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(xué)，北京　102206）

隨著智能站智能電子設(shè)備的普遍應(yīng)用和站內(nèi)設(shè)備通信能力的提高，交換機通用組播注冊協(xié)議（multicast registration protocol, GMRP）和虛擬局域網(wǎng)（virtual local area network, VLAN）技術(shù)的應(yīng)用逐漸得到普及和重視，而虛擬局域網(wǎng)的應(yīng)用從各方面考慮要比組播注冊協(xié)議應(yīng)用更普遍一些，它最大限度的提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率和資源利用率，對網(wǎng)絡(luò)通信安全性提供了更有利的保證，虛擬局域網(wǎng)的劃分成為智能變電站工程調(diào)試不可缺少的重要環(huán)節(jié)。本文提出的通過系統(tǒng)配置工具輸出全站VLAN劃分參數(shù)配置表，對提高智能變電站的調(diào)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(yīng)用現(xiàn)狀和對比

VLAN技術(shù)目前多采用基于802.1Q的VLAN，對網(wǎng)絡(luò)進行靜態(tài)數(shù)據(jù)流向劃分，需要配置報文VID，體現(xiàn)在全站系統(tǒng)配置文件（substation configuration description, SCD）模型文件中，存儲在裝置內(nèi)部，需要配置交換機VLAN，存儲在交換機中。

GMRP組播注冊協(xié)議，根據(jù)裝置的GMRP注冊報文動態(tài)劃分數(shù)據(jù)流向，注冊報文流向全網(wǎng)，交換機定時查詢所有運行裝置（leave all），裝置需要給出應(yīng)答報文（join in），需要配置裝置訂閱報文的目的MAC地址，體現(xiàn)在SCD模型文件中，儲存在裝置內(nèi)部。

1）VLAN報文結(jié)構(gòu)（如圖1所示）

圖1　VLAN報文

2）GMRP報文結(jié)構(gòu)（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(wǎng)絡(luò)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(shù)應(yīng)用較為普遍的原因，VLAN具備運行穩(wěn)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(diào)試流程

2.1　工程實施現(xiàn)狀

目前智能站的工程實施過程，離不開系統(tǒng)配置工具，系統(tǒng)配置工具將站內(nèi)設(shè)備的模型文件集成在一起，根據(jù)站內(nèi)情況和用戶需求進行系統(tǒng)的配置，設(shè)備生產(chǎn)商用裝置配置工具對系統(tǒng)配置工具集成的全站配置文件進行裝置的配置和系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)，具體流程制作過程如圖3所示。

整個變電站的智能設(shè)備描述以及監(jiān)控后臺的配置調(diào)試流程可概括如下。

圖3　GOOSE網(wǎng)絡(luò)圖

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

2）ICD：IED能力描述文件，該文件描述變電站一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及相關(guān)聯(lián)的邏輯接點。模型建模必須按照相應(yīng)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(shù)規(guī)范》，若模型不規(guī)范，在后續(xù)與其他設(shè)備通信之間就會存在問題，并且模型一致性、協(xié)議一致性都有可能出現(xiàn)問題，導(dǎo)致系統(tǒng)聯(lián)調(diào)出現(xiàn)癥結(jié)，ICD模型文件的正確性直接影響到整個智能站的調(diào)試效率。

3）CID：智能電子設(shè)備經(jīng)過實例化后的文件，每個智能電子設(shè)備對應(yīng)一個CID文件，由裝置配置工具通過全站配置文件SCD中導(dǎo)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(tǒng)配置文件，將站內(nèi)智能電子設(shè)備的原始模型文件ICD集成在一起，根據(jù)站內(nèi)情況和用戶需求進行IP地址、VLAN劃分等參數(shù)的分配，一般是系統(tǒng)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(yīng)全面，除了ICD原始信息，還需要明確版本、修改內(nèi)容等。

系統(tǒng)配置器是整合一個智能變電站內(nèi)各個孤立的智能電子設(shè)備（intelligent electronic device, IED）為一個完善的變電站自動化系統(tǒng)的系統(tǒng)性工具，可配置每個IED的通信參數(shù)、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(shù)據(jù)集、GOOSE連線、DOI（data object）描述等，生成全站 SCD系統(tǒng)配置文件，并可導(dǎo)出（configured IED description, CID）裝置實例配置文件。

2.2　VLAN劃分工程現(xiàn)狀

目前工程實施過程，調(diào)試人員根據(jù)全站智能電子設(shè)備的連接關(guān)系，首先提前手動整理出一份交換機參數(shù)配置參考表，包括每臺智能電子設(shè)備間的發(fā)布和訂閱關(guān)系，與交換機之間的連接關(guān)系，都需要非常清楚了解，參照整理完的交換機參數(shù)配置表，再對智能電子設(shè)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(diào)試比重，對工程調(diào)試人員的調(diào)試經(jīng)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(xiàn)和導(dǎo)出全站VLAN關(guān)系的配置表，成為當下智能變電站調(diào)試的當務(wù)之急。本文提出的通過系統(tǒng)配置工具輸出全站VLAN劃分參數(shù)配置表，對提高智能變電站的調(diào)試效率具有很高的參考價值。通過系統(tǒng)配置工具自行導(dǎo)出交換機的VLAN配置，將大大減少配置時間，提高智能站調(diào)試效率。

3　虛端子訂閱路徑標識

3.1　GOOSE、SV發(fā)布控制塊VLAN標識

三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)。三層指的是站控層、間隔層和過程層。站控層設(shè)備有監(jiān)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(shè)備包括保護裝置、測控裝置、電度表、故障錄波器、網(wǎng)絡(luò)分析儀、備自投、穩(wěn)控、PMU等。過程層設(shè)備包括合并單元和智能終端（智能操作箱）。兩網(wǎng)指的是 MMS網(wǎng)絡(luò)和 GOOSE、SMV網(wǎng)。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(yīng)關(guān)系通過虛端子的關(guān)聯(lián)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(wǎng)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(wǎng)方式。

虛端子（virtual terminator）描述智能電子設(shè)備GOOSE輸入輸出信號、SV輸入輸出信號的連接點的總稱，傳統(tǒng)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(xiàn)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(guān)系通過紅色連接線表示，箭頭代表數(shù)據(jù)流向；PL2201A和PM2201A之間的聯(lián)閉鎖GOOSE信號通過紅色連接線表示，箭頭代表數(shù)據(jù)流向；PL2201A和ML2201A之間的SV信號流向關(guān)系通過藍色連接線表示，箭頭代表數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流802.1Q

802.1Q的標準的規(guī)范和統(tǒng)一，在電力行業(yè)獲得了廣泛的推廣和應(yīng)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(yōu)先級字段，以太網(wǎng)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(jù)VLAN字段的特點，GOOSE和SV發(fā)布控制塊數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)自動分配功能。

如圖所示，系統(tǒng)配置工具在添加全站ICD模型，將IED的虛端子關(guān)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(shè)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(tǒng)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(guān)聯(lián)的IED設(shè)備進行展示，如圖 6所示，IED1、IED2、IED3、IED4、IED5設(shè)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(shù)據(jù)流將相關(guān)端口進行標識，從而直接得到交換機端口參數(shù)表見表3。

圖6　交換機連接關(guān)系示意圖

表3　交換機端口VLAN連接關(guān)系表

3.3　工程應(yīng)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(wǎng)交換機配置信息規(guī)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(wǎng)口，P2端口連接1號主變A套保護組網(wǎng)口，P3端口連接1號主變A套本體智能終端組網(wǎng)口，P4端口連接1號主變A套智能終端組網(wǎng)口，P5端口連接1號主變高壓側(cè)測控裝置組網(wǎng)口，P6端口連接1號主變本體測控裝置組網(wǎng)口，P7端口為級聯(lián)口，連接至220kV中心交換機，通過系統(tǒng)配置工具將交換機的 P1—P7端口分別與所連接的設(shè)備端口進行關(guān)聯(lián)，引用此方法直接導(dǎo)出交換機系統(tǒng)參數(shù)表，見表4。

表4　工程交換機端口VLAN連接關(guān)系表

4　結(jié)論

本文結(jié)合智能變電站的調(diào)試現(xiàn)狀，充分解析61850技術(shù)，利用數(shù)據(jù)流802.1Q的VLAN字段標識的特點，通過系統(tǒng)配置工具智能配置的模式，從全站 SCD文件的虛端子連接關(guān)系中自動輸出交換機VLAN參數(shù)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(diào)試和運維效率。隨著國網(wǎng)對智能變電站規(guī)范逐漸統(tǒng)一，此方法將在智能變電站得到普及應(yīng)用。