智能變電站網絡交換機信息模型及映射實現(xiàn)

張小建,吳軍民

（中國電力科學研究院信息通信研究所,江蘇 南京 210003）

0 引言

為了實現(xiàn)變電站內不同廠家設備的互操作性，IEC TC57 工作組在2000年SPAG 會議上決定以IEC 61850 標準作為電力系統(tǒng)無縫通信體系標準[1]。IEC 61850 通信協(xié)議采用面向對象技術和抽象通信服務接口對站內智能電子設備(Intelligent Electronic Device,IED)的數(shù)據(jù)對象統(tǒng)一建模，實現(xiàn)了智能變電站內的無縫通信[2]。網絡通信系統(tǒng)承載智能變電站SV 采樣值和GOOSE 跳閘信號等關鍵數(shù)據(jù)通信業(yè)務，非常關鍵。但IEC 61850 并未構建網絡交換機配置、管理信息模型，給站內網絡管理和維護帶來困惑。因此，將網絡交換機作為一種IED 設備納入IEC 61850 標準體系中，研究其在IEC 61850 標準下的信息模型建立和映射實現(xiàn)具有現(xiàn)實意義。

1 IEC 61850 標準下IED 建模方法

1.1 IEC 61850 通信體系架構

IEC 61850 按照變電站自動化系統(tǒng)所要完成的控制、監(jiān)控和繼電保護三大功能，從邏輯上將系統(tǒng)分成三層，即站控層、間隔層、過程層。如圖1所示。過程層主要完成開關量I/O、電流/電壓模擬量的采樣和控制命令的發(fā)送等與一次設備相關的功能，該層的物理設備主要是合并單元（Merging Unit,MU）、智能終端(Intelligent Terminal,IT)或氣體密封組合開關（Gas insulated Switchgear,GIS）裝置。間隔層的功能是利用本間隔的數(shù)據(jù)對本間隔的一次設備產生作用，如保護設備、測控設備和計量設備。站控層的功能分為兩類：一是利用各個間隔或全站的信息對多個間隔或全站的一次設備發(fā)生作用，如母線保護或全站范圍的互鎖，二是與接口相關的變電站層功能，主要是人機界面接口(Human Machine Interface,HMI)、遠方控制中心接口(TeleControl Interface,TCI)以及與遠方監(jiān)視和維護工程師的接口(TeleMonitoring Interface,TMI)，該層的物理設備主要有帶數(shù)據(jù)庫的監(jiān)控主機，工程師站和遠方通信接口等。

圖1 IEC 61850 通信體系架構Fig.1 Communication architecture of IEC61850

過程層網絡負責過程層設備和間隔層設備之間電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)瞬態(tài)采樣值(SV)的采集和保護控制開關量傳輸；站控層網絡承載間隔之間五防聯(lián)鎖信號、間隔和站控層之間四遙（遙信、遙測、遙控、遙調）信號。網絡交換機尤其是過程層交換機的運行狀態(tài)對保護測控的影響很大，因此對網絡交換機實施統(tǒng)一信息建模，實現(xiàn)后臺統(tǒng)一監(jiān)控管理顯得十分必要。

1.2 IED 的建模步驟

IEC 61850 系列標準采用了面向對象的統(tǒng)一建模技術，用對象繼承的方法設計不同層次的類，為系統(tǒng)建立了一個統(tǒng)一的信息分層抽象數(shù)據(jù)對象模型[3]。并采用了獨立于具體網絡應用協(xié)議（如MMS）的抽象通信服務接口（ACSI）實現(xiàn)信息交換。因此，依據(jù)IEC 61850 標準，對變電站IED 設備的自動化功能服務建模可歸納為以下幾個步驟[4-6]：

(1) 將IED 應用功能分解成最小單元－邏輯節(jié)點（Logical Node,LN），多個LN 合并成邏輯設備（Logical Device,LD），用數(shù)據(jù)對象（Data Object，DO）、數(shù)據(jù)屬性（Data Attribute，DA）對模型進行填充、描述，實例化信息模型屬性。

(2) 依照抽象通信服務接口(Abstract Communication Service Interface,ACSI），構建抽象通信服務模型。

(3) 依照特殊通信服務映射(Specific Communication Service Mapping,SCSM)將抽象的通信服務映射到具體的通信網絡協(xié)議上。

(4)使用變電站配置描述語言（Substation Configuration description Language,SCL）將建好的抽象模型生成IED 設備的自描述配置文件，保證各個廠商的產品可以相互識別，自由溝通。

本文依據(jù)上述IED 建模步驟研究IEC 61850 標準下智能變電站網絡交換機的信息模型和映射實現(xiàn)方法。

2 網絡交換機信息模型

2.1 網絡交換機的功能

按照OSI 的七層網絡模型，以太網交換機可以分為二層交換機、三層交換機等。二層交換機屬于數(shù)據(jù)鏈路層設備，根據(jù)報文MAC 地址查找對應端口的方式進行報文的存儲轉發(fā)。由于其交換速度快，轉發(fā)時延小，普遍應用在智能變電站過程層和站控層網絡。

依據(jù)國家電網公司《智能變電站網絡交換機技術規(guī)范》[7]，智能變電站具有全站信息數(shù)字化、通信平臺網絡化的基本特點，對網絡交換機功能提出了具體要求[8]，如圖2所示。

圖2 網絡交換機功能層次結構Fig.2 Function hierarchy of Ethernet switch

(1) 服務質量標識（QoS）：以太網包頭中添加優(yōu)先級序號，按照流量分配原則或權重設置對GOOSE 報文優(yōu)先轉發(fā)。

(2) 虛擬局域網（VLAN）和多播過濾技術：基于端口、MAC 和協(xié)議的VLAN 技術；基于多播MAC 地址表的靜態(tài)組播和GMRP/IGMP snooping兩種協(xié)議下的動態(tài)組播，對通信區(qū)域進行劃分，實現(xiàn)安全隔離。

(3) 快速生成樹協(xié)議（RSTP）：變電站通信采用環(huán)形網絡時，采用RSTP 或多生成樹協(xié)議(MSTP)，每個交換機的最長恢復時間不超過50 ms。

(4) 精確時間同步協(xié)議（PTP）：當過程層采用IEEE1588 網絡對時方式時，交換機應支持精確時鐘同步傳輸協(xié)議，需支持E2E 和P2P 透明時鐘技術。

(5) 多鏈路聚合（TRUNK）：支持邏輯上多條單獨的鏈路作為一條獨立鏈路使用，鏈路聚合功能開啟過程中數(shù)據(jù)不丟失。

(6) 簡單網絡管理協(xié)議（SNMP V2/V3）：支持端口狀態(tài)實時監(jiān)控、端口流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計；提供端口斷線告警和其他異常告警提示；日志和自檢報告。

本文旨在對智能變電站網絡交換機按照IEC 61850 協(xié)議進行統(tǒng)一建模，替代SNMP 對網絡交換機的管理方式，將交換機納入全站監(jiān)控體制中，實現(xiàn)無縫連接和互操作。

2.2 網絡交換機信息模型

信息模型將IED 的功能分解并虛擬化成可視和可訪問的實體，這些實體被稱為邏輯節(jié)點。邏輯節(jié)點包含帶專用數(shù)據(jù)屬性的數(shù)據(jù)對象。在IEC 61850中以“類”方式命名和描述信息模型。標準7-4 部分定義了變電站特定的邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)類，7-3 部分定義了公用數(shù)據(jù)屬性類（CDC）。為保證模型良好的通用性和一致性，應按下列原則建模[9]：

(1) 每個最小功能單元建模了一個LN（邏輯節(jié)點）對象，屬于同一功能對象的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性應放在同一LN 對象中。

(2) 盡量采用IEC 61850 標準規(guī)定的LN 類型；如需擴充LN 類型，應遵守標準規(guī)定和命名規(guī)范。

(3) 數(shù)據(jù)屬性類全部引用CDC類和國網企業(yè)標準[8]已擴充的類型。

2.2.1 邏輯節(jié)點零（LLN0）建模

邏輯節(jié)點零代表可被訪問的邏輯設備公用數(shù)據(jù)信息。邏輯設備具有唯一的邏輯節(jié)點零。表1所示交換機LLN0 類，是針對與交換機功能無關的系統(tǒng)配置和系統(tǒng)狀態(tài)特定信息，在繼承公用邏輯節(jié)點類的全部數(shù)據(jù)基礎上創(chuàng)建的兼容邏輯節(jié)點類。

表1 公共邏輯節(jié)點0 類結構Table 1 Logical node zero class defined

2.2.2 功能邏輯節(jié)點命名

基于2.1 節(jié)對交換機功能的分析，由于標準7-4中沒有已定義邏輯節(jié)點類適用于待建模的功能，需要新建交換機獨特的系列功能邏輯節(jié)點類，同時建立數(shù)據(jù)對象、數(shù)據(jù)屬性及使用方式。新建邏輯節(jié)點的命名首字母以“Z”開頭，定義為其他電力系統(tǒng)設備（Further Power System Equipment）。表2 為新建交換機邏輯節(jié)點，其中端口配置、流量統(tǒng)計和告警管理為指定邏輯節(jié)點類。

表2 交換機邏輯節(jié)點類列表Table 2 List of switch logical node class

2.2.3 端口管理ZSPM 類和流量統(tǒng)計ZSTS 類建模

目前，大多數(shù)管理型交換機的網絡管理通過SNMP 代理訪問管理信息庫(Management Information Base，MIB)實現(xiàn)，它包括一些標準庫和私有庫。MIB-II庫主要由RFC1213 和RFC2819 定義[10]。通過將MIB庫的管理信息結構(Management Information Structure，MIS)中對象類型（OBJECT- TYPE）映射到邏輯節(jié)點類的數(shù)據(jù)對象；并根據(jù)MIS 的語法（SYNTAX）和訪問方式(ACCESS)選擇合適的CDC類中定義的屬性類型，最后將狀態(tài)（STATUS）映射到M/O，可以實現(xiàn)新建ZSPM 類和ZSTS 類。按照上述映射方式建立的端口管理ZSPM 類和流量統(tǒng)計ZSTS 類模型分別如表3、表4所示。

2.2.4 告警管理GGIO 類建模

按照國網企業(yè)標準關于告警信號建模的要求，告警管理通過擴展GGIO 類實現(xiàn)。表5所示為告警管理ZASM 類建模。其中，電源和溫度告警門限、端口告警開啟通過“控制”配置，告警狀態(tài)數(shù)據(jù)對象由原總告警Alm 擴展所得。GGIO 中可以定義多個端口的告警信息。

表3 端口管理ZSPM 類建模Table 3 Model of switch port management ZSPM class

表4 端口流量統(tǒng)計ZSTS 類建模Table 4 Model of switch traffic statistics ZSPM class

表5 告警管理ZSAM 類建模Table 5 Model of alarm management ZSAM class

2.2.5 交換機物理設備建模

一個物理設備應建模為一個IED 對象。該對象是一個容器，包含服務器（server）對象，server 對象至少包含一個LD 對象。每個LD 對象中至少包含3 個LN 對象：LLN0、LPHD 和其他應用邏輯節(jié)點[11]。圖3所示為交換機物理設備模型。交換機包含一個服務器，分別由基本功能邏輯設備LD1 和高級功能邏輯設備LD2 組成，LD1 中的ZSPM、ZSTS可以根據(jù)端口數(shù)目建成多個實例。高級功能邏輯設備LD2 中的邏輯節(jié)點可以根據(jù)上述建模方法自行建模。

圖3 交換機物理設備建模Fig.3 Model of switch physical device

3 交換機信息交換服務模型

邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)屬性定義了應用所需的信息，必須借助于服務模型實現(xiàn)信息交換。IEC 61850 標準設計了獨立于網絡和應用層協(xié)議的抽象通信服務接口(ACSI)。ACSI 提供了兩種基本抽象通信服務接口，如圖4所示：客戶/服務器模型（client/server）和對等（Peer to Peer）模型，前者用于控制和數(shù)據(jù)訪問服務，后者用于通用變電站事件交換（GOOSE 和GSSE）服務，一個IED 和多個遠程IED之間快速和可靠的系統(tǒng)事件分發(fā)以及采樣測量值傳輸[12]。

圖4 ACSI 通信方法Fig.4 Communication methods of ACSI

交換機信息模型的主要功能是對交換機進行配置管理和狀態(tài)監(jiān)控，符合客戶/服務器模型。ACSI提供了14 類服務模型，信息模型中的數(shù)據(jù)對象及屬性通過對服務的引用實現(xiàn)信息模型的信息交換。邏輯設備所需服務模型子集在交換機邏輯節(jié)點LLN0 中定義。以基本功能邏輯設備LD1 為例，邏輯節(jié)點ZSPM、ZSTS、GGIO 的數(shù)據(jù)對象類型以“控制”和“狀態(tài)信息”為主，LD1 除了引用SERVER、LD、LN、DATA 基本信息模型中定義的服務外，還可定義數(shù)據(jù)集（DATA-SET）、報告控制塊（REPORT-CONTROL-BLOCK）、日志控制塊（LOG-CONTROL-BLOCK）等服務模型，以滿足通信帶寬使用效率和事件驅動信息交換的要求。

4 網絡交換機通信服務映射實現(xiàn)

ACSI 提供了抽象的通信服務模型，沒有定義具體的ACSI 報文。ACSI 服務映射到應用層的一個或多個報文（PDU 協(xié)議數(shù)據(jù)單元）由特定通信服務映射（SCSM）規(guī)定。SCSM 采用特定通信棧映射實現(xiàn)信息與服務模型，一種SCSM 是將服務映射到制造報文規(guī)范（Manufacturing Message Specification，MMS）以及TCP/IP，另一種SCSM 是將報文直接映射到以太網鏈路層和單向多路點對點串行鏈路；前者主要針對變電站站控層和間隔層的客戶/服務器類型的通信映射，后者針對快速的GOOSE 報文和采樣值傳輸。

網絡交換機的管理大部分時間傳輸?shù)氖桥渲霉芾砗蜖顟B(tài)監(jiān)控報文，告警觸發(fā)時產生隨機突發(fā)報文。IEC 61850 規(guī)定遠方人機接口與變電站之間的訪問控制報文屬于低速報文（類型3），交換機管理報文滿足低速報文的要求。根據(jù)標準8-1 中對于類型2、3、5 的報文要求面向報文的服務，交換機的SCSM 映射就是將交換機的客戶/服務器類型服務映射到MMS 報文，其中傳輸層至少支持TCP/IP 框架[13]。

目前，智能變電站多采用“三層結構兩層網絡”的通信網絡架構，過程層和站控層網絡交換機均可采用管理口傳輸MMS 管理報文，通過站控層網絡連接后臺監(jiān)控系統(tǒng)或直接連接到多網卡后臺監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)網絡交換機的統(tǒng)一管理。

5 交換機的SCL 語言描述

為了實現(xiàn)設備互操作性，IEC 61850標準采用變電站配置描述語言SCL對變電站系統(tǒng)和IED設備進行配置自描述，實現(xiàn)通信系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)在IED 配置工具和不同制造商提供的系統(tǒng)配置工具之間的相互交換[14]。

SCL 語言通過Schema 模式定義了具體的SCL語法，主要包括頭（Header）、變電站(Substation)描述、IED 描述、通信系統(tǒng)(Communication)描述、以及邏輯節(jié)點數(shù)據(jù)類型模板(DataType Templates)五部分。IED 部分描述了預配置信息，包括LD、LN、DO 和所具備的通信服務能力。

以交換機LD1 為例，編寫的交換機SCL 描述文件示意如下：

限于篇幅，文中沒有對LD1 包含的所有服務、邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)對象進行描述，實際的IED 能力描述文件（IED Capability Description，ICD）應根據(jù)交換機信息模型和服務模型進行具體設定，完成實例化過程。

6 應用實例

以某220 kV電壓等級智能變電站過程層網絡為例。GOOSE A 和GOOSE B 網各采用五臺網絡交換機以星形結構進行組網。按照上述信息模型設計的網絡交換機，得到了實際工程應用。網絡交換機以MMS 報文方式通過站控層網絡連接后臺監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了網絡交換機參數(shù)的設置、端口統(tǒng)計流量查詢和告警信息的上傳。后臺監(jiān)控系統(tǒng)設置和讀取交換機參數(shù)屬于客戶/服務器模式。該工程的應用驗證了采用基于IEC 61850 信息建模方式設計網絡交換機的正確性，為智能變電站通信網絡的遠程監(jiān)控和無人值守奠定了基礎。

7 結論

智能變電站網絡交換機影響整個變電站的可靠和穩(wěn)定，在工程應用中受到廣泛的關注。網絡交換機通過后臺監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)網絡設備的IED化管理，成為必然趨勢。本文對網絡交換機信息建模和映射實現(xiàn)進行了初步探討，鑒于依據(jù)IEC 61850標準對交換機邏輯節(jié)點建模時發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)對象的命名依然存在很大的靈活性，希望盡快出臺網絡交換機統(tǒng)一建模規(guī)范，實現(xiàn)不同廠家網絡交換機的統(tǒng)一管理。

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