張憲軍，趙謙，梁志寶，晏平仲，楊瑞

(1.國電南京自動化股份有限公司，南京 210003；2.南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，南京 211153)

0 引言

智能變電站建設(shè)堅持“安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、功能集成、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、通用互換、運(yùn)行高效”的原則[1]，在變電站設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)維過程中，三網(wǎng)合一、網(wǎng)架簡潔[2]，采用的通信設(shè)備基于面向通用對象的變電站事件(GOOSE)管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)集中配置，節(jié)約IP地址源資，方便部署高效投運(yùn)，巡檢省時省力，故障診斷排查全面快速，更換交換機(jī)免配置，批量升級軟件，提高管理精確性、一致性、自動化水平。

智能變電站交換機(jī)在通用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)向電力專用交換機(jī)[3-6]技術(shù)演進(jìn)的過程中，以單機(jī)管理模式為主，單臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)管理方式可支持命令行接口(CLI)、遠(yuǎn)程登錄服務(wù)協(xié)議(Telnet)、安全殼協(xié)議(SSH)、超文本傳輸協(xié)議(HTTP)、超文本傳輸安全協(xié)議(HTTPS)、簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)、IEC 61850通信標(biāo)準(zhǔn)[7-8]、綜合網(wǎng)絡(luò)管理軟件(也稱電力專用網(wǎng)管)[9]。通信設(shè)備不全在監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)管理，配置復(fù)雜，維護(hù)困難。綜合網(wǎng)絡(luò)管理軟件通常不能安裝在監(jiān)控主機(jī)上，只有特定廠商的技術(shù)人員才能熟練使用調(diào)試主機(jī)進(jìn)行調(diào)測，不利于現(xiàn)場運(yùn)維人員實(shí)時高效管控所有通信設(shè)備。

當(dāng)智能變電站通信設(shè)備管理人員變更時，管理員密碼需要更改，當(dāng)前通常需要到每臺設(shè)備上修改，工作量大；通信設(shè)備默認(rèn)配置安裝完畢后，不能通過網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行配置管理，工作效率低下；當(dāng)前過程層交換機(jī)巡檢也需每臺交換機(jī)串口登錄，查看相關(guān)端口統(tǒng)計、系統(tǒng)日志、診斷信息、告警信息等。

每臺交換機(jī)的配置文件通常不能共享[10]；運(yùn)行過程中更換交換機(jī)需要對配置文件重新進(jìn)行上傳下載，整個過程手動處理，不能即插即用；當(dāng)交換機(jī)故障不能上傳配置文件，需要查找、備份、校驗(yàn)配置文件，且配置文件不是最新或不一致都可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信錯誤；通信設(shè)備系統(tǒng)軟件升級，需要對每臺交換機(jī)進(jìn)行近距離現(xiàn)場升級；已投運(yùn)的通信設(shè)備，當(dāng)出現(xiàn)概率性丟包事件時無法調(diào)試，僅憑專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)估判斷是非常困難的。這就需要豐富通信設(shè)備管理的信息和方式，方便現(xiàn)場故障診斷和運(yùn)維巡檢。

1 GMT總體設(shè)計

智能變電站交換機(jī)基于GOOSE管理技術(shù)，又稱級聯(lián)集群管理技術(shù)，是在智能變電站2層互聯(lián)互通的局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一管理。從管理角度看，1組交換機(jī)可以看成是1臺“整體”的交換機(jī)。2臺或2臺以上交換機(jī)通過級聯(lián)方式和集群管理協(xié)議組成一個集群，管理員采用1個IP地址和管理接口，對集群每個成員交換機(jī)進(jìn)行訪問和管理，自動發(fā)現(xiàn)設(shè)備，配置文件，備份恢復(fù)，自動升級映像文件，統(tǒng)一配置管理通道等。GMT不會對智能變電站現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生任何影響，支持星型、樹型、鏈型等典型和任意拓?fù)洹?/p>

1.1 基本特征

單臺交換機(jī)可以全局打開GMT，每個端口也可單獨(dú)打開和關(guān)閉。局域網(wǎng)中GMT支持交換機(jī)的最大個數(shù)為N(根據(jù)系統(tǒng)存儲和內(nèi)存資源可調(diào)整)，必須集群版本號完全一致才能建立連接管理,可配置是否轉(zhuǎn)發(fā)非本集群號協(xié)議控制報文。設(shè)置版本號是為了以后升級使用，舊版不支持新版技術(shù)功能，新版兼容舊版所有協(xié)議內(nèi)容。設(shè)置集群號是為了便于將不同廠商，同廠商不同批次的交換機(jī)在數(shù)量達(dá)到最大時分集群進(jìn)行管理。每臺交換機(jī)基于媒體訪問控制(MAC)地址進(jìn)行識別，擁有自己的名字屬性便于標(biāo)識。集群與集群之間是獨(dú)立關(guān)系。

集群中的交換機(jī)有4種模式: 主交換機(jī)(Master)、備交換機(jī)(Backup)、成員交換機(jī)(Member)、候選交換機(jī)(Candidate)。1個集群中只有1臺主交換機(jī)和1臺備交換機(jī)，其他均為成員交換機(jī)，不參與集群管理功能但又支持GMT的交換機(jī)為候選交換機(jī)，備交換機(jī)本身是成員交換機(jī)，但會和主交換機(jī)通信備份集群中所有其他交換機(jī)的配置文件，更換主交換機(jī)時可以接替主交換機(jī)工作。集群中主、備交換機(jī)可以通過選舉方式產(chǎn)生，設(shè)置優(yōu)先級或MAC地址選擇。動態(tài)選擇存在不確定性，收斂時間較大，智能變電站網(wǎng)絡(luò)對可靠性、延時性要求較高，不推薦使用動態(tài)選舉方式。推薦采用靜態(tài)配置交換機(jī)模式的方式，單臺交換機(jī)地位平等，每臺均可配置成為GMT主、備交換機(jī)。主交換機(jī)可以管理不同型號、不同配置的通信設(shè)備。主交換機(jī)若采用SNMP協(xié)議管理成員交換機(jī)，理論上可以管理任何廠商任何型號的設(shè)備，但實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，協(xié)議通信效率不高，命令行配置成SNMP識別的語法工作量龐大，所以通常采用2層簡單集群管理協(xié)議。

主交換機(jī)自動發(fā)現(xiàn)設(shè)備，建立集群，配置通道，管理成員交換機(jī)。主交換機(jī)根據(jù)MAC地址對成員交換機(jī)做唯一標(biāo)志，集群管理協(xié)議是基于2層協(xié)議設(shè)計的，因此不需要IP地址進(jìn)行成員管理。成員交換機(jī)信息包括MAC地址、名稱、模式、狀態(tài)、配置文件狀態(tài)，詳細(xì)信息包括日志告警和調(diào)試診斷信息。主交換機(jī)保存成員交換機(jī)的配置文件到非易失性永久存儲器件中。當(dāng)單個GMT成員交換機(jī)的數(shù)量達(dá)到最大后，打開GMT功能的交換機(jī)只能成為候選交換機(jī)。主交換機(jī)可以強(qiáng)制候選交換機(jī)加入GMT并進(jìn)行基于GOOSE管理，強(qiáng)制成員交換機(jī)成為候選交換機(jī)?？蓪Τ蓡T交換機(jī)進(jìn)行軟件升級、批量配置、更新配置文件、信息配置，包括集群命令行和網(wǎng)頁方式。默認(rèn)GMT功能是打開的，交換機(jī)處于成員模式，成員交換機(jī)不主動發(fā)包，但對GMT報文會響應(yīng)。

主交換機(jī)自動發(fā)現(xiàn)設(shè)備是一種動態(tài)方式，如周期性地每隔2 s發(fā)送一次探測報文，成員交換機(jī)短暫延時響應(yīng)。智能變電站在可靠性要求較高的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，可配置GMT模式為靜態(tài)方式，主交換機(jī)永不發(fā)送探測報文，只在需要的情況下發(fā)送管理報文，盡可能降低管理流量。不足的是成員交換機(jī)是否在線需要人工把握，管理報文無響應(yīng)則需要進(jìn)行原因排查，多數(shù)時候成員交換機(jī)都是在線和可用的，這種方法能夠充分享受GMT帶來的好處，又能避免長期激活。探測報文消耗帶寬和系統(tǒng)性能，管理報文可在專用網(wǎng)絡(luò)或帶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境通信。

動態(tài)設(shè)備發(fā)現(xiàn)方式下，主交換機(jī)采用組播地址發(fā)送探測報文，各個交換機(jī)向打開GMT功能的接口轉(zhuǎn)發(fā)，本組播地址直接寫到硬件組播地址轉(zhuǎn)發(fā)表中，端口成員是所有打開GMT功能的端口和中央處理器(CPU)端口。在帶內(nèi)環(huán)境下可以配置協(xié)議專用虛擬局域網(wǎng)(VLAN)傳輸集群管理報文，成員交換機(jī)可以直接轉(zhuǎn)發(fā)成員交換機(jī)協(xié)議報文不送自身CPU，也可所有協(xié)議報文都上送CPU，成員交換機(jī)根據(jù)接收到的主交換機(jī)的端口進(jìn)行針對性轉(zhuǎn)發(fā)，這樣所有協(xié)議報文只有一個生命周期，更好控制，但延時會較硬件轉(zhuǎn)發(fā)稍大。

更換主交換機(jī)時，備交換機(jī)可檢測到主交換機(jī)若干次未發(fā)送探測報文，自己將接替主交換機(jī)角色，也可通過手動配置變更。更換成員交換機(jī)或備交換機(jī)時，若MAC地址相同，成員交換機(jī)初次與主交換機(jī)相連，請求配置文件更新，配置文件均為動態(tài)生效，不必重啟設(shè)備。成員、備用、候選交換機(jī)CPU只接收主交換機(jī)的探測報文，響應(yīng)主交換機(jī)報文采用單播地址，避免產(chǎn)生大量無效的控制報文?？墒謩犹砑映蓡T交換機(jī)，不發(fā)送協(xié)議控制報文，直接進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。成員交換機(jī)可主動配置成與主交換機(jī)同步配置。改擴(kuò)建變電站增減交換機(jī)非常方便靈活。

(3) 該3-面為(3,5+,7)-面,由R2.1和R3.6得3-面和面上的3-點(diǎn)最多從7-點(diǎn)拿走的權(quán)值為

1.2 集群管理協(xié)議(CMP)

靜態(tài)方式下主交換機(jī)通過手動添加新成員的方式輸入成員交換機(jī)基本信息，包括MAC地址、名稱等信息，直接進(jìn)入可管理狀態(tài)。成員交換機(jī)接收主交換機(jī)命令報文并響應(yīng)。

動態(tài)方式下主交換機(jī)周期性發(fā)送探測報文，成員交換機(jī)接收到探測報文單設(shè)備短暫延時響應(yīng)，同時會帶自身MAC地址、名稱等信息。通信鏈路建立之后，若主交換機(jī)沒有成員交換機(jī)的配置文件則會獲取成員交換機(jī)的配置文件保存，若主交換機(jī)已有，根據(jù)需要主交換機(jī)會同步成員交換機(jī)配置文件并實(shí)時生效。成員交換機(jī)響應(yīng)主交換機(jī)探測報文，成為新成員，若干次不響應(yīng)(如10次)則主交換機(jī)認(rèn)為成員交換機(jī)處于離線狀態(tài)。處于離線狀態(tài)的成員交換機(jī)是不可配置管理的。備份交換機(jī)會從主交換機(jī)獲取包括主交換機(jī)在內(nèi)的所有配置文件備份，當(dāng)若干次(如30次且需大于主交換機(jī)重啟時間)接收不到主交換機(jī)的探測報文，則自己發(fā)送周期性探測報文，成員交換機(jī)將更新自身主交換機(jī)的MAC地址為備份交換機(jī)，備交換機(jī)接管整個集群交換機(jī)。

若主交換機(jī)接收到由自身發(fā)出的探測報文，則說明網(wǎng)絡(luò)有環(huán)路阻塞對應(yīng)的鏈路端口，若干次不能接收到自身發(fā)出的探測報文之后再重新打開被阻塞端口，這可防止網(wǎng)絡(luò)誤接線導(dǎo)致的環(huán)路故障，需告警并記錄日志。

1.3 配置命令

配置命令包括單機(jī)指令和批量配置。單機(jī)指令是主交換機(jī)先指定成員交換機(jī)，配置單組命令進(jìn)行下發(fā)，成員交換機(jī)執(zhí)行語法檢查，無誤后執(zhí)行相應(yīng)命令，并返回執(zhí)行結(jié)果給主交換機(jī)。單機(jī)指令可以一次下發(fā)一組命令，成員交換機(jī)按照順序執(zhí)行，若有一條執(zhí)行失敗則返回當(dāng)前執(zhí)行結(jié)果和失敗原因，不執(zhí)行后續(xù)命令。若通過網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)(NMS)對主交換機(jī)進(jìn)行操作，則主交換機(jī)還需要對結(jié)果進(jìn)行反饋。

批量配置命令是通過讀取相關(guān)命令對每個成員交換機(jī)進(jìn)行配置，每個成員都配置成功才算配置成功。單機(jī)交換機(jī)配置個性化較強(qiáng)，主交換機(jī)使用批量配置功能需嚴(yán)格檢查命令是否適合每個成員交換機(jī)，常見批量配置包括修改集群成員交換機(jī)管理密碼、配置文件備份恢復(fù)、一鍵收集調(diào)試診斷信息、自動升級映像文件等。

1.4 數(shù)據(jù)管理通道

智能變電站新一代交換機(jī)一般帶有專用以太網(wǎng)帶外管理接口,可利用帶外接口搭建專用交換機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)。硬件設(shè)計帶外管理接口數(shù)據(jù)只和交換機(jī)管理CPU通信，不經(jīng)交換機(jī)芯片，管理數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)通信數(shù)據(jù)嚴(yán)格分開，不占帶內(nèi)帶寬。增加若干交換機(jī)搭建新管理網(wǎng)絡(luò)專用平臺，是最理想的GMT網(wǎng)管環(huán)境。從交換機(jī)角度看只要帶寬允許，任何數(shù)據(jù)都一樣，不存在相互干擾的情況，在數(shù)據(jù)通道傳輸GMT協(xié)議和命令報文是可行的。主交換機(jī)發(fā)送探測報文頻率控制在每秒甚至數(shù)秒1次，GMT協(xié)議報文占用帶寬非常小。若帶內(nèi)收發(fā)管理數(shù)據(jù)，可在調(diào)試階段采用設(shè)備發(fā)現(xiàn)方式建立GMT集群，在投運(yùn)階段設(shè)為靜態(tài)方式，智能變電站網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化不頻繁，改擴(kuò)建變電站及時調(diào)整GMT配置，方便全站統(tǒng)一管理。

1.5 交換機(jī)配置文件

配置文件一般保存為命令行語法格式字符串，可編輯，支持上傳、下載，實(shí)時生效。早期采用二進(jìn)制格式保存配置文件，文件較大，無法離線編輯查看當(dāng)前配置。交換機(jī)配置文件新版行標(biāo)要求全站交換機(jī)統(tǒng)一采用XML語法格式配置文件，以符合“標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、通用互換”原則。配置文件本地保存方法是根據(jù)各個需保存模塊注冊的保存處理函數(shù)，與默認(rèn)配置參數(shù)進(jìn)行即時比較，若相同則無任何內(nèi)容保存，若有差異，則根據(jù)差異生成相應(yīng)命令行語法，所有模塊遍歷完成后生成配置文件緩存，然后保存到文件系統(tǒng)中去。注意各模塊配置命令有優(yōu)先級，加載時執(zhí)行先后順序。加載啟動過程是從文件系統(tǒng)中讀出配置文件，按生成時的順序執(zhí)行每一條命令行語法。GMT配置文件下載是動態(tài)即時生效的，即把系統(tǒng)(包括所有模塊)先恢復(fù)出廠配置，然后執(zhí)行配置文件命令，不必重啟整個系統(tǒng)。

1.6 更換交換機(jī)免配置

智能變電站電壓等級越高所用交換機(jī)數(shù)量越多，需保存的配置文件也越多，當(dāng)發(fā)生異常更換時，需人工找到對應(yīng)備份配置文件，維護(hù)工作量很大。GMT主交換機(jī)收集所有成員交換機(jī)配置文件并進(jìn)行本地保存，這些配置文件要設(shè)計得比較小，采用字符串方式保存。備份交換機(jī)保存主交換機(jī)配置文件，若更換的成員交換機(jī)與被替換交換機(jī)的MAC地址完全一致，則GMT可以直接更新配置文件實(shí)時生效。若MAC地址不一致，則可在GMT主交換機(jī)上進(jìn)行替換交換機(jī)的配置，使新MAC地址交換機(jī)能夠繼承前任交換機(jī)配置文件。更換GMT主交換機(jī)時，可從備份交換機(jī)導(dǎo)入前任配置文件。GMT能真正實(shí)現(xiàn)智能變電站交換機(jī)更換免配置，實(shí)現(xiàn)交換機(jī)整機(jī)“即插即用”。

1.7 一鍵收集調(diào)試診斷信息

電力交換機(jī)現(xiàn)場調(diào)試診斷信息是非干擾性的，即不影響智能變電站正常業(yè)務(wù)通信。所有診斷都是對已有通信異常的記錄，包括端口通斷狀態(tài)變更、端口錯誤丟包數(shù)(如循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)錯誤)、CPU利用率超過閾值、光端口光功率超過設(shè)定閾值、系統(tǒng)重啟時間、CPU溫度過高、廣播風(fēng)暴抑制恢復(fù)發(fā)生、端口接收非法報文、端口流量異常告警等信息，每個協(xié)議模塊還有自身診斷報文異常信息及系統(tǒng)異常日志信息。對于臨近或延長工業(yè)交換機(jī)產(chǎn)品使用壽命的情況，定期巡檢很有必要，發(fā)現(xiàn)異常及時分析原因和預(yù)防，避免更大事故發(fā)生。為全站范圍高效率巡檢和快捷分析現(xiàn)場問題，新一代智能變電站交換機(jī)提供一鍵收集診斷信息功能，大大提高巡檢和故障排除效率，且不對在運(yùn)通信業(yè)務(wù)造成任何影響。

1.8 批量升級軟件

智能變電站新一代交換機(jī)一般有引導(dǎo)程序(Bootrom)、系統(tǒng)映像文件、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)程序，個別有復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)升級程序。在無異常通信時一般不會有升級發(fā)生，但出現(xiàn)技術(shù)改進(jìn)或缺陷修正時，需要對全站交換機(jī)升級將是非常大的工作量。GMT能做到同型號集群交換機(jī)所有程序文件版本完全一致，自動進(jìn)行升級，精準(zhǔn)且省時省力。智能變電站工程技術(shù)和維護(hù)人員一般嚴(yán)禁同一個型號設(shè)備使用2種不同版本的程序文件，避免發(fā)生不可預(yù)測故障。單機(jī)程序升級一般支持雙程序文件，當(dāng)一個程序文件升級不成功或?qū)戦W存(Flash)過程中發(fā)生破壞，系統(tǒng)仍能自動識別好的程序文件使用。程序文件升級將會帶來單機(jī)系統(tǒng)重啟。

2 GMT協(xié)議設(shè)計

2.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

交換機(jī)軟件系統(tǒng)較復(fù)雜，應(yīng)用代碼行數(shù)一般超過百萬，因此良好的架構(gòu)設(shè)計能使產(chǎn)品穩(wěn)定可靠。軟件配置交換芯片寄存器直接可用功能包括訪問控制列表(ACL)、服務(wù)質(zhì)量(QOS)、鏡像、VLAN、單播/組播地址轉(zhuǎn)發(fā)表、風(fēng)暴抑制等。接口斷開連接的狀態(tài)變化是由硬件中斷信號反饋給CPU,軟件能夠在最短時間處理各個模塊注冊的端口變更函數(shù)。監(jiān)測類調(diào)試診斷信息包括各個協(xié)議模塊、交換機(jī)配置功能模塊、網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)類模塊。除命令行接口(CLI)外，其余均建立在傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(TCP/IP)之上。交換機(jī)GMT軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示，圖中列出2層動態(tài)協(xié)議所處位置，集群管理協(xié)議(CMP)是基于2層協(xié)議類型設(shè)計的，可很好地與系統(tǒng)融合。GMT涉及交換機(jī)管理所有信息，可讀寫全部配置參數(shù)，應(yīng)基于穩(wěn)定可靠、簡單高效、易擴(kuò)展原則設(shè)計智能變電站通信協(xié)議。按照管理方式，CLI，Telnet，SSH同屬命令行類別，底層可調(diào)用同一類應(yīng)用程序接口(API)函數(shù)，HTTP，HTTPS網(wǎng)頁類可調(diào)用同一類API函數(shù)，SNMP，IEC61850調(diào)用各自底層適配API函數(shù)。

主交換機(jī)若對本機(jī)進(jìn)行配置則直接調(diào)用本地相應(yīng)API執(zhí)行，若對成員交換機(jī)進(jìn)行配置，CMP則提供一套底層鏈路通道，通過CMP把相應(yīng)命令參數(shù)送到指定成員交換機(jī)。成員交換機(jī)解析命令參數(shù)，發(fā)現(xiàn)語法錯誤則直接返回錯誤并反饋錯誤提示信息，若命令參數(shù)合法則調(diào)用成員交換機(jī)本地相應(yīng)API執(zhí)行，執(zhí)行結(jié)果通過CMP返回給主交換機(jī)，主交換機(jī)CMP模塊最后返回給上層調(diào)用模塊。若PC-NMS(計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng))通過IEC 61850，SNMP，Web，Telnet遠(yuǎn)程訪問,則主交換機(jī)上層應(yīng)用需進(jìn)一步把執(zhí)行結(jié)果封裝返回給遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。

圖1 交換機(jī)GMT軟件系統(tǒng)架構(gòu)

CMP直接通過交換芯片2層收發(fā)原始數(shù)據(jù)報文。CMP報文的源地址為交換機(jī)MAC地址，此MAC地址在整個智能變電站網(wǎng)絡(luò)中唯一識別交換機(jī)，因此報文中將不再出現(xiàn)成員交換機(jī)MAC地址信息。CMP也接收報文隊(duì)列緩存接收的所有報文，當(dāng)成員交換機(jī)數(shù)據(jù)報文未接收完整時，主交換機(jī)將分別緩存成員交換機(jī)未接收完整的數(shù)據(jù)直至全部接收完畢。定時器任務(wù)定期檢查發(fā)送報文是否得到確認(rèn)，若在指定時間內(nèi)未接收確認(rèn)報文，則將重新發(fā)送上次發(fā)送過的報文，達(dá)到一定次數(shù)仍未接收確認(rèn)報文將認(rèn)為CMP鏈路斷開，交換機(jī)恢復(fù)到初始狀態(tài)。發(fā)送報文不采用滑動窗口方式確認(rèn)，智能變電站2層網(wǎng)絡(luò)推薦使用簡單停-等確認(rèn)模式，即只緩存最近一次發(fā)送報文，收到響應(yīng)或確認(rèn)報文后刪除請求或響應(yīng)緩存。

2.2 主交換機(jī)狀態(tài)機(jī)

主交換機(jī)需維護(hù)N套與成員或候選交換機(jī)對應(yīng)的交換機(jī)狀態(tài)機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每套狀態(tài)機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對應(yīng)于1個成員或候選交換機(jī)。因每個交換機(jī)地位平等，選取第0套(0為結(jié)構(gòu)數(shù)組索引編號)狀態(tài)機(jī)為成員或候選交換機(jī)自身的狀態(tài)機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。主交換機(jī)中每個成員交換機(jī)的狀態(tài)基于MAC地址進(jìn)行索引。系統(tǒng)初始化均為初始狀態(tài)，初始狀態(tài)不能做任何命令配置。當(dāng)接收到成員交換機(jī)的探測報文響應(yīng)時，啟動相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，狀態(tài)遷移到Active狀態(tài)。靜態(tài)方式時，主交換機(jī)處于靜態(tài)狀態(tài)，除非手動配置發(fā)生變更，否則主交換機(jī)的成員交換機(jī)將永遠(yuǎn)處于Static模式，可以對成員交換機(jī)進(jìn)行單命令配置和批量配置。在主交換機(jī)側(cè)，可以配置指定成員交換機(jī)和候選交換機(jī)狀態(tài)切換。當(dāng)從成員交換機(jī)切換到候選交換機(jī)時，待發(fā)送響應(yīng)或確認(rèn)后清除緩存，其余狀態(tài)保持不變。當(dāng)候選交換機(jī)切換到成員交換機(jī)時，接收一切配置命令。當(dāng)主交換機(jī)側(cè)發(fā)生配置模式變更時，成員或候選交換機(jī)接收到模式變更通知后將進(jìn)入相對應(yīng)模式。當(dāng)主交換機(jī)和成員或候選交換機(jī)配置模式發(fā)生沖突時，以主交換機(jī)命令優(yōu)先級高處理。主交換機(jī)側(cè)成員(候選)交換機(jī)狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。

2.3 成員交換機(jī)狀態(tài)機(jī)

候選、成員(備份)交換機(jī)可以接收主交換機(jī)的模式變更通知,也可以接受本地命令強(qiáng)制模式變更。當(dāng)本地配置模式變更時，發(fā)送模式變更通知給主交換機(jī)同步模式。與主交換機(jī)側(cè)相對應(yīng)同樣具備4個狀態(tài)，功能是相同的。在同一臺設(shè)備上實(shí)現(xiàn)有所區(qū)別，狀態(tài)機(jī)數(shù)值采用不同于主交換機(jī)側(cè)的對應(yīng)狀態(tài)。成員(候選)交換機(jī)除了接受本地配置命令發(fā)出的模式變更通知和配置文件同步等操作命令外，不會主動發(fā)送探測報文，都是響應(yīng)主交換機(jī)探測報文。成員(候選)狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

圖2 主交換機(jī)側(cè)成員(候選)交換機(jī)狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換

圖3 成員(候選)交換機(jī)狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換

2.4 報文格式

CMP為2層協(xié)議，可設(shè)定2層以太網(wǎng)協(xié)議類型為0×88AC,協(xié)議類型是要申請的。報文長度是指本報文包括從圖4 CMP報文格式第1個字節(jié)開始算至數(shù)據(jù)載荷最后一個字節(jié)的字節(jié)數(shù)，成員名稱是指成員交換機(jī)設(shè)置的名稱，便于識別和記憶。報文類型和命令類型見表1，報文類型分為請求、響應(yīng)、確認(rèn)和通知4種類型，根據(jù)實(shí)現(xiàn)需要可增加相應(yīng)類型，此分類便于根據(jù)報文類型直接調(diào)用相應(yīng)函數(shù)指針集合實(shí)現(xiàn)。命令類型根據(jù)支持的上層應(yīng)用管理方式分類，具體的安全命令行，HTTPS，SNMPv3，IEC 61850因不同設(shè)備廠商通信設(shè)備信息管理設(shè)計語法的差異，暫未有統(tǒng)一規(guī)范，只能根據(jù)廠商現(xiàn)有語法進(jìn)行命令解釋和執(zhí)行。D和F位是為批量分片重組報文使用，D為0表示沒有分片，D為1表示有分片還有后續(xù)報文；F為0表示最末報文，F(xiàn)為1表示不是最末報文還有后續(xù)報文。當(dāng)接收方接收完整分片報文后才進(jìn)行相應(yīng)命令處理。報文發(fā)送序列號為遞增回滾整數(shù)，接收序列號供確認(rèn)報文使用，為所響應(yīng)或確認(rèn)報文的發(fā)送序列號。數(shù)據(jù)總長度為首報文使用，后續(xù)報文可以不填寫。發(fā)送序列號、接收序列號、數(shù)據(jù)總長度在探測報文不使用，因?yàn)樘綔y報文是依賴超時機(jī)制等待響應(yīng)的報文，不需要單個報文確認(rèn)。

圖4 CMP報文格式

表1 報文類型和命令類型

2.5 報文時序圖

報文按功能可分為4大類，周期性探測報文、消息(命令)通知報文、單配置報文、批量命令報文。智能變電站對可靠性要求非常高，請求報文均設(shè)計為有響應(yīng)或確認(rèn)報文，從而避免因報文丟失而功能未實(shí)現(xiàn)。只有主交換機(jī)才能發(fā)送周期性探測報文。主、成員交換機(jī)均可主動發(fā)送消息通知報文，包括鏈路狀態(tài)通斷，主交換機(jī)主動使成員交換機(jī)加入、離開，成員交換機(jī)主動加入、離開GMT，系統(tǒng)重新啟動，異常告警等。確認(rèn)報文丟失，發(fā)送方將定時再次發(fā)送請求報文，累計一定次數(shù)后狀態(tài)機(jī)將恢復(fù)到初始狀態(tài)，認(rèn)為對方處于離線狀態(tài)。配置響應(yīng)報文包含配置請求報文的執(zhí)行結(jié)果，對收到配置請求響應(yīng)的命令可刪除不再重發(fā)。收到配置響應(yīng)報文需要回復(fù)確認(rèn)報文，成員交換機(jī)收到確認(rèn)后可刪除響應(yīng)報文不再重發(fā)。對需要多次響應(yīng)的批量配置命令，請求發(fā)一次，響應(yīng)將分片進(jìn)行發(fā)送，每個分片都需要進(jìn)行確認(rèn)才能發(fā)送下一個分片直至結(jié)束。主交換機(jī)可發(fā)送批量命令，如批量配置密碼、配置文件同步、批量升級、一鍵診斷等，成員交換機(jī)也可以發(fā)送批量命令，如配置文件同步等。CMP報文收發(fā)時序如圖5所示。

圖5 CMP報文收發(fā)時序圖

3 GMT實(shí)現(xiàn)

在新一代智能變電站交換機(jī)上實(shí)現(xiàn)了上述GMT功能。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境搭建如圖6所示的 GMT星型拓?fù)洌o每個交換機(jī)起個易識別的名稱，若僅靠MAC地址相區(qū)別交換機(jī)將非常容易弄混淆。默認(rèn)GMT是沒有主交換機(jī)的，配置Orchid 為主交換機(jī)，Chrysanthemum為備用交換機(jī)，則Orchid周期性地每隔2 s發(fā)送1次探測報文，各個成員交換機(jī)將回復(fù)主交換機(jī)的探測報文并同步備份自己的配置文件到主交換機(jī)。備用交換機(jī)將同步所有GMT交換機(jī)的配置文件到自己。Lotus,Peony為候選交換機(jī)，主交換機(jī)不能直接對其進(jìn)行管理，但知道它們的存在，因候選交換機(jī)回復(fù)主交換機(jī)的探測報文。Narcissus,Plus 2個交換機(jī)不支持GMT，但能夠和GMT中交換機(jī)正常配合工作，不足的是需單機(jī)管理，給其配置IP地址或通過命令行模式管理[14-18]。網(wǎng)管系統(tǒng)只需登錄主交換機(jī)即可對所有成員交換機(jī)進(jìn)行管理。通過主交換機(jī)可以實(shí)現(xiàn)成員交換機(jī)的單命令配置、批量配置密碼、配置文件同步、批量升級、一鍵診斷等功能。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境管理數(shù)據(jù)通過帶內(nèi)數(shù)據(jù)通道動態(tài)發(fā)現(xiàn)設(shè)備。更換相同MAC地址成員交換機(jī)，打開GMT功能上電免配置自動恢復(fù)到之前的配置，精準(zhǔn)自動化管理通信設(shè)備。更換主交換機(jī)，通過命令行語法方式配置實(shí)現(xiàn)較為簡便，Web方式數(shù)據(jù)量稍大,備份交換機(jī)經(jīng)若干時間后成為主交換機(jī)[19-21]。

圖6 GMT星型拓?fù)?/p>

4 結(jié)論

智能變電站交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)安裝在監(jiān)控服務(wù)器上會增加系統(tǒng)出故障的風(fēng)險，當(dāng)前通常用于調(diào)試輔助工具，而GMT根植于每個通信設(shè)備則不存在這樣問題。GMT對通信設(shè)備高效率管理和運(yùn)維將對全站故障快速排除和定位提供有力保障，極大地降低通信設(shè)備工程和運(yùn)維人員工作量，提高通信設(shè)備管理工作效率1個數(shù)量級。

GMT在智能變電站是一個新生設(shè)計嘗試，智能變電站需要高可靠性管理，期望將來能夠做出智能變電站工業(yè)通信領(lǐng)域基于GOOSE管理行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。通信設(shè)備配置文件、配置命令語法(IEC 61850)還需進(jìn)一步統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，以便實(shí)現(xiàn)各個通信廠商設(shè)備的基于GOOSE管理的互通互換。GMT不足是實(shí)現(xiàn)起來相對復(fù)雜，技術(shù)細(xì)節(jié)較多，涉及交換機(jī)所有模塊的所有管理信息。交換機(jī)能感知智能變電站全站設(shè)備拓?fù)鋱D，便于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔收峡焖俣ㄎ弧?/p>

基于GOOSE管理技術(shù)GMT設(shè)計可供智能變電站通信設(shè)備研發(fā)設(shè)計、工程技術(shù)和運(yùn)維人員參考。感興趣的讀者可參考交換機(jī)堆疊、智能彈性架構(gòu)(IRF)、集群級聯(lián)管理、TCP/IP協(xié)議研發(fā)適合在智能變電站生產(chǎn)控制局域網(wǎng)工業(yè)通信領(lǐng)域使用的集中式管理技術(shù)，優(yōu)化配置，提高網(wǎng)管可靠性和管理效率。