左歡歡， 彭 奇， 王德輝， 羅凌璐， 李 超

(1. 智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210061；2. 國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211006；3. 南瑞集團(tuán) (國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 211006)

0 引言

智能變電站是智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐。在智能變電站中，以交換機(jī)為核心的通信網(wǎng)絡(luò)起著關(guān)鍵的作用[1]，間隔層和過程層之間取消了傳統(tǒng)硬接線，通過交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸開關(guān)信號(hào)、采樣值等信息[2-3]，這些信息以面向通用對(duì)象的變電站事件(GOOSE)/取樣值(SV)報(bào)文的形式傳輸?，F(xiàn)場(chǎng)采用手工方式配置交換機(jī)虛擬局域網(wǎng)(VLAN)、組播表等以保證GOOSE/SV報(bào)文正確轉(zhuǎn)發(fā)，工作量大且易出錯(cuò)，出錯(cuò)后的糾錯(cuò)過程也十分繁瑣。因此，實(shí)現(xiàn)交換機(jī)的自動(dòng)配置在工程應(yīng)用上有重大意義。

變電站配置(SCD)文件描述了變電站內(nèi)所有智能電子設(shè)備(IED)的實(shí)例配置、通信參數(shù)和IED之間的通信配置等信息。但SCD文件僅描述了二次設(shè)備間的邏輯連接關(guān)系和網(wǎng)絡(luò)地址，缺少對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑敿?xì)描述，并且IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)對(duì)交換機(jī)建?？紤]甚少[4-5]。文中描述了智能變電站交換機(jī)信息模型和SCD物理拓?fù)淠Ｐ偷慕?，在邏輯連接和物理連接關(guān)系完整的SCD文件基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)交換機(jī)配置信息提取并自動(dòng)配置的方法。

1 SCD建模

1.1 交換機(jī)建模

文獻(xiàn)[6—7]分別從基本性能和高級(jí)應(yīng)用兩個(gè)方面分析了智能變電站交換機(jī)的數(shù)據(jù)需求和建模原則，并詳細(xì)展現(xiàn)了交換機(jī)建模方法。文中建立圖1所示的交換機(jī)基本模型，圖中除了LPHD、LLN0等系統(tǒng)邏輯節(jié)點(diǎn)之外，還包含多個(gè)APST邏輯節(jié)點(diǎn)、多個(gè)APNE邏輯節(jié)點(diǎn)和GGIO邏輯節(jié)點(diǎn)。APST表示端口狀態(tài)監(jiān)控，APNE表示端口流量統(tǒng)計(jì)，GGIO表示基本運(yùn)行告警，n代表端口號(hào)(1～N)。

圖1 交換機(jī)IED的對(duì)象模型Fig.1 Object model of switch IED

通過模型，以太網(wǎng)交換機(jī)也可作為IED被包含在SCD文件中。

1.2 SCD物理拓?fù)潢P(guān)系建模

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)定義和描述了邏輯連接，但弱化了對(duì)物理連接關(guān)系和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的描述。GOOSE/SV的發(fā)布/訂閱關(guān)系只是邏輯連接關(guān)系，最終需要通過物理連接才能完成實(shí)際數(shù)據(jù)的交換。文獻(xiàn)[8]描述了SCD中表示物理連接的PhysConn節(jié)點(diǎn)；文獻(xiàn)[9—10]描述了在PhysConn節(jié)點(diǎn)增加Cable 屬性描述，以此表示連接電纜號(hào)，進(jìn)而表征IED間的物理連接關(guān)系。文中交換機(jī)端口與其他IED的物理連接描述表示在S1訪問點(diǎn)下，由于交換機(jī)本身只是轉(zhuǎn)發(fā)GOOSE/SV報(bào)文，因此文中不增加交換機(jī)的G1/M1訪問點(diǎn)描述。

2 交換機(jī)配置信息提取

SCD中通信系統(tǒng)(Communication)配置了GOOSE/SV控制塊的以太網(wǎng)參數(shù)和報(bào)文發(fā)送周期。以太網(wǎng)參數(shù)是GOOSE/SV報(bào)文能夠在以太網(wǎng)中正確傳輸?shù)幕A(chǔ)；組播地址是GOOSE/SV控制塊的唯一地址，也是接收方判斷報(bào)文是否被訂閱的主要依據(jù)。為了讓交換機(jī)正確轉(zhuǎn)發(fā)，需要給交換機(jī)配置VLAN和組播地址轉(zhuǎn)發(fā)表。而變電站中IED數(shù)量較多，人工配置交換機(jī)不但繁瑣，且錯(cuò)誤率高。因此提出一種從SCD文件中提取交換機(jī)配置信息的實(shí)現(xiàn)方法：

(1) 解析SCD文件[11-13]，從中提取有效信息保存到數(shù)據(jù)庫(kù)；

(2) 利用數(shù)據(jù)庫(kù)的表連接和提取功能匹配出交換機(jī)端口的配置信息；

(3) 將數(shù)據(jù)庫(kù)表中的交換機(jī)端口配置信息保存成可擴(kuò)展標(biāo)記語言(XML)格式輸出。

交換機(jī)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(gè)部分：信息頭(Header)、變電站描述(Substation)、IED、Communication和數(shù)據(jù)類型模板(DataTypeTemplate)[14]。IED節(jié)點(diǎn)描述了IED與IED之間的GOOSE/SV的訂閱/發(fā)布關(guān)系，即交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)信息的源點(diǎn)和終點(diǎn)；Communication節(jié)點(diǎn)描述了IED與IED之間的物理連接關(guān)系(即信息流經(jīng)的路徑)和通信參數(shù)；兩者結(jié)合可以得出信息源經(jīng)過了某臺(tái)交換機(jī)的某個(gè)端口到達(dá)目的裝置以及交換機(jī)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(guān)系信息提取

GOOSE/SV發(fā)布和訂閱關(guān)系在IED節(jié)點(diǎn)描述。SV的發(fā)布通過SV控制塊SampledValueControl實(shí)現(xiàn)，GOOSE的發(fā)布通過GOOSE控制塊GSEControl實(shí)現(xiàn)。其中，datSet屬性指定了與本控制塊關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集DataSet由多個(gè)功能約束數(shù)據(jù)屬性(FCDA)成員組成。SV和GOOSE的訂閱是在Inputs節(jié)點(diǎn)下定義的，Inputs節(jié)點(diǎn)由多個(gè)外部引用條目ExtRef組成[15-16]，每個(gè)外部引用條目指定了內(nèi)部輸入虛端子的地址intAddr和外部輸出虛端子地址。根據(jù)引用條目的iedName、ldInst屬性可找到外部信號(hào)所在的IED和邏輯設(shè)備LDevice，遍歷該外部LDevice下所有DataSet，通過比對(duì)ldInst、prefix、lnClass、lnInst、doName、daName屬性可找到匹配的數(shù)據(jù)集，進(jìn)而找到與數(shù)據(jù)集關(guān)聯(lián)的控制塊。至此，確定發(fā)布控制塊和接收訪問點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立虛回路。

根據(jù)上述分析，需在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立控制塊與數(shù)據(jù)集的關(guān)系表、數(shù)據(jù)集與成員的關(guān)系表以及GOOSE/SV訂閱關(guān)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(shù)據(jù)集的關(guān)系Tab.1 Relation table of control block and data set

表2 數(shù)據(jù)集與成員的關(guān)系Tab.2 Relation table of data set and the members

表3 GOOSE/SV訂閱關(guān)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(diǎn)名稱；LD為邏輯設(shè)備名；DS為數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)集與訂閱IED訪問點(diǎn)的關(guān)系，如表4所示。

表4 外部輸出虛端子所屬數(shù)據(jù)集與訂閱IED訪問點(diǎn)的關(guān)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(guān)聯(lián)控制塊與訂閱IED訪問點(diǎn)的關(guān)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(guān)聯(lián)控制塊與訂閱IED訪問點(diǎn)的關(guān)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(guān)系提取

IED每個(gè)訪問點(diǎn)可以關(guān)聯(lián)多個(gè)物理端口，PhysConn的類型屬性規(guī)定了本訪問點(diǎn)到總線的連接端口、物理連接類型、連接電纜號(hào)，Cable屬性表征了物理連接的電纜號(hào)。電纜號(hào)相同的端口采用物理連接。訪問點(diǎn)與關(guān)聯(lián)物理端口的關(guān)系如表6所示，其中CABLE為電纜編號(hào)。

表6 訪問點(diǎn)與關(guān)聯(lián)端口關(guān)系Tab.6 Relation table of accesspoint and associated ports

兩點(diǎn)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(hào)。

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

2.2 交換機(jī)端口配置信息匹配

過程層GOOSE服務(wù)與SV服務(wù)是分訪問點(diǎn)建模的，GOCB屬于GOOSE服務(wù)訪問點(diǎn)，SVCB屬于SV服務(wù)訪問點(diǎn)，對(duì)應(yīng)關(guān)系體現(xiàn)在表1中。當(dāng)DataSet中任何一個(gè)成員數(shù)據(jù)值發(fā)生變化，裝置會(huì)馬上發(fā)送包含該DataSet所有數(shù)據(jù)的GOOSE/SV報(bào)文[17]，報(bào)文從訪問點(diǎn)關(guān)聯(lián)物理端口發(fā)出。表1和表6連接可得到控制塊和關(guān)聯(lián)物理端口的關(guān)系，如表8所示。

表8 控制塊和關(guān)聯(lián)端口的關(guān)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(xù)處理效率。邏輯連接通過物理連接才能實(shí)現(xiàn)真正的通信。表7是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的硬件連接表，表8和表7連接可得到虛回路發(fā)布控制塊與鄰居IED端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表9所示。

表9 虛回路發(fā)布控制塊與鄰居端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.9 Relation table of PUBCBbelong to virtual loop and neighbor ports

文中提取的目標(biāo)是交換機(jī)端口的配置信息，與交換機(jī)無關(guān)的信息處理都會(huì)增加處理復(fù)雜度。表9中IedName_R不是交換機(jī)的條目說明發(fā)布方和訂閱方是直連通信，不經(jīng)過交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，所以將表9中IedName_R不是交換機(jī)的條目刪除。表7和表6連接可以得到SCD中所有IED訪問點(diǎn)與鄰居IED端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表10所示。

表10 IED訪問點(diǎn)與鄰居端口的對(duì)應(yīng)關(guān)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(jī)的冗余條目。則表10僅保存虛回路訂閱訪問點(diǎn)與鄰居交換機(jī)IED端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

在實(shí)際物理拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中，訂閱IED與發(fā)布IED之間可以通過一級(jí)或多級(jí)交換機(jī)互聯(lián)。若訂閱方與發(fā)布方經(jīng)過一級(jí)交換機(jī)互聯(lián)，則表5中虛回路條目的CB在表9中對(duì)應(yīng)的IedName_R與虛回路條目的AP在表10中對(duì)應(yīng)的IedName_L應(yīng)相同。表5、表9、表10連接提取可以得到通過一級(jí)交換機(jī)互聯(lián)的發(fā)布訂閱關(guān)系，如表11所示。

表11 通過一級(jí)交換機(jī)互聯(lián)的發(fā)布訂閱關(guān)系Tab.11 Relation table ofSUB/PUB through one switch

若訂閱方與發(fā)布方經(jīng)過兩級(jí)或多級(jí)交換機(jī)互聯(lián)，則先提取交換機(jī)與交換機(jī)之間的物理連接，確定級(jí)聯(lián)端口。將表7中端口連接表IedName_R或IedName_L為非交換機(jī)的條目刪除，得到交換機(jī)與交換機(jī)的物理連接表。將表7與自身關(guān)聯(lián)可得到兩級(jí)或多級(jí)交換機(jī)互聯(lián)表。再與表5、表9、表10連接提取可得到通過兩級(jí)或多級(jí)交換機(jī)互聯(lián)的發(fā)布訂閱關(guān)系表。

Communication中有描述各個(gè)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(bào)文，PortNo_R轉(zhuǎn)發(fā)GOOSE/SV報(bào)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(yīng)用中，與裝置終端直連的交換機(jī)端口為ACCESS口，與交換機(jī)級(jí)聯(lián)的交換機(jī)端口為TRUNK口，ACCESS口對(duì)應(yīng)不帶標(biāo)簽(UNTAG)成員口類型，TRUNK口對(duì)應(yīng)帶標(biāo)簽(TAG)成員口類型，因此在表12中增加了列屬性flg以標(biāo)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(fā)布。

從表12可知，端口應(yīng)配置成VLAN號(hào)為vlanid的成員端口。根據(jù)ACCESS/TRUNK標(biāo)記，可確定成員端口為UNTAG/TAG類型。

表12 交換機(jī)端口信息Tab.12 Information table of switch port

當(dāng)控制塊vlanid為000時(shí)，為了保證報(bào)文正常轉(zhuǎn)發(fā)，需要給交換機(jī)端口配置私有VLAN(PVLAN)，即為flg=A /S的端口配置PVLAN值。同時(shí)需要給控制塊自動(dòng)分配非零的vlanid(VLAN劃分規(guī)則不贅述)。當(dāng)多個(gè)vlanid為000的控制塊報(bào)文從同一端口流入交換網(wǎng)絡(luò)時(shí)，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(jī)配置保存文件類型為交換機(jī)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(jī)每一個(gè)端口上GOOSE/SV發(fā)布/訂閱的描述信息；GOOSEPUB/GOOSESUB/SVPUB/SVSUB節(jié)點(diǎn)用于記錄交換機(jī)某一端口中發(fā)送/接收的GOOSE/SV數(shù)據(jù)配置；GOOSEPUB下的多個(gè)GOCBref元素表示該交換機(jī)端口有多種GOOSE報(bào)文被發(fā)送，可能來自于一臺(tái)IED，也可能來自于多個(gè)IED；SwConfig用于描述每臺(tái)交換機(jī)參數(shù)配置，F(xiàn)ib表描述交換機(jī)組播轉(zhuǎn)發(fā)信息，轉(zhuǎn)發(fā)表包含macaddress、vlanid、appid和轉(zhuǎn)發(fā)成員端口列表；Vlan表描述交換機(jī)VLAN配置信息，包含vlanid、tagPbits、UntagPbits；PVlan表描述交換機(jī)端口PVLAN配置信息。

3 實(shí)例描述

圖4是一個(gè)包含物理連接的簡(jiǎn)單實(shí)例SCD模型。其中，CXL2201為開關(guān)測(cè)控裝置；IXL2201為智能終端；SW01為交換機(jī)。CXL2201訂閱IXL2201發(fā)布的gocb0信息，測(cè)控裝置通過電纜L2直連交換機(jī)，智能終端通過電纜L1直連交換機(jī)，測(cè)控裝置與智能終端間通過交換機(jī)連接通信。

圖4 實(shí)例SCD模型Fig.4 SCD model of instance

實(shí)例SCD提取輸出的CSD文件樹形結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中SCL為XML格式的CSD文件的根節(jié)點(diǎn)。CSD文件可以直接下載到交換機(jī)，交換機(jī)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)按照配置文件進(jìn)行配置，省去了手動(dòng)修改的繁瑣。

圖5 輸出的CSD文件結(jié)構(gòu)Fig.5 CSD file structure output

4 結(jié)語

文中在建立交換機(jī)模型和SCD物理拓?fù)溥B接模型的基礎(chǔ)上，對(duì)SCD文件內(nèi)部數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)進(jìn)行了研究分析，并根據(jù)實(shí)際工程需求，實(shí)現(xiàn)了交換機(jī)配置信息的提取，完成交換機(jī)自動(dòng)配置。該方案已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室通過搭建過程層網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證，省去了交換機(jī)手動(dòng)配置且功能無誤，裝置間信號(hào)收發(fā)無誤，能達(dá)到預(yù)期效果。該方法需要對(duì)SCD進(jìn)行較小的擴(kuò)展。后續(xù)推廣中需要統(tǒng)一變電站物理拓?fù)淠Ｐ?，?shí)現(xiàn)交換機(jī)建模標(biāo)準(zhǔn)化，系統(tǒng)配置工具能支持?jǐn)U展SCD，交換機(jī)能支持CSD格式配置文件的下發(fā)。交換機(jī)自動(dòng)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供支撐。

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