智能變電站交換機IEC61850信息建模

劉明慧 胡紹謙 王文龍 楊 貴 周旭峰

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

在數(shù)字化變電站和智能變電站出現(xiàn)以前，電力領(lǐng)域中并未有對交換機監(jiān)控的應(yīng)用。隨著通信技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，智能變電站已經(jīng)成為綜合自動化變電站的發(fā)展方向[1]。在智能變電站中，以交換機為核心的通信網(wǎng)絡(luò)起著關(guān)鍵的作用[2]，不但站控層和間隔層之間采用基于以太網(wǎng)的 IEC61850協(xié)議通信，而且間隔層和過程層之間也取消了傳統(tǒng)綜自站的二次電纜，通過交換機網(wǎng)絡(luò)傳輸保護跳閘命令、開關(guān)信號、采樣值信息等[3]。因此，關(guān)注和重視智能變電站內(nèi)整個通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性，加強對智能變電站交換機的監(jiān)控十分必要。

通信領(lǐng)域中對交換機監(jiān)控的方式主要采用SNMP（簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）和 RMON（遠端網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控），二者都是采用 SNMP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，通過NSM（網(wǎng)路管理系統(tǒng)）管理站進行信息監(jiān)控和管理。但在智能化變電站中，采用SNMP協(xié)議監(jiān)控交換機會使站內(nèi)同時存在兩套通訊系統(tǒng)，與智能變電站內(nèi)所有設(shè)備統(tǒng)一采用 IEC61850協(xié)議進行無縫連接和互操作的初衷相違背，不是最佳選擇。因此，在智能變電站中，將交換機采用 IEC61850協(xié)議接入全站監(jiān)控體系當中，有著廣闊的應(yīng)用前景。

采用 IEC61850協(xié)議對交換機進行監(jiān)控，首要問題即是按照 IEC61850協(xié)議面向?qū)ο蟮乃枷牒徒Ｒ?guī)范對交換機的數(shù)據(jù)信息進行建模[4]（以下簡稱“建模”），本文將詳細討論IEC61850協(xié)議通信體系下的交換機建模方法。

1 必要性和可行性分析

1.1 智能變電站的常用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

智能變電站網(wǎng)絡(luò)一般分為站控層、間隔層、過程層，站控層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)為 MMS網(wǎng)，間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)為GOOSE或SMV網(wǎng)（統(tǒng)稱為過程層網(wǎng)絡(luò)，可由一個或多個物理網(wǎng)組成）[5]。目前，智能變電站大多采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也有個別試點站在 MMS網(wǎng)的主干網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形組網(wǎng)，且上述3種網(wǎng)絡(luò)可能共網(wǎng)或分網(wǎng)布置。但在各種組網(wǎng)形式下對交換機的監(jiān)控并無原則區(qū)別，因此本文以圖1所示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為例進行討論。

圖1 智能變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.2 智能變電站交換機監(jiān)控的必要性

在圖1所示的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，MMS網(wǎng)用于站控層設(shè)備和間隔層設(shè)備的信息交換；GOOSE網(wǎng)用于過程層設(shè)備的跳閘、保護之間的信息的交互、開關(guān)刀閘等信息的采集；SMV網(wǎng)用于傳輸電子式互感器所產(chǎn)生的模擬量。

可見，在智能變電站中，由于過程層通信的引入，交換機的運行狀態(tài)直接決定站內(nèi)保護和測控的工作狀態(tài)，其重要性不言而喻。因此，需要對其端口狀態(tài)、各項流量指標等信息進行實時監(jiān)控，并且對其參數(shù)進行遠程查看和維護，以便保證整個變電站設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

1.3 對交換機監(jiān)控的組網(wǎng)模式

采用 IEC61850協(xié)議對交換機進行監(jiān)控，需要保證站內(nèi)所有交換機對后臺機可見，因此需要對圖1的網(wǎng)絡(luò)略加改造，將各個獨立過程層網(wǎng)絡(luò)連接至后臺機的獨立網(wǎng)卡，如圖2所示。

圖2 交換機監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

這樣既能使后臺機同時監(jiān)控站內(nèi)所有交換機，又能保證 MMS網(wǎng)和各過程層網(wǎng)絡(luò)物理上獨立。同時，需要在各過程層網(wǎng)絡(luò)連接至后臺機的交換機端口上過濾組播報文，以防止過程層網(wǎng)絡(luò)上的大量組播數(shù)據(jù)對后臺機網(wǎng)卡的沖擊。

1.4 采用IEC61850協(xié)議監(jiān)控交換機的優(yōu)勢比較

相比于采用傳統(tǒng)的 SNMP協(xié)議對交換機進行監(jiān)控，采用IEC61850協(xié)議對交換機進行監(jiān)控有以下優(yōu)勢：

（1）保證全站通信協(xié)議的統(tǒng)一性，符合智能變電站的設(shè)計理念。如果應(yīng)用SNMP協(xié)議，將導(dǎo)致智能變電站監(jiān)控網(wǎng)內(nèi)同時出現(xiàn)兩種通信協(xié)議，兩套監(jiān)控系統(tǒng)，不符合“一個世界，一種技術(shù)，一種標準”的理念。

（2）可以方便地在后臺機上對交換機、保護、測控等設(shè)備共同進行監(jiān)控，符合電力系統(tǒng)操作習慣，方便用戶使用。如果應(yīng)用SNMP協(xié)議，需要設(shè)立單獨的 NSM 服務(wù)器作為監(jiān)控設(shè)備，增大投資，且用戶需要同時監(jiān)控兩套系統(tǒng)，不便于使用。

（3）組網(wǎng)方式上較采用SNMP協(xié)議有所簡化。只需將過程層每個物理網(wǎng)連接至后臺機獨立網(wǎng)卡，不需要連接NSM服務(wù)器。

綜上所述，采用 IEC61850協(xié)議對交換機進行在線監(jiān)控是必要的和可行的，而建模工作是IEC61850通訊的基礎(chǔ)，必須首先完成。

2 模型分析

2.1 建模原則

1）必須保證模型具有良好的通用性和一致性

（1）當可采用IEC61850標準[6]規(guī)定的LN（邏輯節(jié)點）類型時盡量采用標準類型；如果需要擴充LN類型，擴充時要嚴格遵守標準規(guī)定的擴充規(guī)則和命名規(guī)范。

（2）全部引用IEC61850標準[7]中規(guī)定的CDC（公用數(shù)據(jù)類）和國網(wǎng)公司企業(yè)標準[8]中已擴充并已被廣泛采用的一個 CDC（STG類型），不自行擴充新的CDC。

（3）全部引用IEC61850標準中規(guī)定的數(shù)據(jù)屬性類型和枚舉類型，不自行擴充。

2）交換機數(shù)據(jù)的獲取

（1）考慮到SNMP的標準MIB庫中已經(jīng)涵蓋了交換機常用的參數(shù)及統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并且這些數(shù)據(jù)已被各廠商廣泛接受并實現(xiàn)，因此，建模過程中參考SNMP協(xié)議的標準MIB庫中的各項信息，從中提取適合智能變電站應(yīng)用的數(shù)據(jù)。

（2）結(jié)合電力系統(tǒng)特點和需求，在上述數(shù)據(jù)之外做部分擴充。

（3）各項高級應(yīng)用功能中的數(shù)據(jù)按照功能需求和特點提取。

3）建模立足于現(xiàn)場實用性

并非交換機中所有數(shù)據(jù)都適合采用 IEC61850協(xié)議建模和傳輸。對于不適合直接建模的數(shù)據(jù)可暫不建模，或視以后發(fā)展需要做適當轉(zhuǎn)換。

2.2 數(shù)據(jù)需求

在上述建模原則下，交換機 IEC61850模型的數(shù)據(jù)需求分析如下。

1）基本數(shù)據(jù)需求

二層交換機的基本參數(shù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，主要內(nèi)容如下。

（1）公用參數(shù)

交換機的公用參數(shù)（不含各應(yīng)用功能模塊參數(shù)定值），如廠商、型號、IP地址等。

（2）端口統(tǒng)計量數(shù)據(jù)

二層交換機所能統(tǒng)計和監(jiān)視到的所有計數(shù)器的數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)每個端口均有一組，如各端口速率、端口接收和發(fā)送的字節(jié)數(shù)及數(shù)據(jù)幀數(shù)統(tǒng)計、端口接收的各種二層傳輸出錯的數(shù)據(jù)幀統(tǒng)計等。

（3）基本性能運行告警

交換機正常運行監(jiān)視信息和異常告警信息，如裝置啟動、電源切換及各種裝置異常告警等。

（4）端口狀態(tài)監(jiān)控

各端口狀態(tài)控制和端口參數(shù)定值，該類數(shù)據(jù)每個端口均有一組。

2）高級應(yīng)用功能數(shù)據(jù)需求

（1）高級應(yīng)用模塊監(jiān)控

各高級應(yīng)用模塊狀態(tài)、參數(shù)定值及模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)的監(jiān)視和控制。

（2）高級應(yīng)用模塊運行告警各高級應(yīng)用模塊運行異常等。

3）不適合直接建模的數(shù)據(jù)分析和轉(zhuǎn)換

交換機中存在可動態(tài)創(chuàng)建條目的表項數(shù)據(jù)，主要有以下4類。

（1）靜態(tài) VLAN配置表、GVRP動態(tài)學(xué)習后的VLAN配置表。

（2）靜態(tài)組播轉(zhuǎn)發(fā)表、GMRP或IGMP snooping動態(tài)學(xué)習后的組播轉(zhuǎn)發(fā)表。

（3）基于靜態(tài)MAC的端口安全表。

（4）RMON歷史、告警和事件配置表。

IEC61850規(guī)約不適合對上述表項進行操作，不能很好解決表中條目的動態(tài)創(chuàng)建、刪除、讀取、修改等問題。以VLAN為例說明其不適合直接用于建模的原因，其他同理。

原則上交換機IED模型應(yīng)該在交換機出廠之前建立，與交換機的軟件版本一一對應(yīng)，現(xiàn)場將模型ICD文件導(dǎo)入 SCD文件、配置后再導(dǎo)出生成 CID文件的過程僅改變該裝置模型與其他裝置模型的相互作用關(guān)系，而不改變原模型內(nèi)固有信息。

但VLAN條目是動態(tài)創(chuàng)建的，每個VLAN條目中包含VLAN ID、端口數(shù)、端口帶標簽等情況，其配置隨現(xiàn)場需求而變化（如果采用 GVRP，則隨著GVRP動態(tài)學(xué)習結(jié)果不斷變化）。如果每個 VLAN作為一個節(jié)點直接建模，將導(dǎo)致模型隨現(xiàn)場配置需求或動態(tài)學(xué)習結(jié)果而變化，不具有實用價值。

因此，可動態(tài)創(chuàng)建條目的數(shù)據(jù)不適合以每個條目作為一個節(jié)點直接建模，此類數(shù)據(jù)建模時需視重要程度舍棄或做適當轉(zhuǎn)換。

本文綜合考慮智能變電站的數(shù)據(jù)需求，建模時對上述前三類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后建模，第四類數(shù)據(jù)舍棄，因為后臺高級應(yīng)用可以方便地取代RMON的歷史、告警和事件表的功能。

3 模型實現(xiàn)

3.1 LD（邏輯裝置）模型定義

二層管理型交換機的各項功能可以劃分為兩大部分：一部分是基本參數(shù)和基本數(shù)據(jù)交換功能，該部分各廠商交換機所需監(jiān)控數(shù)據(jù)基本相同；另一部分是管理功能和高級應(yīng)用功能，該部分功能模塊、各模塊需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)各在廠商交換機中可能有所不同。

如上所述，可以將交換機模型劃分為基本性能LD（名稱采用“BASC”）和高級應(yīng)用LD（名稱采用“APPL”）。

3.2 基本性能LD中的LN模型定義

1）公用參數(shù)監(jiān)控LN建模

將交換機的公用參數(shù)監(jiān)控放入基本性能 LD的LLN0節(jié)點中，使模型簡潔且便于操作。

2）端口統(tǒng)計量數(shù)據(jù)LN建模

由于交換機端口較多，每個端口具有相同的統(tǒng)計量數(shù)據(jù)，所以每個端口建立一個 MMXN標準類型節(jié)點，包含該端口所有統(tǒng)計量數(shù)據(jù)，使用前綴“PTXX”（XX為端口號）作為每個端口MMXN的前綴。

表1 基本性能LD的LLN0類結(jié)構(gòu)

表2 交換機端口MMXN類結(jié)構(gòu)

續(xù)表2

3）運行告警LN建模

為了便于管理也便于擴展數(shù)據(jù)對象，將所有表示裝置基本性能的告警信息（不含各高級應(yīng)用功能模塊告警）數(shù)據(jù)統(tǒng)一放入基本性能 LD的通用類型節(jié)點GGIO中，數(shù)據(jù)對象名統(tǒng)一采用“Alm”擴展。LN中的數(shù)據(jù)對象數(shù)量視交換機能提供的告警信息數(shù)量而定，如果告警信息過多可分別放入多個GGIO中，以“ALMXX”（XX為數(shù)字編號）為前綴。

表3 交換機告警GGIO類結(jié)構(gòu)

4）端口狀態(tài)監(jiān)視和控制量建模

由于交換機端口較多，每個端口具有相同屬性，故擴展一個APST類型節(jié)點，將端口的所有狀態(tài)屬性歸入其中，包含該端口連接狀態(tài)和端口參數(shù)的監(jiān)控，使用前綴“PTXX”（XX為端口號）作為每個端口APST的前綴。

表4 交換機端口狀態(tài)APST類結(jié)構(gòu)

3.3 高級應(yīng)用LD中的LN模型定義

在高級應(yīng)用LD中按照各項應(yīng)用功能擴展邏輯節(jié)點類型，LD類型采用IEC61850標準規(guī)定的表示“自動控制”的字母“A”開頭，各 LN的具體結(jié)構(gòu)取決于各功能需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)，各LN擴展類型如表5所示。由于篇幅限制，本文中僅列出各LN擴展類型名稱，各LN擴展類型的具體結(jié)構(gòu)在附錄中列出。

表5 高級應(yīng)用LD的擴展LN類

需要說明的是，對于前文分析的不適合直接建模的VLAN、組播轉(zhuǎn)發(fā)表和靜態(tài)單播地址表數(shù)據(jù)，因其比較重要，此處做了轉(zhuǎn)換建模：將VLAN分配到各端口的APVL節(jié)點中，每個端口APVL節(jié)點中預(yù)先建立滿足常用站使用數(shù)目（如30個）的DO（數(shù)據(jù)對象），DO值為0表示未用；將組播轉(zhuǎn)發(fā)表和靜態(tài)單播地址表分配到各端口的APMC中，每個端口APMC節(jié)點中預(yù)先建立滿足常用站使用數(shù)目（如60個）的DO，DO值為0表示未用。這樣將動態(tài)變化的表項條目轉(zhuǎn)換為與端口數(shù)目相等的固定數(shù)目的LN，LN中預(yù)先建立的DO的數(shù)目可以滿足絕大多數(shù)變電站需求即可，以避免模型過大，對個別站需要DO數(shù)目很多的可單獨擴充DO數(shù)目。

考慮到采用 IEC61850規(guī)約對交換機監(jiān)控時不需要再開啟SNMP和RMON功能，本文未對SNMP和 RMON功能模塊建模。RMON的歷史、告警和事件統(tǒng)計功能可由后臺高級應(yīng)用方便地實現(xiàn)。

表5中高級應(yīng)用功能節(jié)點可以選擇性取用，對于現(xiàn)場不用的功能可以暫時不建在模型中，以避免模型過大。以后如有新增應(yīng)用功能也可以根據(jù)需求按此模式擴充。

3.4 整體模型結(jié)構(gòu)

按照本文的 LD模型及LN模型，整個交換機的IED模型結(jié)構(gòu)表達如圖3所示。

圖3 交換機IEC61850模型結(jié)構(gòu)

4 模型數(shù)據(jù)的應(yīng)用場景

按照以上的建模方法，可以得到交換機的完整IEC61850模型，但交換機的模型數(shù)據(jù)與目前智能變電站中常用的保護裝置模型數(shù)據(jù)有較大差異，系統(tǒng)集成商對模型中各項數(shù)據(jù)可應(yīng)用的場景可能并不熟悉，因此對交換機模型數(shù)據(jù)的應(yīng)用場景簡單分類總結(jié)如下：

1）生成各項數(shù)據(jù)的流量曲線。模型中包含的表示端口各項流量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)（具體數(shù)據(jù)包含在各端口 MMXN節(jié)點中）可以由后臺定時查詢或裝置周期上送，然后由后臺計算單位時間內(nèi)該端口接收或發(fā)送的各項數(shù)據(jù)流量，在后臺生成各項數(shù)據(jù)的流量曲線，便于用戶直觀的監(jiān)視交換機各端口的各項流量變化，也方便用戶調(diào)出歷史曲線和歷史數(shù)據(jù)分析問題。

2）產(chǎn)生各項數(shù)據(jù)的越限告警信息。同理，后臺可以根據(jù)各端口各項流量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)在后臺設(shè)置越限告警信息，當某項流量數(shù)據(jù)超越該數(shù)據(jù)的上下限指標時，后臺主動產(chǎn)生越限告警信息，告知用戶網(wǎng)絡(luò)流量異常，需要通過分析歷史曲線和歷史數(shù)據(jù)等方式檢測問題進而排除故障。

3）接收裝置告警信息和端口狀態(tài)變化遙信。

4）控制端口狀態(tài)。可根據(jù)需要在后臺開啟和關(guān)閉交換機指定端口通信。

5）監(jiān)視和設(shè)置交換機參數(shù)和各項高級應(yīng)用功能定值（即應(yīng)用參數(shù)）。由于智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)的存在，交換機的參數(shù)和各項定值的重要程度等同于保護定值，因此對交換機參數(shù)和定值的監(jiān)控必須給予足夠的重視。

5 結(jié)論

在智能變電站中，采用全站統(tǒng)一的 IEC61850協(xié)議對交換機進行監(jiān)控，必然成為發(fā)展趨勢。而交換機建模工作是將交換機真正融入智能變電站通訊體系的基礎(chǔ)和必經(jīng)之路，對推動智能變電站的建設(shè)有著重要的意義。

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