一種實現變電站交換機虛擬局域網智能劃分配置的方法

許翠娟　杜振華　王　鵬

（1. 北京四方繼保自動化股份有限公司，北京　100085；2. 華北電力大學，北京　102206）

隨著智能站智能電子設備的普遍應用和站內設備通信能力的提高，交換機通用組播注冊協議（multicast registration protocol, GMRP）和虛擬局域網（virtual local area network, VLAN）技術的應用逐漸得到普及和重視，而虛擬局域網的應用從各方面考慮要比組播注冊協議應用更普遍一些，它最大限度的提高了網絡傳輸效率和資源利用率，對網絡通信安全性提供了更有利的保證，虛擬局域網的劃分成為智能變電站工程調試不可缺少的重要環節。本文提出的通過系統配置工具輸出全站VLAN劃分參數配置表，對提高智能變電站的調試效率具有很高的參考價值。

1　交換機GMRP功能和VLAN功能的應用現狀和對比

VLAN技術目前多采用基于802.1Q的VLAN，對網絡進行靜態數據流向劃分，需要配置報文VID，體現在全站系統配置文件（substation configuration description, SCD）模型文件中，存儲在裝置內部，需要配置交換機VLAN，存儲在交換機中。

GMRP組播注冊協議，根據裝置的GMRP注冊報文動態劃分數據流向，注冊報文流向全網，交換機定時查詢所有運行裝置（leave all），裝置需要給出應答報文（join in），需要配置裝置訂閱報文的目的MAC地址，體現在SCD模型文件中，儲存在裝置內部。

1）VLAN報文結構（如圖1所示）

圖1　VLAN報文

2）GMRP報文結構（如圖2所示）

圖2　GMRP報文

表1　VLAN和GMRP比較

二者的目的均為減少網絡上不必要的流量，降低交換機負載率，避免丟包。綜合比較 VLAN和GMRP的各項功能，可見VLAN技術應用較為普遍的原因，VLAN具備運行穩定可靠的性能，只需解決VLAN成員重新配置的功能即可。

2　智能站調試流程

2.1　工程實施現狀

目前智能站的工程實施過程，離不開系統配置工具，系統配置工具將站內設備的模型文件集成在一起，根據站內情況和用戶需求進行系統的配置，設備生產商用裝置配置工具對系統配置工具集成的全站配置文件進行裝置的配置和系統的聯調，具體流程制作過程如圖3所示。

整個變電站的智能設備描述以及監控后臺的配置調試流程可概括如下。

圖3　GOOSE網絡圖

1）IED：智能電子設備，智能站內的設備都可以看作是一個 IED，包括站內的保護裝置、測控裝置、網絡分析儀、交換機、智能終端、合并單元等。站內需要通信的設備將它的特性進行合并整理后即為智能電子設備。

2）ICD：IED能力描述文件，該文件描述變電站一次系統結構以及相關聯的邏輯接點。模型建模必須按照相應的模型標準 DL/T 860和擴展標準《DL/T 860系列標準工程實施技術規范》，若模型不規范，在后續與其他設備通信之間就會存在問題，并且模型一致性、協議一致性都有可能出現問題，導致系統聯調出現癥結，ICD模型文件的正確性直接影響到整個智能站的調試效率。

3）CID：智能電子設備經過實例化后的文件，每個智能電子設備對應一個CID文件，由裝置配置工具通過全站配置文件SCD中導出和使用，CID和ICD一樣，也必須符合模型標準要求。

4）SCD：全站惟一系統配置文件，將站內智能電子設備的原始模型文件ICD集成在一起，根據站內情況和用戶需求進行IP地址、VLAN劃分等參數的分配，一般是系統集成商完成SCD的集成。一個智能站配置一個SCD文件，SCD文件信息應全面，除了ICD原始信息，還需要明確版本、修改內容等。

系統配置器是整合一個智能變電站內各個孤立的智能電子設備（intelligent electronic device, IED）為一個完善的變電站自動化系統的系統性工具，可配置每個IED的通信參數、報告控制塊、面向通用對象的變電站事件（generic object oriented substation events, GOOSE）控制塊、采樣（sample value, SV）控制塊、數據集、GOOSE連線、DOI（data object）描述等，生成全站 SCD系統配置文件，并可導出（configured IED description, CID）裝置實例配置文件。

2.2　VLAN劃分工程現狀

目前工程實施過程，調試人員根據全站智能電子設備的連接關系，首先提前手動整理出一份交換機參數配置參考表，包括每臺智能電子設備間的發布和訂閱關系，與交換機之間的連接關系，都需要非常清楚了解，參照整理完的交換機參數配置表，再對智能電子設備和交換機進行劃分VLAN的配置處理，這部分工作量占用了很高的調試比重，對工程調試人員的調試經驗和主管能動性有很大的依賴，通過工具智能分配的手段自動實現和導出全站VLAN關系的配置表，成為當下智能變電站調試的當務之急。本文提出的通過系統配置工具輸出全站VLAN劃分參數配置表，對提高智能變電站的調試效率具有很高的參考價值。通過系統配置工具自行導出交換機的VLAN配置，將大大減少配置時間，提高智能站調試效率。

3　虛端子訂閱路徑標識

3.1　GOOSE、SV發布控制塊VLAN標識

三層兩網結構。三層指的是站控層、間隔層和過程層。站控層設備有監控主機、操作員工作站、五防機、保信主子站、遠動一體化裝置等。間隔層設備包括保護裝置、測控裝置、電度表、故障錄波器、網絡分析儀、備自投、穩控、PMU等。過程層設備包括合并單元和智能終端（智能操作箱）。兩網指的是 MMS網絡和 GOOSE、SMV網。站控層和間隔層之間采用MMS、GOOES報文通信，間隔層和過程層之間采用GOOSE和SMV通信。保護裝置和測控裝置去掉了交流插件和開入開出插件，增加了SV插件和GOOSE插件，遙測采樣由合并單元完成，遙信采集和遙控出口由智能操作箱完成。它們之間的通信方式就是過程層的通信，先前的電纜接線采集換成了光纖傳輸，裝置之間點的對應關系通過虛端子的關聯完成。合并單元可以通過光纖點對點方式對保護和測控裝置上送遙測量，也可以通過組網方式。智能操作箱也可以通過光纖點對點方式對保護和測控裝置上送遙信量，也可以通過組網方式。

虛端子（virtual terminator）描述智能電子設備GOOSE輸入輸出信號、SV輸入輸出信號的連接點的總稱，傳統變電站是通過普通的電纜進行信號之間的連接，一根電纜只能傳遞一個信號，虛端子的出現即模擬了電纜連接的形式，虛端子回路連接圖如所示，PL2201A為線路保護，IL2201A為本間隔智能終端，ML2201A為本間隔合并單元，PM2201A為母線保護，PL2201A和IL2201A之間的GOOSE信號流向關系通過紅色連接線表示，箭頭代表數據流向；PL2201A和PM2201A之間的聯閉鎖GOOSE信號通過紅色連接線表示，箭頭代表數據流向；PL2201A和ML2201A之間的SV信號流向關系通過藍色連接線表示，箭頭代表數據流向。這樣裝置之間的二次回路信息就通過此虛回路圖清晰地標識出來。

3.2　數據流802.1Q

802.1Q的標準的規范和統一，在電力行業獲得了廣泛的推廣和應用，成為VLAN史上的一塊里程碑。

圖4　智能站配置流程

802.1Q Tag包含4個字段。分別為幀類型Type（固定取值為0x8100），Priority優先級字段，以太網幀格式標識 CFI（固定取值為 0），VLANID（取值范圍0～4095）。具體的幀格式如圖5所示。

圖5　VLAN字段

根據VLAN字段的特點，GOOSE和SV發布控制塊數據流在傳輸過程中，在進出交換機端口時將802.1Q標簽進行路徑標識，這樣交換機的進出端口就可以得到所有允許通過的數據流的VLAN標識。VLAN分配原則，GOOSE可以按照電壓等級，SV可以按照控制塊分配，配置器可以實現自動分配功能。

如圖所示，系統配置工具在添加全站ICD模型，將IED的虛端子關系配置完成后，添加交換機模型，只需要將交換機端口所連接設備端口號進行簡單的分配，見表2。

表2　交換機端口連接分配表

系統配置工具將就可以得到交換機端口 VlAN標識，將交換機端口VLAN配置和有關聯的IED設備進行展示，如圖 6所示，IED1、IED2、IED3、IED4、IED5設備均通過端口1分別與交換機的1口、2口、10口、11口和13口連接，交換機可記憶帶有VLAN標識的數據流將相關端口進行標識，從而直接得到交換機端口參數表見表3。

圖6　交換機連接關系示意圖

表3　交換機端口VLAN連接關系表

3.3　工程應用舉例

VLAN分配原則，GOOSE可以按照電壓等級，SV可以按照控制塊分配，以220kV過程層A網交換機配置信息規劃為例，A套主變及A套主變測控裝置，訂閱A套合并單元和A套智能終端的SV和GOOSE信號，交換機P1端口連接1號主變高A套合并單元組網口，P2端口連接1號主變A套保護組網口，P3端口連接1號主變A套本體智能終端組網口，P4端口連接1號主變A套智能終端組網口，P5端口連接1號主變高壓側測控裝置組網口，P6端口連接1號主變本體測控裝置組網口，P7端口為級聯口，連接至220kV中心交換機，通過系統配置工具將交換機的 P1—P7端口分別與所連接的設備端口進行關聯，引用此方法直接導出交換機系統參數表，見表4。

表4　工程交換機端口VLAN連接關系表

4　結論

本文結合智能變電站的調試現狀，充分解析61850技術，利用數據流802.1Q的VLAN字段標識的特點，通過系統配置工具智能配置的模式，從全站 SCD文件的虛端子連接關系中自動輸出交換機VLAN參數配置表，解決了目前依賴工程人員進行大量的手動配置工作的問題，縮減了人工配置的時間，提高了智能變電站的調試和運維效率。隨著國網對智能變電站規范逐漸統一，此方法將在智能變電站得到普及應用。