基于變電站配置文件的智能變電站交換機自動配置實現

左歡歡， 彭 奇， 王德輝， 羅凌璐， 李 超

(1. 智能電網保護和運行控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210061；2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211006；3. 南瑞集團 (國網電力科學研究院)，江蘇 南京 211006)

0 引言

智能變電站是智能電網的重要基礎和支撐。在智能變電站中，以交換機為核心的通信網絡起著關鍵的作用[1]，間隔層和過程層之間取消了傳統硬接線，通過交換機網絡傳輸開關信號、采樣值等信息[2-3]，這些信息以面向通用對象的變電站事件(GOOSE)/取樣值(SV)報文的形式傳輸。現場采用手工方式配置交換機虛擬局域網(VLAN)、組播表等以保證GOOSE/SV報文正確轉發，工作量大且易出錯，出錯后的糾錯過程也十分繁瑣。因此，實現交換機的自動配置在工程應用上有重大意義。

變電站配置(SCD)文件描述了變電站內所有智能電子設備(IED)的實例配置、通信參數和IED之間的通信配置等信息。但SCD文件僅描述了二次設備間的邏輯連接關系和網絡地址，缺少對物理網絡拓撲的詳細描述，并且IEC 61850標準對交換機建模考慮甚少[4-5]。文中描述了智能變電站交換機信息模型和SCD物理拓撲模型的建立，在邏輯連接和物理連接關系完整的SCD文件基礎上，設計了實現交換機配置信息提取并自動配置的方法。

1 SCD建模

1.1 交換機建模

文獻[6—7]分別從基本性能和高級應用兩個方面分析了智能變電站交換機的數據需求和建模原則，并詳細展現了交換機建模方法。文中建立圖1所示的交換機基本模型，圖中除了LPHD、LLN0等系統邏輯節點之外，還包含多個APST邏輯節點、多個APNE邏輯節點和GGIO邏輯節點。APST表示端口狀態監控，APNE表示端口流量統計，GGIO表示基本運行告警，n代表端口號(1～N)。

圖1 交換機IED的對象模型Fig.1 Object model of switch IED

通過模型，以太網交換機也可作為IED被包含在SCD文件中。

1.2 SCD物理拓撲關系建模

IEC 61850標準詳細定義和描述了邏輯連接，但弱化了對物理連接關系和網絡設備的描述。GOOSE/SV的發布/訂閱關系只是邏輯連接關系，最終需要通過物理連接才能完成實際數據的交換。文獻[8]描述了SCD中表示物理連接的PhysConn節點；文獻[9—10]描述了在PhysConn節點增加Cable 屬性描述，以此表示連接電纜號，進而表征IED間的物理連接關系。文中交換機端口與其他IED的物理連接描述表示在S1訪問點下，由于交換機本身只是轉發GOOSE/SV報文，因此文中不增加交換機的G1/M1訪問點描述。

2 交換機配置信息提取

SCD中通信系統(Communication)配置了GOOSE/SV控制塊的以太網參數和報文發送周期。以太網參數是GOOSE/SV報文能夠在以太網中正確傳輸的基礎；組播地址是GOOSE/SV控制塊的唯一地址，也是接收方判斷報文是否被訂閱的主要依據。為了讓交換機正確轉發，需要給交換機配置VLAN和組播地址轉發表。而變電站中IED數量較多，人工配置交換機不但繁瑣，且錯誤率高。因此提出一種從SCD文件中提取交換機配置信息的實現方法：

(1) 解析SCD文件[11-13]，從中提取有效信息保存到數據庫；

(2) 利用數據庫的表連接和提取功能匹配出交換機端口的配置信息；

(3) 將數據庫表中的交換機端口配置信息保存成可擴展標記語言(XML)格式輸出。

交換機配置信息提取流程如圖2所示。

圖2 配置信息提取流程Fig.2 Extraction process of configuration

2.1 信息提取

完整的SCD文件包含5個部分：信息頭(Header)、變電站描述(Substation)、IED、Communication和數據類型模板(DataTypeTemplate)[14]。IED節點描述了IED與IED之間的GOOSE/SV的訂閱/發布關系，即交換機轉發信息的源點和終點；Communication節點描述了IED與IED之間的物理連接關系(即信息流經的路徑)和通信參數；兩者結合可以得出信息源經過了某臺交換機的某個端口到達目的裝置以及交換機端口的配置信息。信息傳遞過程如圖3所示，其中GOCB,SVCB分別為GOOSE控制塊與SV控制塊。

圖3 信息傳遞過程Fig.3 Information transfer process

2.1.1 邏輯關系信息提取

GOOSE/SV發布和訂閱關系在IED節點描述。SV的發布通過SV控制塊SampledValueControl實現，GOOSE的發布通過GOOSE控制塊GSEControl實現。其中，datSet屬性指定了與本控制塊關聯的數據集。數據集DataSet由多個功能約束數據屬性(FCDA)成員組成。SV和GOOSE的訂閱是在Inputs節點下定義的，Inputs節點由多個外部引用條目ExtRef組成[15-16]，每個外部引用條目指定了內部輸入虛端子的地址intAddr和外部輸出虛端子地址。根據引用條目的iedName、ldInst屬性可找到外部信號所在的IED和邏輯設備LDevice，遍歷該外部LDevice下所有DataSet，通過比對ldInst、prefix、lnClass、lnInst、doName、daName屬性可找到匹配的數據集，進而找到與數據集關聯的控制塊。至此，確定發布控制塊和接收訪問點的對應關系，建立虛回路。

根據上述分析，需在數據庫中建立控制塊與數據集的關系表、數據集與成員的關系表以及GOOSE/SV訂閱關系表，各表的屬性名與屬性值表示方式分別如表1—3所示。

表1 控制塊和數據集的關系Tab.1 Relation table of control block and data set

表2 數據集與成員的關系Tab.2 Relation table of data set and the members

表3 GOOSE/SV訂閱關系Tab.3 Relation table of GOOSE/SV subscription

其中：IED為SCD文件中IED的命名，全站唯一；AP為訪問點名稱；LD為邏輯設備名；DS為數據集名；CB為控制塊名；虛端子地址表示為IED.LD/LN.DOI.DAI。表2和表3連接處理可以得到外部虛端子所屬數據集與訂閱IED訪問點的關系，如表4所示。

表4 外部輸出虛端子所屬數據集與訂閱IED訪問點的關系Tab.4 Relation table of subscriber’s access point and data set including external output virtual terminal

表1和表4連接處理可以得到外部虛端子所關聯控制塊與訂閱IED訪問點的關系，如表5所示。將SCD文件中的所有虛回路信息都提取到表5。

表5 外部虛端子所關聯控制塊與訂閱IED訪問點的關系Tab.5 Relation table of subscriber’s access point and control block associate to external output virtual terminal

2.1.2 物理關系提取

IED每個訪問點可以關聯多個物理端口，PhysConn的類型屬性規定了本訪問點到總線的連接端口、物理連接類型、連接電纜號，Cable屬性表征了物理連接的電纜號。電纜號相同的端口采用物理連接。訪問點與關聯物理端口的關系如表6所示，其中CABLE為電纜編號。

表6 訪問點與關聯端口關系Tab.6 Relation table of accesspoint and associated ports

兩點決定一線，通過表6與自身的連接，提取Cable相同而IedName不同的條目，可以得到端口連接表。端口連接表如表7所示，其中PORT為物理端口編號。

表7 IED端口連接Tab.7 Connection table of IED ports

2.2 交換機端口配置信息匹配

過程層GOOSE服務與SV服務是分訪問點建模的，GOCB屬于GOOSE服務訪問點，SVCB屬于SV服務訪問點，對應關系體現在表1中。當DataSet中任何一個成員數據值發生變化，裝置會馬上發送包含該DataSet所有數據的GOOSE/SV報文[17]，報文從訪問點關聯物理端口發出。表1和表6連接可得到控制塊和關聯物理端口的關系，如表8所示。

表8 控制塊和關聯端口的關系Tab.8 Relation table of controlblock and associated ports

表5表示所有虛回路信息，表5和表8連接可以從表8中刪除未參與虛回路的條目，提高后續處理效率。邏輯連接通過物理連接才能實現真正的通信。表7是點對點的硬件連接表，表8和表7連接可得到虛回路發布控制塊與鄰居IED端口的對應關系，如表9所示。

表9 虛回路發布控制塊與鄰居端口的對應關系Tab.9 Relation table of PUBCBbelong to virtual loop and neighbor ports

文中提取的目標是交換機端口的配置信息，與交換機無關的信息處理都會增加處理復雜度。表9中IedName_R不是交換機的條目說明發布方和訂閱方是直連通信，不經過交換機轉發，所以將表9中IedName_R不是交換機的條目刪除。表7和表6連接可以得到SCD中所有IED訪問點與鄰居IED端口的對應關系，如表10所示。

表10 IED訪問點與鄰居端口的對應關系Tab.10 Relation table of accesspoints and neighbor ports

表5和表10連接操作可以從表10中刪除未參與虛回路的條目,再刪除表10中的IedName_L不是交換機的冗余條目。則表10僅保存虛回路訂閱訪問點與鄰居交換機IED端口的對應關系。

在實際物理拓撲網絡中，訂閱IED與發布IED之間可以通過一級或多級交換機互聯。若訂閱方與發布方經過一級交換機互聯，則表5中虛回路條目的CB在表9中對應的IedName_R與虛回路條目的AP在表10中對應的IedName_L應相同。表5、表9、表10連接提取可以得到通過一級交換機互聯的發布訂閱關系，如表11所示。

表11 通過一級交換機互聯的發布訂閱關系Tab.11 Relation table ofSUB/PUB through one switch

若訂閱方與發布方經過兩級或多級交換機互聯，則先提取交換機與交換機之間的物理連接，確定級聯端口。將表7中端口連接表IedName_R或IedName_L為非交換機的條目刪除，得到交換機與交換機的物理連接表。將表7與自身關聯可得到兩級或多級交換機互聯表。再與表5、表9、表10連接提取可得到通過兩級或多級交換機互聯的發布訂閱關系表。

Communication中有描述各個控制塊的地址信息，可提取并保存。從表11可知PortNo_L接收GOOSE/SV報文，PortNo_R轉發GOOSE/SV報文。表11與控制塊地址信息表連接提取可得到各端口的具體配置信息，如表12所示。其中MAC是MAC地址，vlanid是VLAN分配值。在工程應用中，與裝置終端直連的交換機端口為ACCESS口，與交換機級聯的交換機端口為TRUNK口，ACCESS口對應不帶標簽(UNTAG)成員口類型，TRUNK口對應帶標簽(TAG)成員口類型，因此在表12中增加了列屬性flg以標記端口類型。其中A 代表ACCESS端口，T代表TRUANK端口，S代表訂閱，P代表發布。

從表12可知，端口應配置成VLAN號為vlanid的成員端口。根據ACCESS/TRUNK標記，可確定成員端口為UNTAG/TAG類型。

表12 交換機端口信息Tab.12 Information table of switch port

當控制塊vlanid為000時，為了保證報文正常轉發，需要給交換機端口配置私有VLAN(PVLAN)，即為flg=A /S的端口配置PVLAN值。同時需要給控制塊自動分配非零的vlanid(VLAN劃分規則不贅述)。當多個vlanid為000的控制塊報文從同一端口流入交換網絡時，為這些控制塊分配的vlanid需要相同。

2.3 配置信息文件格式輸出

將上述得到的配置信息表中的信息保存成文件格式輸出。交換機配置保存文件類型為交換機配置描述(CSD)文件。CSD文件包含Topology和SwConfig兩部分。Topology用于描述交換機每一個端口上GOOSE/SV發布/訂閱的描述信息；GOOSEPUB/GOOSESUB/SVPUB/SVSUB節點用于記錄交換機某一端口中發送/接收的GOOSE/SV數據配置；GOOSEPUB下的多個GOCBref元素表示該交換機端口有多種GOOSE報文被發送，可能來自于一臺IED，也可能來自于多個IED；SwConfig用于描述每臺交換機參數配置，Fib表描述交換機組播轉發信息，轉發表包含macaddress、vlanid、appid和轉發成員端口列表；Vlan表描述交換機VLAN配置信息，包含vlanid、tagPbits、UntagPbits；PVlan表描述交換機端口PVLAN配置信息。

3 實例描述

圖4是一個包含物理連接的簡單實例SCD模型。其中，CXL2201為開關測控裝置；IXL2201為智能終端；SW01為交換機。CXL2201訂閱IXL2201發布的gocb0信息，測控裝置通過電纜L2直連交換機，智能終端通過電纜L1直連交換機，測控裝置與智能終端間通過交換機連接通信。

圖4 實例SCD模型Fig.4 SCD model of instance

實例SCD提取輸出的CSD文件樹形結構如圖5所示，其中SCL為XML格式的CSD文件的根節點。CSD文件可以直接下載到交換機，交換機啟動時自動按照配置文件進行配置，省去了手動修改的繁瑣。

圖5 輸出的CSD文件結構Fig.5 CSD file structure output

4 結語

文中在建立交換機模型和SCD物理拓撲連接模型的基礎上，對SCD文件內部數據關聯進行了研究分析，并根據實際工程需求，實現了交換機配置信息的提取，完成交換機自動配置。該方案已經在實驗室通過搭建過程層網絡驗證，省去了交換機手動配置且功能無誤，裝置間信號收發無誤，能達到預期效果。該方法需要對SCD進行較小的擴展。后續推廣中需要統一變電站物理拓撲模型，實現交換機建模標準化，系統配置工具能支持擴展SCD，交換機能支持CSD格式配置文件的下發。交換機自動配置不僅僅是減少人工工作量，更能為以后的智能變電站動態監測提供支撐。

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