
本方案的优点是实现了GOOSE、采样值传输、IEEE1588三网合一, 最大程度地实现了信息共享, 网络结构清晰, 节省了大量的光缆, 便于设计、维护, 是代表未来技术发展的一种方案;但由于网络技术的要求比较高, 技术难度大, 且欠缺有效的冗余手段, 其可靠性受到一定的质疑和担忧。因此, 基于IEC 62439标准的PRP冗余技术得到广泛的关注。
5 智能变电站过程层网络性能测试技术研究
为了有效保证智能变电站过程层的正常工作, 我们需要对过程层的网络性能进行测试。针对三网合一的智能变电站过程层, 我们需要利用采样值传输、GOOSE技术及IEEE1588技术对三网合一的可靠性和传输效率进行测试。目前主要的方式是通过试验测试GMRP组播协议稳定性、IEEE1588性能检查、大背景流量下网络试验、时钟切换试验、智能终端动作固有延时测量和同步报文的拷机能力。通过这些试验, 得出智能变电站过程层的网络性能的结论。
6 结束语
从本文的分析可以看出, 在智能变电站过程层的网络性能测试中, 我们选用了试验测试GMRP组播协议稳定性、IEEE1588性能检查、大背景流量下网络试验、时钟切换试验、智能终端动作固有延时测量和同步报文的拷机能力的方法, 并取得了积极效果。所以, 我们要利用这一有效的试验方法, 实现对智能变电站过程层网络性能的测试。
摘要：对于目前智能变电站而言, 其技术核心在于具有过程层, 而过程层也成为了智能变电站区别于不同变电站的重要特征。为了保证智能变电站过程层的有效性, 通常我们要对过程层的网络性能进行测试, 而网络性能测试技术成为了保证测试过程实现的关键。所以, 我们要对智能变电站过程层的网络性能测试技术进行深入研究, 并以三网合一作为实际案例, 对智能变电站过程层的网络性能测试技术进行探讨。
关键词：智能变电站,过程层,网络性能测试技术
参考文献
[1]宋丽君, 王若醒, 狄军峰, 等.GOOSE机制分析、实现及其在数字化变电站中的应用[J].电力系统保护与控制, 2009, 14.
[2]易永辉, 王雷涛, 陶永健.智能变电站过程层应用技术研究[J].电力系统保护与控制, 2010, 21.
三层网络架构要点及设计方案 篇2
柳工现有信息系统全面覆盖了企业的产品开发、供应链管理、生产制造和销售服务四大方面主体活动，成为柳工生产活动中重要的支撑。
目前柳工信息网是一个大型的二层网络架构：
1、核心区域：两台Cisco4506作为整个网络的核心，分别负责厂区网络、研究院网络、数据中心、互联网和异地事业部广域网的接入；
2、园区区域：所有部门及下属公司的计算机都划分在几个业务VLAN内，使用Cisco2960和2950交换机作为接入层设备；
3、异地事业部：租用不同运营商线路接入至数据中心机房的Cisco3550交换机上；
4、服务器区域：使用6台Cisco2960G作为接入，使用双链路上联核心交换机；
5、互联网区域：3条不同运营商的线路汇聚到一台Cisco2960上。外部SSL-VPN用户通过互联网链路接入深信服VPN设备直接拨入到内网。内部访问互联网则通过ISA防火墙后从三个互联网出口出去。
二、层网二络向三层网络转变的必要性
2.1网络拓扑
柳工目前网络是一个以二层局域网交换为主的网络，缺少必要的三层路由规划和网络安全规划。现有网络架构不能满足应用系统未来的需求，不足以支撑未来业务的发展。
同时，缺乏汇聚交换机和光纤链路资源，使得大量的接入交换机采用级联的方式实现上联。这样容易导致链路不稳定和链路带宽得不到保障。因此需要优化网络拓扑，合理选择汇聚节点，变二层网络为更加稳定的三层网络。
2.2明确网络各功能区域
网络系统需要按功能进行区分：如广域网、生产网、研发网络和数据中心等。柳工现有的网络结构不具备真正的广域网、数据中心、研发网络和生产网络等功能划分。因此需要明确网络各功能区域，实现分级分域安全防护。
2.3 IP地址/VLAN规划
柳工目前使用一个B类地址和若干个C类地址，网络中进行了有限的VLAN划分。但由于VLAN规划不细致，造成广播域过大，给网络的稳定运行带来了隐患。
柳工未来的IP地址分配建议采用DHCP动态分配辅助静态部署。服务器设置静态地址，客户机动态获取IP。动态分配由于地址是由DHCP服务器分配，便于集中化统一管理。每一个接入主机都能通过非常简单的操作就可以获得正确IP地址、子网掩码、缺省网关、DNS等参数，在管理的工作量上比静态地址要减少很多。非常适合大型网络的需求。
综上所述，二层网络架构转变为三层网络架构，势在必行，否则将不足以支撑日益扩大的网络规模和业务发展需求。
三、整体设计方案
3.1 模块划分
通过参考和借鉴目前先进的网络设计理念和其他企业网络设计经验，依据全面性原则和模块化设计原则，将整个网络总体框架划分为六大网络区域：即核心交换区、园区网、数据中心、广域网、研发网和互联网。同时IP地址和VLAN规划贯穿在各网络区域的设计中。
3.2差异化分析
采用差异化分析的方式来确定网络中的不足之处，提出网络优化的方法和所能够达到的目标。
对网络各组成部分具体分析，具体如下：
3.2.1 园区网
现状：园区网核心设备超负荷运行，核心交换机4506CPU负荷超70%；园区网是一个大型二层网络，终端用户基本分布在VLAN1中，过大的广播域给网络的稳定带来潜在风险。接入层设备大量采用级联方式上连核心，部分接入交换机带宽利用率仅有30%。
规划目标：提升园区网核心设备处理能力，从而提高网络整体的处理能力。调整网络层次，变两层网络为三层网络架构，新增合理的汇聚节点。用动态路由协议规划核心层和汇聚层的路由，提供快速收敛和高可扩展性。
3.2.2 数据中心
现状：数据中心网络与园区网之间界线不清，存在很大的可用性，扩展性问题；同时缺乏数据中心安全防护措施。
规划目标：搭建独立的数据中心网络架构，建设数据中心的整体安全防护架构。
3.2.3 广域网
现状：广域网缺乏冗余链路。广域网是一个二层交换网，没有三层路由，不能对重要业务做QOS保障，并且网络设备比较陈旧。
规划目标：增加冗余链路保证广域网的稳定可靠性。规划广域网路由，用专用路由器代替现有设备，通过有关技术手段保证重要应用数据的传输。
3.2.4 研发网络
现状：缺乏独立的研发网网络架构，缺乏对研发网的安全防护措施。
规划目标：搭建独立研发网网络架构，在组网方式上采用物理隔离，在传输过程中采用逻辑隔离。建立研发网的安全防护架构，增强网络的高安全性，同时保证业务数据的安全管理。
3.2.5 互联网
现状：缺乏细化的互联网管理规范，互联网安全防护设备陈旧且防护手段单一。
规划目标：完善全网的互联网出口，加强安全防护措施。完善统一安全控制策略和互联网访问规范。
3.2.6 IP地址和VLAN
现状：IP地址分配VLAN划分精细度不够，用户主要集中在VLAN1中，广播域太大。IP地址主要采用静态分配方式，管理缺乏灵活性。
规划目标：统一IP地址管理，优化IP分配和VLAN划分规范。
四.实施规划
4.1园区网
按照三层架构进行规划设计，合理设置汇聚节点。优化接入层设备的接入，最终形成完善的三层架构园区网。网络设备的更新换代，用高性能的核心设备替换原有的核心交换机，提升园区网的整体处理能力。加强对接入层设备的集中管理，逐步替换不可网管的接入设备。以园区网为主要承载平台的统一无线系统部署。
4.2数据中心
增设数据中心核心交换机，建设数据中心整体安全防护系统；增设数据中心接入交换机，承担服务器的接入。
4.3广域网
增设广域网核心路由器和广域网防火墙，增加广域网冗余链路，完成异地事业部接入路由器的改造。
4.4研发网
增设研发网核心交换机和研发网边界防火墙，更换研发网的接入交换机，实现基于身份的网络准入控制。
4.5互联网
完成互联网边界防火墙的改造、互联网代理系统改造和ISP链路的动态负载，同时优化互联网的出口管理（上网行为管理，流量监控）。
4.6 IP地址规划
已使用网段的地址，在新的规划中不再使用；启用新的IP地址段：172.17.0.0/16共65535个IP地址划分为255个C类的IP子网，分配给广域网，局域网和数据中心使用；启用IP地址段：10.0.0.0/24，分配给特殊需求的IP，如：双机热备系统的心跳IP。该段地址不参与路由，并且需要使用VLAN隔离。启用IP地址段：10.1.0.0/16，分配10.1.1.0/24给VPN地址池，其余保留给未来的外联网络。
5.总结
过程层网络 篇3
关键词：数字化变电站,过程层,采样网络,同步域,再同步机制
0 引言
基于硬接线的传统模拟量采集方式是自然同步的,不存在采集量同步问题;而在数字化变电站[1,2,3]中,同步域划分及合并单元(MU)的再同步机制对网络采样模式的数字化继电保护系统的可靠性有着极其重要的影响。动模试验表明,在MU失去同步的情况下,将无法保证数字化继电保护系统动作的可靠性。本文针对浙江某数字化变电站工程在动模试验中暴露出的过程层采样网络同步域和再同步机制问题进行了分析,并提出了相应的解决方法。
1 二次重采样
图1比较了传统保护与数字化保护装置在结构体系上的区别。原有的单一保护装置被拆解成了远端采样模块、TA-MU通信网络、MU、过程层采样总线、数字化保护装置。其中最为重要的是,传统保护装置内部的数据总线现延伸到了整个过程层,形成了过程层采样网络,同时也引入了对数字化保护系统可靠性有重大影响的“二次同步重采样”技术。
如图2所示,目前TA-MU装置对二次同步重采样典型的处理方法是:远端模块依据各MU控制的采样脉冲自由采样;当自由采样数据序列传送至MU后,再由MU根据在各MU间同步的二次同步采样脉冲使用两点插值算法次同步采样脉冲的同步性决定于不同MU装置时钟间的同步性,因此对于使用来自多个MU数据的保护(如母线差动保护和变压器差动保护),不同MU间能否保持各自时钟的同步将决定保护系统的可靠性。目前,厂商的通行做法是在MU失步后闭锁相关保护。
2 动模试验结果分析
2.1 某数字化变电站同步域问题
某数字化变电站采用合并单元、保护装置、测控装置、网络分析仪等装置使用全站统一网络时钟源的模式,如图3所示。这种模式在站内网络时钟源与GPS卫星失去同步后再恢复同步时,由于各合并单元的同步处理机制问题会出现同步时间长或因数据失步导致保护装置短时间闭锁的情况。
2.2 再同步处理机制存在的问题
根据动模试验结果,本文总结了需要重点考虑的再同步处理机制的问题。
(1)失步判断机制。MU装置如何判断失步,失步后是否要立即置失步位?
(2)守时能力。考虑电力系统的实际运行模式及高精度守时模块的制造成本,MU合理的守时精度是多少?
(3)再同步机制。这包括上电同步方式、什么时候置同步标志位、GPS时钟与卫星再同步采用快拉还是慢拉(立即再同步会导致多MU源保护闭锁;而如果每次调整的偏差为3μs,那么10min的时差需要46天才能补偿到位)?
(4)时间与时钟的关系。从保护系统的角度出发,只需要一个能够保证MU和保护装置(主要指线路差动保护)局部同步的时钟即可;而从调度的角度出发,需要给监控系统、保信子站、录播系统及PMU等一个广域同步时钟,即时间。再同步机制问题本质上就是局部时钟同步与广域时钟(时间)同步间的矛盾。
2.3 再同步处理机制比较
表1比较了动模试验中的的五种合并单元再同步处理机制的异同。由此可见,目前各厂商的做法大相径庭,且厂家并不了解电网公司运行规程对保护系统所提出的要求。
2.4 再同步处理机制的讨论
根据动模试验结果,并结合实际电网运行规程,提出再同步处理机制。
(1)推荐的失步判断机制:下一个同步脉冲该来而没有来时开始守时,超过守时时间后,置失步标志。
(2)推荐的守时机制:若仅考虑运行人员对主备网络时钟的重启操作,则守时精度至少能保持15min;若需要检修人员参与设备维护与更换,则守时精度至少能保持2h。
(3)推荐的再同步机制:启动后,5min内能跟踪到卫星,网络时钟就在与卫星对时后再发对时报文,否则网络时钟先发对时报文,对时后再慢拉。运行中的再同步一律采用慢拉方式,以避免保护发生闭锁。
2.5 MU时钟同步域的讨论
实际工程中,因为天气异常、天线安装位置不当、GPS装置故障等原因易频繁出现GPS与卫星失去同步的情况,UTC时间模式下每年一次的时间补偿也会导致GPS时钟发生跳变,所以对于使用单一时钟域模式的继电保护系统,无论如何改进MU间的再同步处理机制均无法完全避免出现保护闭锁或调度侧收到的间隔层信息时标不准的情况。由于这个问题源于全站统一时钟域的机制,因此无论采用1588、B码或其它对时手段都无法避免。考虑到电网对继电保护系统的高可靠性要求,保护装置必须不受广域对时系统的影响;而故障录波器、PMU、报文分析仪、保信子站等对广域时间有依赖性的装置仍直接使用1588等手段直接与广域时钟对时。
事实上,局部时钟与广域时钟(即时间)的矛盾也是可以解决的。例如,GE的Brick方案通过每个保护装置控制它自身的采样保持信号(S&H)以保证与之相关的合并单元的同步性,并使用二次采样保证每个保护装置与广域时钟的同步性。
本文提出的双时钟域方案如图4所示。在该方案中,需要使用两套网络主备时钟:所有的过程层设备为一个时钟域,且该时钟域不需要与外部时钟同步;站控层设备为另一时钟域,且该时钟域需要与广域时间同步以保证调度中心收到数据的时标是广域同步的。过程层时钟域上送的数据与广域时钟域的同步是通过时钟转换网关实现的:同时跨接在两个时钟域的时钟转换网关每整秒在站控层广播两个时钟域的绝对时间,保护、测控装置及站控层设备在上送和下发数据前可根据该数据进行修正。修正算法如下:
式中,TLocal为当前局部时钟;TWide为当前广域时钟;为最近一次收到的广域时钟;为最近一次收到的局部时钟。
此外,录波器、网络分析仪和PMU装置也需要同时与两个网络时钟源同步,并且在数据采集和处理过程中进行类似的时间修正处理(但是处理方法上需要更加精确)。
这种方案通过将过程层时钟源与广域时间源从逻辑上分开,使全站保护、测控等装置的广域动作时序信息能够得到准确反映;同时,过程层采样的可靠性也不会受到外界的影响。
3 结束语
本文分析了在动模试验中暴露出的过程层采样网络同步域划分和再同步机制问题,并提出了采用双时钟域方案和新的再同步机制,以有效保证在全站时间源再同步或失去外部对时信号的过程中保护系统的可靠性。
参考文献
[1]朱炳铨,王松,李慧.基于IEC 61850 GOOSE技术的继电保护工程应用[J].电力系统自动化,2009(08):18-11
[2]邱智勇,陈建民,朱炳铨.基于IEC 61850标准的500kV三层结构数字化变电站建设[J].电力系统保护与控制,2009 (12):12-15
过程层网络 篇4
[关键词]网络在线考试；详细设计；架构
详细设计中的一个主要任务就是架构设计。根据需求阶段的规划，进行网络在线考试系统的架构设计时，选择了三层架构。由于使用三层架构进行系统开发的基础是要搭建系统框架。本文将从三层架构的介绍入手，通过完成基于三层架构的“在线考试系统”框架的搭建，让读者掌握三层架构的搭建过程。该过程重点在于表示层、逻辑层、会话层的构建及用户创建各层之间依赖关系的模型层的实施。难点在于实施模型层过程中的各个实体类的创建。
1.三层架构模式的介绍
在早期开发应用程序时大多数是基于Windows模式设计，在这种环境中一般程序设计人员设计考试系统时主要是采用C/S架构完成。程序一般时运行在一个局域网内，采用两层架构的设计思路就可以完成要求。而对于这种模式的考试系统对于学生使用地域上产生了很大的影响，必须要组织学生在同时同地完成考试。为此，提出基于Web模式设计考试系统是可以解决这些问题的。对于采用Web模式开发的考试系统之前有使用ASP、PHP、JSP等工具完成的，当然这些开发工具各有各自的优点和缺点，本文主要讨论的是开发的架构，对于具体采用的语言不作分析和研究。
无论程序设计人员采用何种开发工具，目前在对于网络编程中使用的架构是客户端、业务处理端以及数据存储端的三层架构。使用这种严格的三层架构来对应用软件进行开发时将极大的提高了程序模块化设计，提高了应用软件运行的效率。当然采用这中架构设计的软件在今后的扩展和维护上也带来了很大的好处。
从应用软件开发技术角度上说，三层架构的“三层”是指用户界面表示层（UI）、业务逻辑层（BLL）和数据访问层（DAL）。
（1）用户使用的界面一般称为客户端或表示层
客户端是用户直接与应用软件建立关系的窗口，用户对软件需要完成的基本操作以及实现数据的输入输出等都是通过客户端完成的。
（2）业务处理端又称为逻辑层
对应用软件的业务处理都通过逻辑层完成的，业务的处理效率以及执行的优劣情况都是通过业务层来实现，因此逻辑层将承担非常重要的任务。程序设计人员开发开发时需要投入大量的精力在对程序的业务处理端。对于不同的开发语言在业务端的建立有不同的方法，可以通过创建类库、Web Service等形式完成对业务处理代码的封装。对于复杂的业务处理可以建立业务应用程序，加入中间件技术等完成。
（3）数据访问层
数据对于应用软件是必不可少的，所有的应用软件都会采用数据库作为系统中实现交互处理的数据存储。数据访问主要是为用户提供数据交互的平台，程序员可以通过在数据库中创建各种数据操作对象完成相关操作，比如创建存储过程、视图、角色等。
2.网络在线考试系统设计
在线考试系统的架构：先创建解决方案（取名Online），在解决方案下创建4个项目：第1个项目是用户界面表示层（取名OnlineWeb）；第2个项目是业务逻辑层（取名OlineBll）；第3个项目是数据访问层（取名ONlineDal）；除了这3个项目之外，还有一个模型成（取名OnlineModels）。下文将逐个给出各个层次中的每个程序的设计考虑。
本程序对考试系统的分析主要分为3个功能部分：用户登录、考生考试和交卷部分。各部分分别调用多个模块。
（1）验证模块
一般应用程序都有验证模块，通过验证模块可以防止非法用户对管理系统的使用。验证模块的设计不仅是用户使用系统的通道，更是对系统数据保护的重要措施。在验证模式的实现时可以加入防止SQL注入、SSL加密等技术以提高其安全性。
（2）时间控制模块
对于考试系统，需要模拟传统的考生时间规定。在考试系统中能够自动完成时间的设定以及对时间的控制等功能。考生只能在规定的时间内作答，当考试时间达到设定的值将能够对考生进行提醒和锁定考试。
（3）生成试卷模块
考试系统中一个重要的模块就是生成考试试卷，对于考试试卷的生成原则是需要根据设定的难易程度完成自动组卷。生成试卷的形式可以是传统的考试试卷形式，也可以是带答题卡的试卷形式。
3.总结
系统任务是根据需求分析阶段产生的规格说明书导出系统的实现方案。在本任务中基于概要设计说明书来实施目标系统的设计过程。本文简述了网络在线考试系统架构设计时采用三层架构，将整个业务划分为：用户界面表示层（UI）、业务逻辑层（BLL）和数据访问层（DAL）。目的是为了在系统开发过程中实现系统各个模块的“高内聚，低耦合”。
参考文献
[1]张仁龙，李晓华.计算机基础课程考试系统的设计[J].北京农学院学报，2007（S1）
[2]李美满.基于COM技术的通用考试系统的设计与实现[J].计算机工程与应用，2007（01）
[3]闫薇，尹心平.VBA技术在计算机基础考试系统设计中的应用[J].齐齐哈尔大学学报，2006（03）
[4]付细楚，邹北骥.基于组件的考试系统的研究与实现[J].计算机工程，2005（24）
[5]叶青，徐春凤.数据库原理无纸考试系统的设计与实现[J].长春理工大学学报，2005（02）
过程层网络 篇5
数字化变电站技术在国内电网中得到越来越广泛的应用,其二次设备的网络化结构使计算机网络通信技术在变电站技术中发挥了重要作用。VLAN技术在计算机网络通信中是相对比较新的技术,但其在IT领域已经得到广泛应用,并发挥着明显优势。数字化变电站过程层网络信息传输的安全性和实时性要求,使VLAN技术在数字化变电站中应用成为可能,也就是将VLAN工业化应用于数字化变电站过程层网络。利用VLAN可以在同一网络设备上实现不同网络间的逻辑隔离,抑制网络风暴,使数字化变电站过程层网络传输更加快速和安全可靠。
1 VLAN的概念
VLAN (Virtual Local Area Network)也称为虚拟局域网,它根据需要将一个物理上相互连接的网络划分为多个不同的广播域,使数据只能在各自的广播域内传输,也就是在各自的VLAN里转发,各个VLAN之间数据相互不可见。现以图1为例说明,某公司同一栋楼分为3层,每层内都分布有工程部门(ENG)、人力资源部门(HR)和销售部门(Sales);将不同部门划分为不同的VLAN,各楼层的同一部门划在同一个VLAN内。这样,虽然在同一楼层内各个部门的网络通过同一交换机进行物理连接,但它们之间却不在同一个广播域内,某部门的任意一台主机不能接收其他部门中主机发送的广播信息;而不同楼层的同一部门之间是通过楼层交换机连接后再上中心交换机的,能够直接接收本部门内其他任一台主机发送的广播信息。
由此可以看出,一个VLAN就是一个平面网络,一个广播域。它可以不考虑用户的物理位置,而根据功能、应用等因素将用户从逻辑上划分为一个个功能相对独立的工作组,每个用户主机都连接在一个支持VLAN的交换机端口上并属于一个VLAN。同一个VLAN中的成员都共享广播,形成一个广播域,而不同VLAN之间广播信息是相互隔离的。一般来说,如果一个VLAN里面的工作站发送一个广播,那么这个VLAN里面所有的工作站都接收到这个广播,但是交换机不会将广播发送至其他VLAN上的任何一个端口。如果要将广播发送到其他的VLAN端口,就要用到3层交换机进行路由。本文旨在讨论VLAN技术在数字化变电站中的应用,由于数字化变电站过程层各个VLAN间不需要进行通信,因此,本文不涉及VLAN路由问题。
2 VLAN中的数据传输机制
一个VLAN就是一个平面网络,一个广播域。VLAN的数据传输实际上就是广播传输,下面具体分析一下广播的传输过程。
在同一个平面网络中,广播帧、多播帧(Multicast Frame)和目标不明的单播帧(Unknown Unicast Frame)都能在同一个广播域中畅通无阻地进行传输。图2是一个由5台二层交换机(交换机1～5)连接了大量客户主机构成的一个平面网络。假设这时主机A需要与主机B通信,在以太网的通信中,必须要在数据帧中指定目标主机的MAC地址才能正常通信,因此主机A必须先广播“ARP请求(ARP Request)信息”,来尝试获取主机B的MAC地址。交换机1收到广播帧(ARP请求)后,会将它转发给除接收端口外的其他所有端口,也就是进行Flooding了。接着,交换机2收到广播帧后也会Flooding。交换机3、4、5也还会Flooding。最终,ARP请求会被转发到同一平面网络中的所有客户主机上。
事实上,广播帧会非常频繁地出现。利用TCP/IP协议栈通信时,除了前面出现的ARP外,还有可能需要发出DHCP、RIP等很多其他类型的广播信息。大量的这些广播信息传遍整个网络,很容易造成信息堵塞,导致网络风暴。
3 数字化变电站过程层网络结构
目前数字化变电站过程层基本上都完全网络化了,并且实现双网合一的组网方式,即电流、电压及相角等遥测量采集和保护跳闸、重合、遥控等命令均通过过程层交换机进行转发。在这种结构中,合并单元的电流、电压数据经过过程层交换机进行转发,上送到测控、保护装置;保护跳闸及重合命令、测控的遥控操作命令等,经过过程层交换机转发到过程层智能操作箱执行,并且在结构上实现了SV网与GOOSE网双网合一的模式。本文所述的VLAN,也就是基于过程层的这种网络结构来进行划分的。
4 数字化变电站过程层数据传输的实时性和安全性要求
4.1 实时性要求
在变电站中采样值必须实时地传输到相应的保护测控设备,才能保证保护等二次设备的正常工作(不发生误动或拒动)。同时,保护设备发出的GOOSE跳闸必须实时快速地传输到一次设备上,否则将导致拒动,造成严重后果。在IEC61850通信标准中GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event,变电站通用事件)报文提供了功能强大的IED到IED的通信机制。最严格的要求是Type 1A Trip快速报文,总传输时间要求小于3 ms,包括两头的IED处理时间加网络延时。对于大的网络,比如20台交换机构成的100Mbps网络,网络传输时间可能会超过2 ms,这就有可能影响保护动作。IEC61850中对GOOSE报文定义了最高优先级,Highest Class of Sevice (CoS—IEEE802.1P) in the Network,因此数据的网络传输过程中GOOSE报文被置于存储转发的最前面,而且正在发送的GOOSE报文不被中断,如图3所示。
4.2 安全性要求
数字化变电站过程层数据传输的安全性要求主要体现在3个方面:(1)网管安全性,即需要对交换机上交换的数据进行监视并可对交换机进行配置;(2)分隔数据流,必须防止网络风暴产生或大量无用广播信息蔓延;(3)端口安全性,要能拒绝非法对网络进行访问。VLAN主要是解决第二个和第三个安全问题。
5 VLAN将过程层网络逻辑隔离
从过程层网络数据传输的要求可以看出,过程层数据传输对可靠性要求是非常高的。下面分析如何利用VLAN技术来完成过程层数据网络传输的要求。
利用VLAN技术对过程层网络进行数据流分割和网络上的逻辑隔离,能降低网络风暴出现的概率,减少数据网络传输的时延。从VLAN数据传输过程可以看出,无论平面网络内的主机要与哪一台主机通信,都需要将要传输的数据进行无谓的广播,广播的结果是导致所有的计算机都收到了它。如此一来,一方面广播信息消耗了网络整体的带宽,另一方面,收到广播信息的计算机还要消耗一部分CPU来对它进行处理,这就给网络带宽和CPU运算能力造成了很大负担。
那么,VLAN是如何对广播域进行分割的呢?首先,在一台未设置任何VLAN的二层交换机上,任何广播帧都会被转发给除接收端口外的所有其他端口(Flooding)。如图4所示,计算机A发送广播信息后,会被转发给端口2、3、4。
这时,如果在交换机上将1、2端口和3、4端口分别划分到2个不同的VLAN(图5),再从连在1端口的主机发出广播帧的话,交换机就只会把它转发给同属于一个VLAN的2端口,不会再转发给属于另一个VLAN的3或者4端口。同样,连在3端口的主机发送广播信息时,只会被转发给属于同一VLAN的4端口,不会被转发给属于另一VLAN的1或者2端口。这样,VLAN通过限制广播帧转发的范围分割了广播域,从而降低了产生网络风暴的危险,同时也减少了数据在网络上传输所需要的时间。
6 数字化变电站中VLAN划分及注意事项
通常,VLAN的划分有4种方式,即基于端口的VLAN、基于MAC地址的VLAN、基于路由的VLAN和基于策略的VLAN。基于端口的VLAN是最简单、最有效的VLAN划分方法,该方法只需网络管理员针对网络设备的交换机端口进行重新分配并组合在不同的逻辑网段中即可,而不用考虑该端口所连接的设备是什么。这种VLAN属于静态VLAN。在数字化变电站过程层网络中,由于需要参与通信的设备基本都是固定的,因此最宜采用基于端口的方法进行VLAN划分,以减少开销,达到数据传输过程中用时最短的目的。本文不对其他划分VLAN的方法展开讨论。
过程层网络划分VLAN时,应根据需要,尽量将欲参与通信的各方划到一个VLAN之内,而不同遥测量采集及跳闸通道应划分为不同的VLAN,必要时可以做到逻辑意义上的点对点采集和点对点跳闸。同时,B网交换机VLAN划分必须与A网交换机VLAN划分保持一致。以某主变间隔为例,对于主变高压侧,设高压侧模拟量采集VLAN为VLAN 1,也就是说VLAN 1是专门用来对该主变高压侧进行模拟量采集的,参与通信的设备应该有主变高压侧合并单元MU(采集主变高压侧电流)、母线电压合并单元MU (采集母线电压)、主变高压侧后备保护装置、主变差动保护装置、主变高压侧测控装置。这些设备所连接的交换机端口都应划分到VLAN 1中去,否则处于VLAN 1以外将不能接收到主变高压侧的模拟量数据。若还需要增加与VLAN 1内设备进行数据传输的设备,只需将该智能设备IED所连接的交换机端口划分到VLAN 1中即可。
VLAN划分过程中还应该始终注意:(1)同一个交换机端口既可以属于VLAN A,也可以属于VLAN B,它可以同时属于几个VLAN;(2)一台交换机上所能划分的VLAN是有限制的,而不是无限的,具体限制是多少取决于交换机本身,应根据交换机说明书进行划分。
7 结语
数字化变电站过程层网络数据传输一直以来是数字化变电站技术中的一项薄弱环节,其是否能达到变电站保护准确动作的要求直接关系着数字化变电站技术的成败。将计算机网络通信中的VLAN技术工业化应用于数字化变电站过程层网络数据传输中,既为满足数字化变电站过程层网络数据传输实时性和安全性要求做出了极大贡献,同时也使VLAN技术扩大了应用领域。但在使用过程中,应特别注意如何更好地将数字化变电站过程层组网方式与VLAN技术的数据传输特性相结合,使VLAN技术的优越性充分体现,让数字化变电站过程层网络更加安全、更加坚固。
参考文献
[1]高翔.数字化变电站应用技术[M].北京:中国电力出版社,2008
[2]方丽华.数字化变电站技术丛书:设计分册[M].北京:中国电力出版社,2010
[3]曹海鸥.数字化变电站GOOSE组网方案[A].第四届江苏省电机工程青年科技论坛论文集[C].江苏省电机工程学会,2009
过程层网络 篇6
智能变电站是变电站自动化技术的发展趋势,是智能电网的重要组成部分[1,2]。网络化的通信系统是智能变电站的重要特征,是变电站新技术发展及各种高级应用功能实现的基础。
随着近几年智能变电站的成功投运,基于工业以太网交换机技术的通信网络解决方案基本满足了变电站的通信需求。但是,工业以太网交换机仍然存在一些亟需解决的问题,如网络结构复杂、组网成本高[3,4,5]、信息共享受限[6]以及无法较好地纳入变电站统一监控平台[7,8]等。
本文研制的电力专用交换机解决了工业以太网交换机现存的问题,并满足新一代智能变电站提出的“共网共口”、“网采网跳”以及标准化网络配置与监控的需求[9,10]。以下将介绍电力专用交换机的设计架构以及电力专用交换机组建的过程层网络,并通过模拟测试系统对过程层网络传输的关键性能指标采样值(Sample Value,SV)离散度、面向通用对象的变电站事件(Generic Object Oriented Substa tion Event,GOOSE)时延、时钟精度等进行研究和测评。
1 电力专用交换机
电力专用交换机是针对智能变电站中数据流的应用特点和实际的变电站工程应用情况而研制的[10],其架构如图1所示,主要功能部件有数据处理模块(FPGA)、交换模块(Switch)和微处理模块(CPU)等。
1)数据处理模块实现对变电站数据报文的处理,分析报文的虚拟连接关系,为每条报文分配恰当的独占资源,避免报文间的相互干扰,并实现报文的智能配置;记录报文的时间戳和计算报文的延时,标注到报文的适当字段,便于报文的同步跟踪,利于继电保护的网络化实现;对站内交换机的配置信息和状态信息等进行基于IEC61850的模型化处理,利于二次设备的统一监视、管理。
2)交换模块负责常规的二层以太网报文处理功能,如虚拟局域网(Virtual Local Area Network,VLAN)、服务质量(Quality of Service,Qo S)、网络时间协议(Network Time Protocol,NTP)等。
3)微处理模块实现交换机的高级应用功能管理、配置以及资源的有效规划和对故障的诊断监测等。
与智能变电站目前采用的工业以太网交换机技术[11,12]相比,电力专用交换机可以把站内网络通信的特定需求实行固化操作,满足了新一代智能变电站的特殊需求。下面针对电力专用交换机在智能变电站过程层网络的应用性能指标进行测试研究。
2 通信网络的应用测试研究
为了验证电力专用交换机是否满足智能变电站过程层通信网络的应用需求,针对三网合一模式(SV、GOOSE和IEEE1588共网传输模式)和国家电网公司采用的直接采样组网模式分别进行了相关的应用性能测试研究。
根据某工程实际情况搭建测试平台,采用星型拓扑,220 k V为双母线接线、3台主变、6条出线,110 k V为双母线接线、28条出线、8组电容器、2个厂用变,系统网络如图2所示。全站由4台集中式保护装置完成保护测控功能,220 k V主干交换机1和9个间隔交换机各接5台合并单元(Merging Unit,MU),进行数据采集。集中式保护通过1 000 M接口与过程层交换数据,间隔内采用100 M接口通信。
测试设备包括用于模拟网络背景数据的美国福禄克(Fluke)报文发生仪2台,模拟GOOSE报文的母差保护装置2台以及过程层接口插件测试工具一套,网络报文记录分析仪一套,1588测试仪一套等。为便于描述,下文中的测试案例均从图2环境中截取。
2.1 SV报文抖动测试
测试SV报文经过电力专用交换机的离散度,测试案例如图3所示。MU发送的8路采样SV报文经过电力专用交换机,被网络记录分析仪捕获,并记录结果(见图4)。
从图4的测试结果可以看出,发送8组SV报文的离散度偏差在±5μs之内,并且主要集中在±1μs内,说明电力专用交换机的抖动和时延非常小,可以满足《智能变电站继电保护技术规范》中“MU采样值发送间隔离散度应小于10μs”的要求。
2.2 SV转发精确控制测试
SV报文对实时性和可靠性要求很高,文献[6]推荐SV报文采用点对点的光纤直接传输,虽然这样能保障SV报文的可信传输,但是增加了设备的接口数量和光纤数量,同时不利于SV报文的信息共享。因此,探索SV报文通过通信网络传输很有必要。
图5a使用电力专用交换机搭建通信平台测试SV报文网络传输时的时延及抖动。4台MU装置各自发送1路SV报文,SV报文经过2台通过100 M网口级联的电力专用交换机,最后传输到网络协议分析仪,网络协议分析仪捕捉SV报文并进行分析处理。经过长达72 h的拷机测试,电力专用交换机运行正常,SV报文传输通畅,没有丢包现象出现,100 M级联口也没有丢帧现象,测试统计结果如图6所示。
从图6的统计结果可以看出,电力专用交换机通过网络传输SV的均匀性误差小于1μs,满足了智能变电站过程层直采SV均匀性不大于1μs的要求。
为了模拟在有网络风暴的情况下测试网络传输SV报文,即SV报文的压力测试,设置了如图5b所示的测试案例。FLUKE1网络测试仪施加优先级高于SV报文的业务信息,并配置业务保障带宽为70 Mbit/s,3路SV正常的业务数据的保障带宽为10 Mbit/s。测试验证表明,施加背景流量100 M时,不会影响其他3路SV业务的传输,FLUKE2接收的背景流量带宽为70 M,说明FLUKE1的风暴没有影响到其他3路正常的SV业务传输。
2.3 GOOSE转发时延测试
测试GOOSE报文传输时延,测试案例如图7所示,模拟母差保护GOOSE报文网络跳闸情况。母差保护发出的GOOSE报文一分为二,一路经过主干电力专用交换机和间隔电力专用交换机到达智能接口装置,电力专用交换机的级联接口采用1 000 M光口,数据接口采用100 M光口,GOOSE报文传输到间隔电力专用交换机后被网络协议分析仪捕获并打上时间标记;另一路GOOSE报文被网络协议分析仪捕获并打上时间标记。
测试结果如图8所示,时延偏差值单位为μs。从图8中可知电力专用交换机传输GOOSE报文的时延偏差值大致在4.50μs以内,可以满足智能变电站过程层通信传输的应用需求,符合《智能变电站继电保护技术规范》中“传输各种帧长数据时交换机固有时延应小于10µs”的规定。
2.4 IEEE1588时钟精度测试
IEEE1588时钟精度将会影响到传输报文的同步,智能变电站中特别是SV报文的传输对报文的同步要求非常高,一旦报文失步,将引起保护装置闭锁乃至误动。通过IEEE1588测试仪对电力专用交换机发送测试报文,测试报文经过交换传输后返回到测试仪,测试仪对接收到的报文进行时间对比,通过连续测试72 h,测试结果如图9所示。从时钟相对主时钟时间偏差范围为±70 ns内,满足《QDW/429-2010网络交换机技术规范》中“P2P透明时钟单级传输精度小于±200 ns”的要求。
为了跟踪IEEE1588时钟同步稳定性,通过使用SV相位比较法长期拷机测试(见图10)。拷机72 h后,以MU1的通道为基准通道,各MU相应通道的最大相位误差为0.038°,约为2.28μs,该误差包含MU重采样,保护装置从80点抽成24点重采样带来的误差,此时电力专用交换机转发SV、GOOSE、IEEE1588时钟报文无异常现象。
3 结语
信息网络化传送是新一代智能变电站的重要特征,本文针对智能变电站过程层重点关注的SV离散度、GOOSE时延以及对时精度等性能指标进行了模拟测试研究,测试结果表明电力专用交换机在过程层网络的通信性能指标可以满足应用需求。为了确保电力专用交换机在新一代智能变电站中的可靠、安全应用,下一步将研究电力专用交换机在实际的变电站环境中的应用,为变电站通信网的建设做进一步的探索研究。
参考文献
[1]Q/GDW 383-2009:智能变电站技术导则[S].2009.
[2]IEC 61850:Communication networks and systems in substations[S].2004.
[3]陈志光,张延旭,曾耿晖,等.变电站过程层网络特定通信服务映射(SCSM)及其对实时性的影响分析[J].电力系统保护与控制,2012,40(21):96-101.CHEN Zhi-guang,ZHANG Yan-xu,ZENG Geng-hui,et al.Realtime analysis of specific communication service mapping in process level network of substation[J].Power System Protection and Control,2012,40(21):96-101.
[4]刘明慧,赵晓东.智能变电站过程层网络流量管理方式研究与应用[J].电力系统保护与控制,2012,40(23):87-92.LIU Ming-hui,ZHAO Xiao-dong.Research and application of process level network flow management in smart substation[J].Power System Protection and Control,2012,40(23):87-92.
[5]穆世霞,田青,张明,等.智能变电站数字物理混合仿真培训系统研究与应用[J].陕西电力,2015,43(7):92-97.MU Shi-xia,TIAN Qing,ZHANG Ming,et al.The study and application on intelligent substation digital physical hybrid simulating and training system[J].Shaanxi Electric Power,2015,43(7):92-97.
[6]Q/GDW 441-2010:智能变电站继电保护规范[S].2010.
[7]张小建,吴军民.智能变电站网络交换机信息模型及映射实现[J].电力系统保护与控制,2013,41(10):134-139.ZHANG Xiao-jian,WU Jun-min.Information model and mapping implemen tation of ether net switches in smart substation[J].Power System Protection and Control,2013,41(10):134-139.
[8]李锋,谢俊.基于IEC61850的智能变电站交换机IED信息模型[J].电力系统自动化,2012,36(7):76-79.LI Feng,XIE Jun.IEC61850 based information model of switch intelligent electronic device for smart substation[J].Automation of Electric Power System,2012,36(7):76-79.
[9]国家电网公司.新一代智能变电站示范工程成果总结[R].2014.
[10]肖明斌,黎强,梁阳,等.基于SNMP的智能变电站交换机运行状态监测[J].电力信息与通信技术,2015,13(11):42-47.XIAO Ming-bin,LI Qiang,LIANG Yang,et al.Operation state monitoring based on SNMP protocol for switch in smart substation[J].Electric Power Information and Communication Technology,2015,13(11):42-47.
[11]荀思超,沈雨生,王小波,等.SDN在新一代智能变电站通信网中的应用[J].电力信息与通信技术,2016,14(1):49-52.XUN Si-chao,SHEN Yu-sheng,WANG Xiao-bo,et al.The application of SDN in next-generation smart substation communication network[J].Electric Power Information and Communication Technology,2016,14(1):49-52.
水平井钻井过程油气层保护探讨 篇7
1 水平井钻井过程中油气层特点及油气层保护措施
1.1 水平井钻井过程中油气层损害特点
同直井相比, 水平井中钻井液造成污染的程度更为严重, 污染带的位置也略有不同。水平井油气层损害有以下几个特点:
(1) 水平井钻井中, 钻穿油气层长度比直井长, 因而钻井液与油气层的接触面积比直井大得多, 钻开油气层段的时间也要长得多, 造成污染的机会随之增加。
(2) 钻水平井段易形成岩屑床, 钻柱与岩屑反复研磨和挤压会产生更多的亚微粒子进入油气层造成损害。
(3) 水平井完井通常不采用射孔完井, 无法利用射孔穿透污染带减少污染的方法, 增加了消除损害的难度。
(4) 水平井钻进油气层时的压差比直井高得多。对于同一油气层来说, 其孔隙压力是相同的, 但随水平井段的延伸, 钻井液的流动阻力不断增加, 此压力直接作用在油气层上, 因而压差随水平井段所钻长度的延长而增加, 油气层的损害随压差的增大而更加严重。
(5) 水平井中每单位长度产油段的压力降比直井低, 因而生产中反排清除固相侵入造成孔喉或裂缝堵塞的能力下降。
1.3 水平井钻井过程中的油气层保护措施
保护油气层要从两方面着手, 一方面是从油气藏本身的特性, 如岩石的结构、矿物组成、胶结状况和粘土的成分等来确定是否存在一些潜在的构成对油气层伤害的因素。另一方面是针对油气藏的特点, 采取恰当的钻开油气层的措施和完井方法, 针对水平井损害机理和特点, 结合现有工艺技术, 目前可采取的油气层保护措施主要有:
(1) 实施油气层专打, 应采用近平衡压力钻开油气层, 降低钻井液进入油气层的强度。
(2) 应用优快钻井技术, 快速钻完水平段, 从而减少油气层浸泡时间。
(3) 采用无固相优质钻井液体系。这样既可以减少滤失, 也可以避免因钻井液中的固相造成的伤害。
(4) 把无固相优质钻井液体系与暂堵技术有机结合起来使用, 可以大大减小钻井完井液进入地层的机会, 从而提高油气层保护效果。
(5) 在钻井设备中必须配备功能齐全的固控设备, 及时清除钻井完井液中的无用固相颗粒。
(6) 完井时, 选用适当的滤饼处理技术, 最大限度地疏通渗流通道。
只有以上措施和管理做到位了, 才能取得好的油气层保护效果, 实现少井高产。
2 水平井钻井过程油气层保护技术效果
2.1 油层暂堵保护技术
2.2.1 传统屏蔽暂堵技术
采用传统屏蔽暂堵技术后, 钻井液的渗透率恢复率有了明显提高。与不用屏蔽暂堵技术相比, 渗透率恢复率提高了20%, 平均堵塞比下降了74%, 显示出良好的油层保护效果。
2.2.2 广谱屏蔽暂堵技术
采用广谱屏蔽暂堵技术后, 钻井液平均动失水量减少了45.6%, 平均渗透率恢复率达到了85.8%, 相对于传统屏蔽暂堵技术提高了7.1个百分点。
2.2.3 超低渗透保护油气层技术
采用超低渗透保护油气层技术后, 不同钻井液体系的渗透率恢复率均在90%以上, 而且暂堵带的承压能力平均提高了69%。
2.2.4 广谱屏蔽暂堵+超低渗透保护油气层技术
广谱屏蔽暂堵+超低渗透保护油气层技术在最终动失水量、渗透率恢复率上明显优于单一的广谱保护油气层技术和超低渗透保护油气层技术。目前已成为了大港油田水平井主要的保
2.3 滤饼处理技术
再好的钻井液体系、再先进的钻井工艺技术, 也不可避免地会对油气层造成一定程度的伤害, 只是好的体系和工艺伤害会更小一些。水平井储集层损害机理研究结果表明:其主要机理是颗粒运移、固相堵塞, 因此, 水平井在完井后一般面临解除污染, 减轻完井液对储层的损害及对井下工具的堵塞, 恢复地层天然产能的任务。
(1) 物理解堵包括高温热处理、水力振荡、水力旋转喷射等是常用的物理解堵方法, 高温热处理的作用机理为:通过使粘土脱水和破坏粘土晶格, 补救与粘土相关的损害, 使堵塞水蒸发;热导应力在近井区域产生微裂, 增大近井地层渗透率。
(2) 化学解堵包括氧化型解堵剂和非氧化型解堵剂及酸液解堵剂。
氧化型解堵剂的解堵效果要好于非氧化型解堵剂。如二氧化氯、双氧水等, 其解堵机理为:强氧化剂通过氧化作用使聚合物分子变小, 使其失去桥联和附着作用, 从而将致密、坚韧的滤饼变为松散、破坏的结构。酸液解堵剂有常规酸、复合解堵酸液。常规酸包括盐酸、土酸、低伤害酸等。复合解堵酸是由有机酸和无机酸、添加剂 (清洗剂、破胶剂、缓蚀剂等) 复合而成。近年来国外还研究成功用酶或酶与聚合物接枝共聚形成的聚合物处理完井液, 效果良好。酶是由生物有机体生成的特殊蛋白质。起加速反应的催化作用, 在反应过程中不消亡, 活性不变。除可处理目标聚合物之外, 酶体系中其他物质还起活化作用, 既可避免腐蚀金属或溶蚀碎屑, 损害油气层, 又具有环保作用。当酶聚合物有效地解除暂堵带中的聚合物时, 与其粘结的碳酸钙粉亦被除去, 随地层中流体流人井眼, 可使储集层渗透率恢复。酶的解堵效果和关井时间取决于其浓度和井下温度, 关井时间一般为12~24h。为了取得更好的效果, 可先用酶处理, 再用低浓度 (5%~7%) 盐酸清洗, 清除井下碳酸盐颗粒等。需根据具体情况选用。
3 结语
在水平井钻井施工过程中, 要强化水平井保护油气层技术的研究及应用力度, 以达到满足水平井钻井技术日益进步的要求。加强水平井钻井工作基础性工作的开展, 深入研究储层的基本特征, 重点分析产生损害重要因素, 对重点油层保护的做好确认, 应当根据各个区块不同特定, 结合实际情况建立油气层保护剖面手册, 能够为选择钻井完井液和制订油气层保护方案提供依据。
参考文献
[1]甄剑武, 王中华, 雷祖猛, 杨建军, 赵虎, 杨勇.水平井钻井液及储层保护[J].油田化学.2010 (04)
智能变电站过程层故障仿真装置 篇8
随着计算机网络、光纤技术的发展,基于IEC61850标准的智能变电站技术开始广泛应用于电力系统。智能变电站一次设备的信号回路和操作回路采用微处理器和光电技术设计,常规的控制回路被可编程序代替,强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。继电保护装置接收的信号是电子式互感器的采样值报文和智能断路器的通用面向对象变电站事件(GOOSE)报文。电子式互感器、智能断路器、继电保护装置在运行过程中可能会产生各种异常状况,非对称式差动保护两侧采样系统可能会出现采样不同步现象,报文在网络传递过程中可能出现丢帧、超时等现象,继电保护装置应能作合理的处理,不至于出现保护误动或保护拒动[1,2,3]。
目前,由加拿大Manitoba高压直流研究中心开发的电力系统实时数字仿真器(RTDS)被广泛应用于智能变电站二次系统仿真测试[4,5],特别是应用于继电保护装置动态闭环测试。但是,RTDS通常不对智能变电站过程层通信故障进行模拟[6]。为了对继电保护装置进行全面的检测,本文采用“截取—修改—转发”的方式,人为地改变电子式互感器发出的采样值报文以及智能断路器、继电保护装置发出的GOOSE报文,使继电保护装置接受的报文出现异常,模拟过程层网络不同传输线上的通信故障;采用信息熵检测方法,监视采样值报文中的电压信号,实现过程层故障、电力系统故障的联合仿真。
1 继电保护装置测试方案
为满足智能变电站继电保护装置测试的需要,加拿大Manitoba高压直流研究中心遵循IEC61850标准,开发了用于RTDS的传输采样值报文和GOOSE报文的GTNET通信卡,其中GTNET-SV输出包含4路电流信号和4路电压信号的符合IEC 61850-9-2标准的采样值报文,GTNET-GSE接收或发送包含最多32个变电站事件的GOOSE报文[7,8,9]。图1所示为一种采样值网络与GOOSE网络混合组网的继电保护装置测试方案[10,11,12]。图中:虚框内为智能变电站一次系统仿真模型。B1,B2,B3为断路器;F1,F2,F3为故障点,用于对继电保护装置的功能测试;TA为电流互感器;TV为电压互感器。
虽然过程层网络通信异常和故障的种类是多种多样的,但对被检测的继电保护装置而言可分为报文异常、报文超时、报文丢失这3类。因此,可以在通信网络的传输线路上安置一个过程层故障仿真装置,有选择性地截取传输线上流通的报文,通过修改报文字段、延时发送报文、丢弃报文的方式模拟过程层故障。同时,跟踪采样值报文,及时发现电压电流突变,并以其突变点为契机制造过程层故障,实现过程层故障、电力系统故障的联合仿真,即模拟复合故障。这里,以图1中线路保护为例说明如何合理地选择故障仿真装置的接入位置。当F1点发生相间短路时,如果要让线路保护装置接受的采样值报文出现通信问题,可将故障仿真装置接于传输线b或c;如果要让线路保护装置接收的GOOSE报文出现通信问题,可将故障仿真装置接于传输线a或d,且要使故障仿真装置订阅GTNET-SV-3的采样值报文。
2 电力系统故障检测方法
信息熵[13,14]是量度物质系统不确定性和无序性的指标,在电力系统可靠性分析、故障诊断等领域得到了应用。这里,用采样值报文中的电压电流数据建立数据窗序列,根据该序列的信息熵大小确定电压电流是否存在突变点。采样值信息熵的计算步骤如下。
步骤1:将n个采样值报文中的某个电压数据或者电流数据ωi,i=1,2,…,n,作为信息熵的分析对象。为了既能快速检测出突变点又可以消除个别点的干扰,窗口长度n选为一个工频周期采样点数的1/20～1/10。由于现阶段的采样值报文的采样频率通常为80个采样点,故本文设n=8。
步骤2:将窗口内的数据依式(1)作差分预处理,滤除直流分量,减少低频分量,放大高频分量,形成增量序列{Wi},i=1,2,…,n-1。
步骤3:对增量序列进行平方运算,得到能量序列,i=1,2,…,n-1。
步骤4:依式(2)计算能量序列的概率分布pi。
步骤5:计算当前数据窗的信息熵H。
步骤6:移动数据窗,计算下一采样数据窗内的信息熵。
电力系统发生短路故障时,电流增大,而电压减小,体现在波形上就是信号有突变。突变点的出现使得能量序列的概率分布较不平均,信息熵值较小。
虽然电压突然减小和电流突然增大都使信息熵值变得较小,但电压突然减小时的信息熵变化更为明显。因此,本文通过对电压信息熵的分析来确定电力系统是否发生了短路故障或接地故障。
3 过程层故障仿真装置的硬件组成
本文设计的故障仿真装置除连接到网络通路上的A和B这2个网卡外,还设置了一个与PC机相连的C网卡。通过C网卡,故障仿真装置一方面接受PC机的故障仿真控制命令,另一方面向PC机上传故障仿真执行情况。
目前,GTNET通信卡、继电保护装置以及其他二次设备多采用百兆网卡,而网络交换机一般是千兆网卡。在通信网络中,高速接口一般向下兼容低速模式。因此,当故障仿真装置A或B网卡与交换机连接时,若网卡是千兆网口,网络传输速度可以达到千兆级,若网卡是百兆网口,网络传输速度只能是百兆级。为了减少故障仿真装置接入过程层网络引起的通信延时,本文把Marvell公司的千兆以太网物理接口收发器(PHY)芯片88E1111作为以太网收发器。该芯片支持千兆媒体独立接口(GMII),ten-bit interface(TBI),吉比特介质独立接口(RGMII),Reduced TBI (RTBI)等多种介质访问控制层(MAC)接口,能方便地实现10/100/1 000 Mbit·s-1的自动切换,并可连接传送电信号的RJ-45接口或者传送光信号的small form-factor pluggable(SFP)光模块。在报文接收方面,它可接收所有报文,也可通过过滤寄存器的设置只接收目的地址与本地物理地址相同的报文。
Altera公司提供的三速以太网IP核可在Arria GX,CycloneⅡ,CycloneⅢ系列现场可编程门阵列(FPGA)上工作,默认支持10/100 Mbit·s-1的DP83848C,10/100/1 000 Mbit·s-1的DP83865,88E1145和88E1111。为使FPGA连接3个88E1111和对不同网卡的报文作并行处理,本文采用了性价比较高的CycloneⅢ的EP3C25Q240C8作为故障仿真装置的控制芯片。该芯片共有约24 000个逻辑单元、240个管脚(其中含149个I/O接口)、66个18位内嵌乘法器、4个锁相环(PLL)以及594 KB的随机存取存储器(RAM)。
4 信息熵计算电路
Altera公司在Floating Point Megafanctions软件中没有提供浮点数累加运算,只能通过加法器来完成。如果有7个数相加,加法器是7级流水线,则需要6×7个时钟节拍的计算时间[15]。为加快信息熵算法的计算速度,本文设计了一种流水线级数较少的浮点数乘累加器,如图2所示。该浮点数乘累加器分为浮点数乘法和浮点数累加2个部分。浮点数乘法为2级流水线。第1级进行指数相加和尾数相乘运算;第2级根据尾数相乘结果调整指数位,并进行舍入截位操作。浮点数累加为3级流水线,分别为指数对阶、尾数求和及规格化。对阶是指阶码较小的2个操作数的尾数右移,使3个操作数具有相同的阶码。选择器根据清零信号选择输入端p或q的输入信号作为输出。经实验测试,图2所示的浮点数乘累加器能在100 MHz时钟频率下工作。
把式(1)改成ωi+1+(-1)ωi后可以直接采用乘累加器。式(2)中的计算在总和的计算之中完成,但必须要在总和计算出后才进行除法运算。用图2所示的乘累加器,Floating Point Megafanctions软件提供的6级流水线除法器和22级流水线对数器,采用复用技术搭建信息熵计算器,只需57个节拍即可完成信息熵值的计算。
5 过程层故障设置电路
为方便地实现过程层故障和电力系统故障的联合仿真,对PC机指令和电压信息熵进行综合,设计了如图3所示的过程层故障设置电路。
该电路由采样值缓冲通道、信息熵计算电路、信息熵寄存器、复合标志寄存器、故障类型寄存器、故障使能寄存器组成。其中,故障类型、故障使能寄存器的3位二进制数分别代表报文异常、报文超时、报文丢失(“0”为无故障,“1”为有故障)。当PC机发送解除故障命令“00000”时,复合标志置为“0”,故障类型和故障使能寄存器马上变为“000”;当PC机发送简单故障命令“10***”时,复合标志置为“0”,故障类型和故障使能寄存器同样马上变为“***”;当PC机发送复合故障设置命令“11***”时,复合标志置为“1”,故障类型立刻为“***”,待信息熵寄存器状态为“1”(电压跌落时刻)时,将故障类型的值复制到故障使能寄存器中去。
6 过程层故障发生电路
实际智能变电站过程层中大多传输通道中的数据流是双向的,为了能够模拟过程层网络中任意一条传输线故障,故障仿真装置必须具备对双向数据流同时设置故障的能力,即拥有2套完全独立的过程层故障发生电路,分别负责“A网卡的三速以太网IP核接收接口到B网卡的三速以太网IP核发送接口”通道和“B网卡的三速以太网IP核接收接口到A网卡的三速以太网IP核发送接口”通道。这样的设计虽然耗费了较多的硬件资源,但保证了数据流的平稳传输。过程层故障发生电路如图4所示。
图4中,过程层故障发生电路有报文分发、报文调度、报文转发、报文缓冲区4个模块组成。报文缓冲区是报文分发模块与报文转发模块之间的数据缓冲环节,由10个长度为1 522 B(以太网帧最大长度)的报文缓冲通道组成。报文调度模块是安排缓冲通道的控制模块,由10个通道计数器、1个空闲队列、1个就绪队列组成。其中,10个通道计数器与报文缓冲通道对应,用于指示其报文被转发的剩余时间;空闲队列用于存放空闲报文通道;就绪队列用于存放可转发报文通道。
报文分发模块。从三速以太网IP核接收缓冲中读取数据,且从空闲队列获取一个报文缓冲通道。如果报文为非处理对象,则直接将报文写入缓冲通道,其通道计数器置为零;如果模仿报文丢失,则直接将该报文丢弃,且把刚取得的报文缓冲通道放回到空闲队列;如果模仿报文异常,则将报文修改后写入缓冲通道,其通道计数器置为零;如果模仿报文超时,则直接将报文写入缓冲通道,其通道计数器置成超时量。
调度指示模块。观察所有报文缓冲通道的计数器,将到时的报文缓冲通道添加到就绪队列。
报文转发模块。从就绪队列中获取报文缓冲通道,读取其报文内容并写入三速以太网IP核发送缓冲,写入完毕后把该报文缓冲通道添入空闲队列。
7 试验分析
故障仿真装置接入过程层网络后会使信息传输延时增加[16],其增加程度与报文长度、装置接入点有关。这里,以图1所示的过程层网络为试验对象,将故障仿真装置分别接入传输线b,c,e中。实验中,2台网络交换机都采用杭州华三通信技术有限公司的千兆网速的S5042P,传输线c连GTNET-SV-3的一端改连到传输延时测量装置的发送端。当故障仿真装置接入传输线b,c时,传输线b连线路保护一端改连到传输延时测量装置的接收端;当故障仿真装置接入传输线e时,传输线g连母差保护一端改连到传输延时测量装置的接收端。为模拟真实的GTNET通信卡、继电保护装置网卡,传输延时测量装置的发送端和接收端的网速都设置成百兆。报文长度分别设置成100,500,1 000,1 522 B时,其增加的传输延时增量如表1所示。
从表1可以看出,由于采样值报文和GOOSE报文的长度一般在300 B左右,故障仿真装置引起的传输延时增量不超过3μs,不会对非故障仿真报文产生影响。
为检查信息熵计算器对电力系统故障检测的有效性,图1中F1点分别置于距离Ⅰ段、距离Ⅱ段、距离Ⅲ段保护范围。表2列出了用线路电压信息熵对故障发生时刻的判断偏差。
当故障发生在电压过零附近时,检测效果不够理想,甚至有检测不出的现象。但是,绝大部分的短路故障能够立刻被检测出来,可实现过程层故障、电力系统故障的联合仿真。
8 结语
过程层网络 篇9
关键词 网络教学平台；四层架构；负载均衡；网络存储技术
中图分类号：TP393.02 文献标识码：A 文章编号：1671-489X(2011)03-0079-04
Research and Implementation of Network Education Platform based on Four Tiers’ Architecture//Lv Huihong, Li Xinguang
Abstract Based on the characteristics and the current situations of campus’ network and according to the needs of network teaching, discusses how to build a high performance network education platform based on four tiers’ architecture, which will be integrated with server cluster technology, load balancing technology and network storage technology.
Key words network education platform; four tiers’ architecture; load balancing; network storage technology
Author’s address Cisco School of Informatics, Guangdong University of Foreign Studies, Guangzhou, China 510420
随着计算机技术、网络技术和多媒体技术的迅速发展，网络教学在高等教育中得到越来越广泛的应用。构建这种新型的教学模式不仅是教育信息现代化建设的需要，而且能充分发挥信息技术在高等教育教学中的优势，遵循现代教育技术模式，促进教育理论、教学观念、教学方法和教学内容的改革，提高教学质量和效益，培养学习者高效的学习能力与方法，以及在信息社会生存发展中解决实际问题的能力[1]。
随着网络教学的进一步深入，校园网中的数据流量和并发用户数迅猛增长。各个学校开始面临海量数据超负荷传输，网络服务器超载的问题，经常会出现因网络服务器超载、服务器速度太慢而影响学生学习兴趣和效率的现象，严重时服务器会因不堪重负而中断服务，所以构建能够满足大量的、并发的请求的服务系统越来越重要。
1 数字化网络教学平台的建设目标
在教育教学活动中，为了更好地促进教育信息现代化建设，提高教学整体性水平和教育教学效率，优化教育教学资源，网络教学的开展、实施需要一套开放、方便、高效的网络教学支撑平台，则该教学平台的构建成为首要问题和关键所在。在本课题中需要实现的这个平台主要有下面几点要求。
1）数据存储共享：为了提高某一应用的并发访问量，需要多台服务器作为同一种应用服务器，因此需要在这些服务器之中实现存储数据的共享。
2）数据读写速率：作为应用服务器，校园网用户使用过程要求读写速度快，不能出现应用被中断的情况。
3）存储容量要求：首次需求大约10 TB容量的光纤磁盘阵列，满足3～5年的在线扩容需求。
4）扩展性需求：服务器和应用可以平滑增设。
5）能够对存储网络进行集中的和远程的管理和监控，并实现存储单元的优化管理。
6）定期数据备份需求。
7）可靠性需求：保证各应用的365×24小时运行。
2 基于四层架构的数字化网络教学平台的构建
要构建一个能支持万级用户的，能提供稳定服务的高性能的网络教学平台，不能简单地在一台高性能的服务器上安装任意一套网络教学软件，而必须对教学平台的每一个要素进行仔细的研究。下面探讨如何有效运用Web服务器集群负载均衡技术，结合网络存储系统，构建具有万用户数级别和高鲁棒性的数字化网络教学平台。
2.1 网络教学平台的四层体系结构
目前的网络教学平台大部分采用Browser/Server（下文中用简写B/S表示）三层体系结构，通过对这种体系结构的网络教学平台的研究，发现这种三层结构的系统不能很好地满足万用户数级别的数字化网络学习的需求。其主要原因是网络教学中教学资源种类繁多，数据量大，随着在线学习人数的不断增多，使Web服务器的负载急剧增加，严重时Web服务器会因不堪重负而中断服务。因此，采用基于四层架构的数字化网络学习平台体系结构，四层分别为表示层（Presentation）、业务层（Business Logic）、应用层（Applications Service）、数据层（Data Service），如图1所示。
四层的体系结构是把三层B/S结构的大量的事务处理逻辑模块从Web服务器的任务中分离出来，由单独组成的应用层来担负其任务，把负荷均衡地分配给应用服务器，这样大大减轻Web服务器的负载，基本上消除Web服务器可能产生的性能瓶颈。于是，体系结构由原来的三层B/S结构转变成四层Browser/Web Server/Applications Server/Data Server结构。这种结构不仅兼备Client/Server和Browser/Server的特点，而且负责业务处理的应用服务器和数据处理的数据库服务器可以是一到多个，使得大型系统中的数据库和应用程序组件可以被分布于不同的服务器上运行，使系统更合理、更灵活、更具扩展性。
2.2 服务器集群解决方案
在数字化网络教学中，由于各种网络应用随着业务量的提高，访问量和数据流量的快速增长，其处理能力和计算强度也相应地增大，服务器必须具备提供大量并发访问服务的能力。在仅靠不断增加带宽和提高单台服务器的性能的方式提高访问速度收效甚微的情况下，可以使用多台服务器通过网络设备相连组成一个服务器集群，每台服务器都提供相同或相似的网络服务。服务器集群前端部署一台负载均衡设备，负责根据已配置的均衡策略将用户请求在服务器集群中分发，为用户提供服务，并对服务器可用性进行维护。
网络负载均衡提高了诸如Web服务器、FTP服务器和其他关键任务服务器上的因特网服务器程序的可用性和可伸缩性。通过将两个或两个以上高级服务器的主机连成群集，网络负载均衡就能够提供关键任务服务器所需的可靠性和性能。因此，负载均衡技术是建立一个高负载Web站点的关键性技术，负载均衡为提高网络教学平台的可靠性、服务能力有很大的帮助。
1）关于负载均衡。负载均衡（Load Balancing）是基于现有网络结构，以扩展原有网络设备和服务器的带宽、增加网络吞吐量、加强数据处理能力、提高网络的灵活性和可用性为目的，解决网络供应量和业务需求量之间矛盾的一种廉价、有效、透明的方法[2]。负载均衡是一种策略，它能让多台服务器或多条链路共同承担一些繁重的计算或I/O任务，从而以较低成本消除网络瓶颈，提高网络的灵活性和可靠性。
通常，采用负载均衡的目的有两个，一是将大量的并发访问或数据流量分担到多台节点设备上分别处理，以减少用户等待响应的时间；二是将单个重负载的运算分担到多台节点设备上做并行处理，每个节点设备处理结束后，将结果汇总，然后返回给用户，使系统处理能力得到大幅度提高。
在数字化网络教学平台中应用负载均衡技术的主要原因是高校校园网具有良好的网络环境，而网络教学平台具有面向大规模用户群体，对系统的实时性、稳定性以及数据的一致性、完整性要求高，且集多种服务于一体的应用特点。
2）负载均衡的实现。本课题研究的负载均衡是采用Cisco Catalyst 6500系列内容交换模块，属于硬件负载均衡方式。Cisco内容交换模块（CSM）是一个Catalyst 6500线卡，可将客户机流量均衡分配至服务器、防火墙、SSL设备或VPN终端设备。CSM为企业和互联网服务供应商（ISP）网络提供一个高性能、经济有效的负载均衡解决方案。CSM能满足为高速内容提供网络的需要，实时跟踪网络会话和服务器负载情况并将每个会话传送至最适当的服务器。容错型CSM配置保持全状态信息，并提供关键功能所需的真正无中断故障转换。
内容交换模块CSM提供三方面的主要优势。①市场领先的性能。每秒建立多达20万条第4层连接并提供高速内容交换，且同时维持100万条同步连接。②为大型数据中心和ISP提供杰出性价比，具有较低连接成本且仅占较少空间。CSM安装于新型或现有Catalyst 6500的一个插槽中，可使Catalyst 6500中所有端口用于第4层到第7层内容交换。多个CSM能安装于同一Catalyst 6500中。③方便的配置。与配置Catalyst 6500交换机使用相同的Cisco IOS命令行界面（CLI）。
网络教学平台的负载均衡实现方案：第一步，建立2台真实服务器，在本课题中，2台服务器的IP地址分别为202.201.96.13和202.201.96.14；第二步，建立IP地址为222.201.96.114的虚拟服务器，该服务器存在于网络交换机内容交换模块中，是永远在线的；第三步，建立虚拟服务器如何判断真实服务器是否在线的方式，在本课题中运用“心跳协议”技术实时监控，采用ping的方式中的内容交换机来检查真实服务器的健康状况；第四步，当虚拟服务器收到服务请求后，采用自适应负载均衡策略，选择在线的真实服务器提供服务。
经过上述负载均衡配置后，服务器222.201.96.13与服务器222.201.96.14对外提供服务器的IP为222.201.96.114，用户在4个小时内连接222.201.96.114，都会与相同的服务器（222.201.96.13或者222.201.96.14）进行连接，并且Cisco内容交换模块CSM会根据这两台服务器的工作状态和能力来分配服务器负载，保证服务的可靠性，使整个系统能更高效地响应用户的请求。
2.3 数字化网络教学平台存储解决方案
存储系统作为校园网应用与数据的底层保障架构，它的结构决定了这个校园网的应用服务能否正常运行。
1）存储模式的选择。从架构上来分，现有的网络存储系统主要包括直接附加存储（DAS）、网络附加存储（NAS）和存储区域网络（SAN）。
直接附加存储（DAS）是以服务器为中心的存储结构，服务器实际上起到一种存储转发的作用。当客户连接数增多时，I/O总线将会成为一个潜在的瓶颈，并且会影响到服务器本身的性能，严重情况下甚至会导致系统的崩溃。
网络附加存储（NAS）实际上是一个带有瘦服务器的存储设备，其作用类似于一个专用的文件服务器。为方便存储到网络之间以最有效的方式发送数据，NAS专门优化系统硬软件体系结构，多线程、多任务的网络操作系统内核特别适合于处理来自网络的I/O请求，不仅响应速度快，而且数据传输速率也很高。但是NAS存储技术基于文件传送，而在数据库中是基于数据块（Block）传送，如果存储要应用于大型数据库中，需要频繁地传送数据块。当它存入NAS设备前，必须经过拆分，转为文件，方可存入；而读取数据时，又必须由多个文件组成块，方可为数据库所识别和调用。反复地转换势必影响I/O速率，降低数据库应用效率。
存储网络（SAN）把数据以块为单位进行管理，采用具有更高传输速率的光纤通道（Fiber Channel）连接方式和相关基础结构。它的设计和实现途径为它带来更高的处理速度，而且SAN还是基于自身的独立的网络，它允许数据流直接从主网络上卸载，并降低请求响应时间。由于SAN存储系统是建立一个独立的网络存储系统，因此，它的扩展能力在理论上可以达到无限扩展，因而对于中小企业转变为大型企业时，并不需要组建另外的存储系统，只需要增加存储设备就可以满足需要。
SAN克服传统存储技术难以实现高效能存储的特点，为高速存取共享信息提供良好的解决方案，它将成为未来存储系统的主流模式。根据不同存储系统的分析、系统需求分析和设计原则，在网络教学平台中采用的是SAN网络存储系统。
2）服务器存储空间的实现。本课题研究的SAN存储系统为Dell EMC CX700网络存储系统。CX700配备有4个3 GHz的处理器和8个后端光纤通道磁盘端口，还具有最大的可扩展性：CX700的线性磁盘可扩展到240个驱动器，高速缓存性能为200 000 IOP和1 520 MB/s。CX700配备有全套的高级CLARiiON存储软件，是业界最全的。这些软件包括：通过EMC Navisphere Management Suite提供的简单、自动化、基于Web的管理功能；通过SnapView软件提供的基于阵列的本机复制功能；通过MirrorView提供的同步和异步远程镜像功能，该功能在保护业务连续性方面非常有效（构建SAN必须购买）；通过metaLUN设备配置功能和多阵列管理功能实现的强化能力；通过PowerPath软件提供的动态负载均衡和故障I/O切换功能。
CX700在设计上可同时支持多达256部HA主机，故可大大简化存储的整合过程。CX700符合绝大多数常用服务器操作环境的要求，例如Windows、UNIX、Linux和NetWare等平台，而且在SAN、NAS、DAS和iSCSI环境中运行时具有高度的灵活性。本课题的存储解决方案如图2所示。
根据实际情况，重点考虑系统的高可用性和高鲁棒性（Robustness），采取冗余的拓扑结构。具体情况：①采用双Fabric结构，由2台2 GB的16口光纤交换机构成冗余的SAN基础通道；②服务器通过2个HBA卡分别连接2台光纤交换机，全光纤磁盘阵列EMC CX700也同时通过2条主机通道与每台交换机相连，消除了服务器端到存储端的单点故障；③核心交换机配置负载均衡模块，为多应用服务器提供负载均衡。
网络教学平台的存储空间由通过FC（光纤通道）交换机连接在一起的多台主机和全光纤磁盘阵列构成，在SAN架构中实现集中存储功能、数据备份功能，为每个应用提供共享的、安全的、高效的数据存储服务。
2.4 网络教学平台的拓扑
本课题研究的数字化网络教学平台采用全光纤SAN架构的网络存储系统。配置EMC CX700光纤磁盘阵列、SUN V890服务器、DELL各类服务器、磁带库以及与服务器连接的各类HBA卡等硬件设备，对网络、主机、存储设备进行整合，建立教学平台存储系统，为今后的数字化校园的建设和各项应用服务奠定硬件基础。其中4台SUN V890服务器分配情况为：1台为协作服务器、1台为数据库服务器（数据库系统为Oracle）、2台为应用服务器做负载均衡提供服务。网络教学平台安装完成后的拓扑如图3所示。
3 结束语
目前广东外语外贸大学数字化网路教学平台主要实现下面一些功能。
1）整合原有的服务器，实现多台服务器共享存储设备，建立文件共享机制，为校园网用户和部分互联网用户提供数据的共享访问。
2）由于配置了10 TB容量的全光纤磁盘阵列，可以将至少3 000名教师（每个教师课件存储容量为2 G）的课件全部存入磁盘阵列中，使得用户读写速度大幅度提高，极大地方便了校园网用户。
3）建立网络存储系统和备份平台。
4）SAN提供200 MB/s的网络访问速度，对于校园网用户的访问提供很高的带宽，极大地提高读者的访问、检索速度。
5）网络存储系统实现管理和维护的自动化。通过该系统的实时监控，实现故障自动诊断功能、对存储空间的重新分配功能，从而避免硬件上的重新分配，减少操作和维护的复杂性。
广东外语外贸大学数字化网络教学平台使用的实践证明，在网络教学平台中采用四层的体系结构是充分可行的。运用Web服务器集群负载均衡技术，结合网络存储技术来解决由于大规模并发访问引起的核心网络设备过载、网络瓶颈和网络拥塞等问题，有效地提高系统服务性能，使系统支持的用户数量达到数万，对数字化校园可持续发展的需求也是很有必要的，对各级各类学校进行网络建设与应用具有一定的参考意义。
参考文献
[1]邱艳敏,武晓璐.基于Web的网络教学平台的设计与实现[J].电脑知识与技术,2009(33):9406-9408
[2]杨威,苑戎.一种基于Agent的电子学习体系模型的研究[J].计算机工程与应用,2004(11):156-158
[3]康小军,邵虹,刘吉涛.负载均衡在网络教学平台中的研究与实现[EB/OL].http://www.edu.cn/zheng_wen_1793/
20060323/t20060323_160762.shtml
[4]陈平仲,吕会红.存储硬盘接口技术比较及发展趋势[J].中国教育信息化,2007(07):81-83
浅析油层改造过程中的储层保护 篇10
关键词：酸化,压裂,储层伤害,渗透率,储层保护
储层受到伤害的主要标志就是储层渗透率的降低。储层伤害一般是在钻井、完井、试油、注水、检泵、大修、措施作业等作业过程中, 由于外来固相颗粒的侵入、出砂、细菌堵塞、工作滤液或注入水与储层不配伍造成粘土矿物膨胀, 分散运移或产生化学沉淀, 有机垢堵塞、乳化堵塞及各种腐蚀产物的堵塞, 从而导致储集层近井壁带流体渗流能力的下降。根据储层伤害主要影响因素, 可将油水井储层伤害的主要原因归结为以下6种:微粒运移、水化膨胀、无机垢堵塞、有机垢堵塞、细菌堵塞以及外来固相颗粒堵塞。
1 储层伤害的恶果
油层改造对储层造成的伤害可能产生的恶果主要有以下几个方面:
(1) 降低储层的产能及产量;
(2) 增加酸化、压裂、解堵、修井等井下作业的工作量, 因而提高油气生产成本;
(3) 影响最终采收率, 造成油气资源的损失和浪费;
(4) 地层损害是永久性的造成其它无法弥补的损失。
2 酸化压裂措施中的储层伤害的表现形式与形成机理
在进行油层改造时, 由于应力变化和大量压裂液进入储层, 可能对储层造成一定的伤害。如果这些伤害没有解除, 在酸化压裂措施后油气井产能并未得到恢复或提高, 相反, 有的井却在措施后造成减产。因此要尽力避免在措施中对储层造成伤害。
2.1 压裂措施对储层造成的伤害及形成机理
压裂是油田目前挖潜、增产、增注的主要措施之一, 每年的作业量不断增加, 给油田的增产稳产提供了有力的保障。压裂对储层造成的伤害主要表现在以下几个方面:
(1) 在对较低渗透率区块储层压裂过程中, 流体通过岩心时, 对岩心施加一定的围压, 使其受到压缩, 引起渗透率降低。低渗储层往往是低孔与低渗伴生, 这种油气藏具有高的泥质胶结物含量、含水饱和度、毛细管压力、水敏性及孔喉细小、渗透性差、结构复杂、非均质严重、油气流动阻力大等特点。在压裂过程中这类储层所需的破裂压力就较高, 在高压、高粘、携带支撑剂的压裂液压缩下, 储层岩石颗粒相互挤压, 粒间空隙进一步缩小造成渗透率的降低。
(2) 储层岩石在其所受净应力改变时, 孔喉通道变形、裂缝开合, 导致储层岩石渗流能力发生变化。尤其是在塑性较强的储集层中, 在压裂液高压长时间的作用下, 岩石颗粒及颗粒孔隙发生不可逆转的塑性变形, 使储层岩石的孔隙度变小, 喉道可能变得更细更不规则, 从而使储层渗透率变小。在塑性较大的储层压裂时由于岩石弹性模量和变形模量大, 可能出现岩石破碎而裂开的情况, 进一步加大了对储层的伤害。
(3) 压裂液与地层及其中的液体配伍性差, 压裂液进入地层引起水锁、造成储层粘土膨胀降低渗透以及压裂液沱饼和残渣对地层造成伤害。目前多数压裂施工所采用的压裂液都是高粘液体, 这些液体不与储层内油气水混溶, 而乳化成乳状物, 在压裂后不容易排出, 毛细管力作用产生水锁效应从而降低储层渗透率;另外液体也会使岩石中的粘土矿物发生膨胀堵塞喉道, 或溶解到岩石中某种粘土矿物形成高粘沱饼和残渣, 进一步堵塞喉道, 降低了储层的渗透率。
(4) 压裂使用的支撑剂选择不当造成储层伤害。压裂前要对目的层储层岩石的岩性进行详细的分析, 选取合适的支撑剂。如果支撑剂选取不当, 有可能在压裂后排液过程中及以后的生产中产生严重的快速吐砂。这不仅损害下井工具, 还会在吐砂过程中使破碎的岩石颗粒一同吐出, 使形成的裂缝快速闭合, 压裂措施效果变差周期变短。不断的重复压裂可能会使储层及上下岩层就会出现破裂式伤害。
(5) 压裂施工质量带来的危害。压裂施工时操作不当、压裂液及支撑剂用量不足、造缝长度不达标都会对储层造成伤害。
2.2 酸化措施对储层造成的伤害及形成机理
酸化是一项发展的较为成熟的技术, 在石油和天然气的增产措施中有着举足轻重的作用。由于储层岩石的成分、结构及储层中流体的差异很大, 使得酸化技术变得复杂。在酸化作业中, 很容易造成储层堵塞, 给储层带来进一步的伤害。
酸化对储层的伤害具体是指在酸化过程中, 引起酸化前、后储层岩石渗透率的变化。主要表现为:酸化后二次产物的沉淀 (与岩石中的粘土矿物和碳酸盐岩发生反应生成铁质、硅质、钙质等的沉淀) ;酸液与储层岩石的不配伍性造成粘土矿物膨胀堵塞孔隙;酸液与储集层岩石流体的不配伍性及酸液与储集层流体的不配伍性造成储集层润湿性的改变;酸液滤失损害, 酸液自身携带的颗粒和溶蚀掉的颗粒会阻塞孔道;添加剂选择不当造成储层孔隙堵塞;施工参数选择不当 (酸液浓度过高产生沉淀或造成储层塌陷, 泵压过高, 排量、用量过大可能会蚀穿储层, 破坏隔夹层) 以及施工质量不达标;毛管力的产生, 酸化后疏松颗粒及微粒的脱落运移堵塞、产生乳化等。这些现象显然都会造成酸化前后储层渗透率发生变化。
3 酸化压裂措施中对储层的保护措施
针对油层改造过程中对储层的主要伤害, 该阶段储层保护的对策有:
3.1 压裂措施方面
(1) 选择优化压裂液体系, 提高压裂液的流变性能, 即选择那些滤失少、低残渣、配伍性好、稳定性强、磨阻低、排液好的压裂液, 避免产生天然裂缝滤失、提高压裂液耐高温剪切能力, 防止引起储层伤害;
(2) 选择适合压裂区块或压裂目的层位的支撑剂, 支撑剂要求粒径要均匀、强度高、杂质含量少, 要保证储层裂缝的导流能力, 避免造成压后严重吐砂;
(3) 根据目的层选择适当的压裂工艺, 既能最低限度的减少对储层的伤害, 又能达到最好的压裂效果, 发挥储层的最大潜能;
(4) 选择添加剂;
(5) 进行优化压裂设计, 以最优的压裂液和最优的支撑剂用量, 以达到最优的压裂效果;
(6) 加强对施工质量控制, 避免人为原因对储层造成伤害。
3.2 酸化措施方面
酸化成功的关键是弄清所有污染的类型。酸化按储层类型分为碳酸岩储层酸化和砂岩储层酸化。砂岩基质酸化与碳酸盐岩酸化是有区别的, 砂岩基质酸化是溶解在地层基质孔隙喉道中形成的堵塞或桥塞污染, 酸化后的理想情况是恢复原始地层渗透率。因此, 在酸化作业中采取积极有效的措施, 保护储层使酸化作业充分发挥效益:
(1) 在酸化施工前认真选井选层, 并不是所有的井或所有的储层都适合进行酸化处理;
(2) 在酸化施工前尽可能对目的层岩心进行相关实验, 配置最优的酸液和添加剂;
(3) 选择最优的施工参数, 严格控制泵压、排量及酸液用量;
(4) 酸化后尽快排液, 在一小时内应尽快用自喷、抽吸或泵抽、气举等方式反排, 避免剩余酸液进行过度反应造成伤害。
参考文献
[1]赵明朗, 等.储层保护技术在压裂井的应用[J].内蒙古石油化工, 2009, 14:114-115[1]赵明朗, 等.储层保护技术在压裂井的应用[J].内蒙古石油化工, 2009, 14:114-115
[2]姚光庆.油气储层地质学[M].中国地质大学出版社, 2007, 08[2]姚光庆.油气储层地质学[M].中国地质大学出版社, 2007, 08
[3]黄绪明.浅析低渗透油田储层保护技术[J].应用科学[3]黄绪明.浅析低渗透油田储层保护技术[J].应用科学
[4]蔡卓林, 等.酸化作业中的储层伤害[J].西部探矿工程, 2006, 6:85-86[4]蔡卓林, 等.酸化作业中的储层伤害[J].西部探矿工程, 2006, 6:85-86