智能變電站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)信息模型研究

摘要：文章論述了智能變電站中采用IEC61850規(guī)范對(duì)交換機(jī)選型及通信情況監(jiān)視的必要性和規(guī)范性，比較了采用IEC61850規(guī)范和采用SNMP對(duì)交換機(jī)進(jìn)行監(jiān)控的優(yōu)勢(shì)，提出了智能變電站交換機(jī)建模的方法和意義，列出了交換機(jī)模型的整體通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和部分主要信息節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)類型，并對(duì)不適合直接建模的數(shù)據(jù)給出了轉(zhuǎn)換方法。

關(guān)鍵詞：智能變電站；網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)；信息模型；數(shù)據(jù)模型；IEC61850規(guī)范；交換機(jī)選型 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM63 文章編號(hào)：1009-2374（2016）18-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.005

1 概述

智能變電站基于當(dāng)下迅猛發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)技術(shù)的新型變電站，搭建網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)，立足變電站整體控制，在電力系統(tǒng)當(dāng)中發(fā)展迅猛，得到廣泛應(yīng)用。

對(duì)于智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)而言，所承載的是保護(hù)動(dòng)作跳閘信息、電壓電流、有功無功采樣值等遙測(cè)遙信信息，在高性能網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)變電站遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)信息數(shù)據(jù)的可靠傳輸。構(gòu)建變電站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)整體信息模型，能很好實(shí)現(xiàn)變電站智能化、數(shù)字化、信息化。根據(jù)OSI網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)，交換機(jī)包括兩種，即網(wǎng)絡(luò)層交換機(jī)、物理層交換機(jī)。其中，物理層交換機(jī)為數(shù)據(jù)鏈路層上的設(shè)備，依據(jù)信息報(bào)文物理地址（MAC地址）查找對(duì)應(yīng)的交換機(jī)端口，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通信報(bào)文的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。在智能變電站網(wǎng)絡(luò)信息架構(gòu)當(dāng)中，百兆千兆交換機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能變電站的站控層網(wǎng)絡(luò)、過程層網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的基本功能如下：第一，QOS（服務(wù)標(biāo)識(shí)）。傳輸報(bào)文以權(quán)重或者優(yōu)先級(jí)分配、而權(quán)重和優(yōu)先級(jí)決定于報(bào)文的QOS，一幀報(bào)文傳輸前，過程層交換機(jī)會(huì)首先在報(bào)文開頭加上報(bào)頭標(biāo)示，依據(jù)智能變電站傳輸規(guī)范，過程層交換機(jī)應(yīng)該優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)變位GOOSE報(bào)文；第二，VLAN（虛擬局域網(wǎng)）技術(shù)、多播過濾技術(shù)。在分配好端口、參照IEC61850傳輸協(xié)議和靜態(tài)物理地址MAC劃分基礎(chǔ)上的VLAN技術(shù)，靜態(tài)組播以及GMRP或者IGMP snooping協(xié)議基礎(chǔ)上的動(dòng)態(tài)組播，安全隔離不同通信區(qū)域，只需要通過虛擬區(qū)域網(wǎng)技術(shù)；第三，RSTP。智能變電站通信環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，基于RSTP，交換機(jī)重啟時(shí)間大大縮短，一般可控制在40ms范圍之內(nèi)；第四，時(shí)鐘同步協(xié)議。不同的對(duì)時(shí)方式需要交換機(jī)全部支持，B碼對(duì)時(shí)、1588對(duì)時(shí)等，交換機(jī)必須全部支持各種對(duì)時(shí)協(xié)議，并可有效運(yùn)用P2P、E2E時(shí)鐘技術(shù)；第五，邏輯上，支持多條獨(dú)立鏈路，作為獨(dú)立鏈路應(yīng)用，開啟鏈路聚合功能以后不會(huì)丟失數(shù)據(jù)；第六，網(wǎng)管協(xié)議（一般是SNMPV2或者V3）。該協(xié)議支持端口實(shí)時(shí)監(jiān)控，統(tǒng)計(jì)流量數(shù)據(jù)，同時(shí)還提供端口位置斷線告警。在研究過程中，對(duì)交換機(jī)按協(xié)議（IEC 61850）統(tǒng)一建模，并且將交換機(jī)納入全站監(jiān)控系統(tǒng)之中，從而實(shí)現(xiàn)互操作、無縫連接。

在數(shù)字化變電站和智能變電站出現(xiàn)以前，交換機(jī)用于電力系統(tǒng)監(jiān)控調(diào)度的通信還不是特別廣泛。網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，變電站監(jiān)控自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)向智能化、共享化、數(shù)字化、信息化發(fā)展，形成新一代智能變電站數(shù)字通信系統(tǒng)。在智能變電站中，網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)交換機(jī)是整個(gè)變電站三層兩網(wǎng)的通信核心，站控層、間隔層、過程層通信流暢度都依托于交換機(jī)的運(yùn)行工況。同時(shí)交換機(jī)采用IEC61850協(xié)議接入全站監(jiān)控體系當(dāng)中，符合變電站通信技術(shù)發(fā)展潮流。

2 交換機(jī)信息建模

作為交換機(jī)架構(gòu)的信息模型，分解智能電子設(shè)備IED功能，虛擬劃分為不同功能的邏輯實(shí)體，稱之為邏輯節(jié)點(diǎn)，邏輯節(jié)點(diǎn)當(dāng)中含有專用的數(shù)據(jù)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)不同功能，在智能變電站協(xié)議中，具有同一屬性的信息模型稱之為“類”。實(shí)際建模方式應(yīng)該以邏輯節(jié)點(diǎn)應(yīng)用建模：第一，邏輯節(jié)點(diǎn)對(duì)象作為最小建模單元，相同功能數(shù)據(jù)對(duì)象置于同一邏輯節(jié)點(diǎn)當(dāng)中；第二，邏輯節(jié)點(diǎn)命名應(yīng)規(guī)范符合標(biāo)準(zhǔn)，如果需要對(duì)邏輯節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展，則要依據(jù)功能相近原則；第三，邏輯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)屬性應(yīng)該使用國(guó)家電網(wǎng)已經(jīng)頒布的數(shù)據(jù)屬性。

2.1 邏輯節(jié)點(diǎn)建模

邏輯節(jié)點(diǎn)LLN0代表公用屬性邏輯節(jié)點(diǎn)，可以被公共訪問關(guān)系的，是具有基礎(chǔ)屬性節(jié)點(diǎn)。交換機(jī)單元的邏輯節(jié)點(diǎn)屬于公共邏輯節(jié)點(diǎn)，可以被其他邏輯設(shè)備同時(shí)訪問對(duì)象，作為其他智能電子設(shè)備交換信息的公共邏輯節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也是特定系統(tǒng)的通信邏輯節(jié)點(diǎn)，繼承通信邏輯類的屬性，同時(shí)發(fā)展交換機(jī)單元本身特有的屬性。

2.2 邏輯節(jié)點(diǎn)（功能性）命名

在智能變電站邏輯節(jié)點(diǎn)規(guī)范當(dāng)中，并沒有針對(duì)交換機(jī)專門的邏輯節(jié)點(diǎn)，所以要在公共邏輯節(jié)點(diǎn)LLN0的基礎(chǔ)上建立專門的交換機(jī)邏輯節(jié)點(diǎn)，并建立健全邏輯節(jié)點(diǎn)方式和邏輯節(jié)點(diǎn)屬性，完善交換機(jī)邏輯節(jié)點(diǎn)。對(duì)于新建的邏輯節(jié)點(diǎn)而言，命名的第一個(gè)字母是“Z”，并將其定義成電力系統(tǒng)設(shè)備，比如Further Power System Equipment。以站內(nèi)新建邏輯節(jié)點(diǎn)為例，交換機(jī)邏輯節(jié)點(diǎn)所具有的端口流量控制、網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴告警、裝置故障、裝置告警都屬于其特有屬性。

2.3 告警管理類建模

實(shí)踐中，以國(guó)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，根據(jù)告警建模規(guī)范要求，告警管理基于GGIO類擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)。在告警管理（比如ZASM類）建模過程中，溫度控制門限以及端口告警的啟動(dòng)是基于“控制”來配設(shè)的，而且告警狀態(tài)信息數(shù)據(jù)對(duì)象，通過原總告警擴(kuò)展獲得，同時(shí)GGIO中定義了若干個(gè)端口告警信息。

2.4 實(shí)際裝置建模

一般物理對(duì)象可以作為容器建模，一個(gè)容器即一個(gè)物理實(shí)際裝置，容器可以有很多不同功能的邏輯對(duì)象，邏輯對(duì)象又有很多邏輯節(jié)點(diǎn)，物理容器包括至少一個(gè)服務(wù)器對(duì)象，server對(duì)象中包含的LD對(duì)象。每一個(gè)LD對(duì)象包含至少三個(gè)LN對(duì)象，即LLN0、應(yīng)用型以及LPHD等邏輯節(jié)點(diǎn)。

3 交換機(jī)在智能變電站中所參與信息架構(gòu)

智能變電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為站控層、間隔層、過程層，以網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)為硬件依托，實(shí)現(xiàn)三層信息高速率通信。星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為主流架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有智能變電站網(wǎng)絡(luò)組成方式，但也有特殊情況，某些對(duì)站控層通信要求高的智能變電站主要以星型網(wǎng)架為主要通信結(jié)構(gòu)，還可以構(gòu)成環(huán)網(wǎng)方式以及多通道雙網(wǎng)方式，因此本文以圖1所示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行討論。

3.1 智能變電站交換機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

在圖1所示的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，MMS網(wǎng)用于站控層設(shè)備和間隔層設(shè)備的信息交換；GOOSE網(wǎng)用于過程層保護(hù)測(cè)控裝置跳閘、保護(hù)裝置連閉鎖信息、一次設(shè)備開關(guān)刀閘等信息的采集；SMV網(wǎng)用于傳輸電流互感器以及電壓互感器二次側(cè)電流電壓量。由于站控層、過程層、間隔層網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)和交換機(jī)質(zhì)量有很大關(guān)系，交換機(jī)運(yùn)行過程當(dāng)中一些重要參數(shù)必須得到有效監(jiān)控，比如端口數(shù)據(jù)流量、網(wǎng)絡(luò)通信告警、交換機(jī)告警等等，對(duì)智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有很重要的意義。

3.2 交換機(jī)組網(wǎng)方式

交換機(jī)通信方式的實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)圖1的網(wǎng)絡(luò)略加改造，過程層網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立連接至后臺(tái)，如圖2所示：

后臺(tái)機(jī)可以對(duì)交換機(jī)狀態(tài)有所顯示，詳細(xì)監(jiān)控交換機(jī)狀態(tài)。同時(shí)還需要過濾到交換機(jī)上群發(fā)的組播報(bào)文，只接受單發(fā)報(bào)文，防止網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴造成的交換機(jī)擁堵，這樣有選擇性地接受報(bào)文，有利于減輕交換機(jī)負(fù)荷壓力，使得交換機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。整個(gè)變電站的通信都是以核心交換機(jī)為支撐的，交換機(jī)的通信負(fù)荷決定了變電站層面的通信機(jī)制好壞，所以將報(bào)文有選擇地篩選，是保證信息流轉(zhuǎn)順暢的有效機(jī)制。

3.3 智能通信交換機(jī)比較

相比于傳統(tǒng)通信機(jī)制交換機(jī)，采用智能協(xié)議的交換機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）符合智能變電站全站通信協(xié)議唯一性理念，應(yīng)用傳統(tǒng)通信協(xié)議，將會(huì)造成兩種協(xié)議不兼容，導(dǎo)致通信不暢，智能變電站通信協(xié)議只允許有一種通信協(xié)議，超過一種以上的協(xié)議將會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)擁堵，不同的通信協(xié)議不利于數(shù)據(jù)大流量傳輸；（2）可以對(duì)不同設(shè)備，比如保護(hù)測(cè)控裝置、電能質(zhì)量裝置、備自投裝置、測(cè)控裝置等實(shí)現(xiàn)通信檢測(cè)，準(zhǔn)確判斷出哪臺(tái)裝置通信中斷，應(yīng)用傳統(tǒng)協(xié)議則要具體服務(wù)器，造成一定耗費(fèi)，而利用智能協(xié)議，就可以在不增加投入的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能變電站快速通信。

4 結(jié)語

交換機(jī)工況運(yùn)行狀態(tài)直接影響到智能變電站的通信質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)基于后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的利用，可以構(gòu)建以網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)為主體的通信建構(gòu)，健全整個(gè)通信機(jī)制。本文對(duì)智能變電站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的信息建模進(jìn)行了初步探究，并依據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建交換機(jī)邏輯節(jié)點(diǎn)模型，邏輯數(shù)據(jù)對(duì)象的設(shè)立以及建模有著很大的靈活性，可以充分發(fā)揮智能變電站的不同智能電子設(shè)備的功能。

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作者簡(jiǎn)介：戚清華（1980-），男，河南上蔡人，國(guó)網(wǎng)紹興供電公司工程師，研究方向：電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化廠站端調(diào)試檢修。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）