智能變電站交換機基于GOOSE管理技術(shù)設計與實現(xiàn)

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

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

智能變電站交換機在通用工業(yè)以太網(wǎng)交換機向電力專用交換機[3-6]技術(shù)演進的過程中，以單機管理模式為主，單臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機管理方式可支持命令行接口(CLI)、遠程登錄服務協(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)絡管理協(xié)議(SNMP)、IEC 61850通信標準[7-8]、綜合網(wǎng)絡管理軟件(也稱電力專用網(wǎng)管)[9]。通信設備不全在監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)管理，配置復雜，維護困難。綜合網(wǎng)絡管理軟件通常不能安裝在監(jiān)控主機上，只有特定廠商的技術(shù)人員才能熟練使用調(diào)試主機進行調(diào)測，不利于現(xiàn)場運維人員實時高效管控所有通信設備。

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

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

1 GMT總體設計

智能變電站交換機基于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)進行統(tǒng)一管理。從管理角度看，1組交換機可以看成是1臺“整體”的交換機。2臺或2臺以上交換機通過級聯(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進行訪問和管理，自動發(fā)現(xiàn)設備，配置文件，備份恢復，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)絡拓撲結(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撲。

1.1 基本特征

單臺交換機可以全局打開GMT，每個端口也可單獨打開和關(guān)閉。局域網(wǎng)中GMT支持交換機的最大個數(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在數(shù)量達到最大時分集群進行管理。每臺交換機基于媒體訪問控制(MAC)地址進行識別，擁有自己的名字屬性便于標識。集群與集群之間是獨立關(guān)系。

集群中的交換機有4種模式: 主交換機(Master)、備交換機(Backup)、成員交換機(Member)、候選交換機(Candidate)。1個集群中只有1臺主交換機和1臺備交換機，其他均為成員交換機，不參與集群管理功能但又支持GMT的交換機為候選交換機，備交換機本身是成員交換機，但會和主交換機通信備份集群中所有其他交換機的配置文件，更換主交換機時可以接替主交換機工作。集群中主、備交換機可以通過選舉方式產(chǎn)生，設置優(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)配置交換機模式的方式，單臺交換機地位平等，每臺均可配置成為GMT主、備交換機。主交換機可以管理不同型號、不同配置的通信設備。主交換機若采用SNMP協(xié)議管理成員交換機，理論上可以管理任何廠商任何型號的設備，但實現(xiàn)較復雜，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。

主交換機自動發(fā)現(xiàn)設備，建立集群，配置通道，管理成員交換機。主交換機根據(jù)MAC地址對成員交換機做唯一標志，集群管理協(xié)議是基于2層協(xié)議設計的，因此不需要IP地址進行成員管理。成員交換機信息包括MAC地址、名稱、模式、狀態(tài)、配置文件狀態(tài)，詳細信息包括日志告警和調(diào)試診斷信息。主交換機保存成員交換機的配置文件到非易失性永久存儲器件中。當單個GMT成員交換機的數(shù)量達到最大后，打開GMT功能的交換機只能成為候選交換機。主交換機可以強制候選交換機加入GMT并進行基于GOOSE管理，強制成員交換機成為候選交換機?？蓪Τ蓡T交換機進行軟件升級、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GMT功能是打開的，交換機處于成員模式，成員交換機不主動發(fā)包，但對GMT報文會響應。

主交換機自動發(fā)現(xiàn)設備是一種動態(tài)方式，如周期性地每隔2 s發(fā)送一次探測報文，成員交換機短暫延時響應。智能變電站在可靠性要求較高的網(wǎng)絡環(huán)境下，可配置GMT模式為靜態(tài)方式，主交換機永不發(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是否在線需要人工把握，管理報文無響應則需要進行原因排查，多數(shù)時候成員交換機都是在線和可用的，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)絡或帶內(nèi)網(wǎng)絡環(huán)境通信。

動態(tài)設備發(fā)現(xiàn)方式下，主交換機采用組播地址發(fā)送探測報文，各個交換機向打開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，成員交換機可以直接轉(zhuǎn)發(fā)成員交換機協(xié)議報文不送自身CPU，也可所有協(xié)議報文都上送CPU，成員交換機根據(jù)接收到的主交換機的端口進行針對性轉(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。

更換主交換機時，備交換機可檢測到主交換機若干次未發(fā)送探測報文，自己將接替主交換機角色，也可通過手動配置變更。更換成員交換機或備交換機時，若MAC地址相同，成員交換機初次與主交換機相連，請求配置文件更新，配置文件均為動態(tài)生效，不必重啟設備。成員、備用、候選交換機CPU只接收主交換機的探測報文，響應主交換機報文采用單播地址，避免產(chǎn)生大量無效的控制報文。可手動添加成員交換機，不發(fā)送協(xié)議控制報文，直接進行遠程管理。成員交換機可主動配置成與主交換機同步配置。改擴建變電站增減交換機非常方便靈活。

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

1.2 集群管理協(xié)議(CMP)

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

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

若主交換機接收到由自身發(fā)出的探測報文，則說明網(wǎng)絡有環(huán)路阻塞對應的鏈路端口，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)絡誤接線導致的環(huán)路故障，需告警并記錄日志。

1.3 配置命令

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

批量配置命令是通過讀取相關(guān)命令對每個成員交換機進行配置，每個成員都配置成功才算配置成功。單機交換機配置個性化較強，主交換機使用批量配置功能需嚴格檢查命令是否適合每個成員交換機，常見批量配置包括修改集群成員交換機管理密碼、配置文件備份恢復、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管理網(wǎng)絡。硬件設計帶外管理接口數(shù)據(jù)只和交換機管理CPU通信，不經(jīng)交換機芯片，管理數(shù)據(jù)與業(yè)務通信數(shù)據(jù)嚴格分開，不占帶內(nèi)帶寬。增加若干交換機搭建新管理網(wǎng)絡專用平臺，是最理想的GMT網(wǎng)管環(huán)境。從交換機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)試階段采用設備發(fā)現(xiàn)方式建立GMT集群，在投運階段設為靜態(tài)方式，智能變電站網(wǎng)絡環(huán)境變化不頻繁，改擴建變電站及時調(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，實時生效。早期采用二進制格式保存配置文件，文件較大，無法離線編輯查看當前配置。交換機配置文件新版行標要求全站交換機統(tǒng)一采用XML語法格式配置文件，以符合“標準統(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)，與默認配置參數(shù)進行即時比較，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 更換交換機免配置

智能變電站電壓等級越高所用交換機數(shù)量越多，需保存的配置文件也越多，當發(fā)生異常更換時，需人工找到對應備份配置文件，維護工作量很大。GMT主交換機收集所有成員交換機配置文件并進行本地保存，這些配置文件要設計得比較小，采用字符串方式保存。備份交換機保存主交換機配置文件，若更換的成員交換機與被替換交換機的MAC地址完全一致，則GMT可以直接更新配置文件實時生效。若MAC地址不一致，則可在GMT主交換機上進行替換交換機的配置，使新MAC地址交換機能夠繼承前任交換機配置文件。更換GMT主交換機時，可從備份交換機導入前任配置文件。GMT能真正實現(xiàn)智能變電站交換機更換免配置，實現(xiàn)交換機整機“即插即用”。

1.7 一鍵收集調(diào)試診斷信息

電力交換機現(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(CRC)錯誤)、CPU利用率超過閾值、光端口光功率超過設定閾值、系統(tǒng)重啟時間、CPU溫度過高、廣播風暴抑制恢復發(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，且不對在運通信業(yè)務造成任何影響。

1.8 批量升級軟件

智能變電站新一代交換機一般有引導程序(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)改進或缺陷修正時，需要對全站交換機升級將是非常大的工作量。GMT能做到同型號集群交換機所有程序文件版本完全一致，自動進行升級，精準且省時省力。智能變電站工程技術(shù)和維護人員一般嚴禁同一個型號設備使用2種不同版本的程序文件，避免發(fā)生不可預測故障。單機程序升級一般支持雙程序文件，當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系統(tǒng)重啟。

2 GMT協(xié)議設計

2.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

交換機軟件系統(tǒng)較復雜，應用代碼行數(shù)一般超過百萬，因此良好的架構(gòu)設計能使產(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)、服務質(zhì)量(QOS)、鏡像、VLAN、單播/組播地址轉(zhuǎn)發(fā)表、風暴抑制等。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、交換機配置功能模塊、網(wǎng)絡管理和維護類模塊。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)議類型設計的，可很好地與系統(tǒng)融合。GMT涉及交換機管理所有信息，可讀寫全部配置參數(shù)，應基于穩(wěn)定可靠、簡單高效、易擴展原則設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)。

主交換機若對本機進行配置則直接調(diào)用本地相應API執(zhí)行，若對成員交換機進行配置，CMP則提供一套底層鏈路通道，通過CMP把相應命令參數(shù)送到指定成員交換機。成員交換機解析命令參數(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)用成員交換機本地相應API執(zhí)行，執(zhí)行結(jié)果通過CMP返回給主交換機，主交換機CMP模塊最后返回給上層調(diào)用模塊。若PC-NMS(計算機網(wǎng)絡管理系統(tǒng))通過IEC 61850，SNMP，Web，Telnet遠程訪問,則主交換機上層應用需進一步把執(zhí)行結(jié)果封裝返回給遠程網(wǎng)絡管理系統(tǒng)。

圖1 交換機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MAC地址，此MAC地址在整個智能變電站網(wǎng)絡中唯一識別交換機，因此報文中將不再出現(xiàn)成員交換機MAC地址信息。CMP也接收報文隊列緩存接收的所有報文，當成員交換機數(shù)據(jù)報文未接收完整時，主交換機將分別緩存成員交換機未接收完整的數(shù)據(jù)直至全部接收完畢。定時器任務定期檢查發(fā)送報文是否得到確認，若在指定時間內(nèi)未接收確認報文，則將重新發(fā)送上次發(fā)送過的報文，達到一定次數(shù)仍未接收確認報文將認為CMP鏈路斷開，交換機恢復到初始狀態(tài)。發(fā)送報文不采用滑動窗口方式確認，智能變電站2層網(wǎng)絡推薦使用簡單停-等確認模式，即只緩存最近一次發(fā)送報文，收到響應或確認報文后刪除請求或響應緩存。

2.2 主交換機狀態(tài)機

主交換機需維護N套與成員或候選交換機對應的交換機狀態(tài)機數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每套狀態(tài)機數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對應于1個成員或候選交換機。因每個交換機地位平等，選取第0套(0為結(jié)構(gòu)數(shù)組索引編號)狀態(tài)機為成員或候選交換機自身的狀態(tài)機數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。主交換機中每個成員交換機的狀態(tài)基于MAC地址進行索引。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。當接收到成員交換機的探測報文響應時，啟動相應的數(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，否則主交換機的成員交換機將永遠處于Static模式，可以對成員交換機進行單命令配置和批量配置。在主交換機側(cè)，可以配置指定成員交換機和候選交換機狀態(tài)切換。當從成員交換機切換到候選交換機時，待發(fā)送響應或確認后清除緩存，其余狀態(tài)保持不變。當候選交換機切換到成員交換機時，接收一切配置命令。當主交換機側(cè)發(fā)生配置模式變更時，成員或候選交換機接收到模式變更通知后將進入相對應模式。當主交換機和成員或候選交換機配置模式發(fā)生沖突時，以主交換機命令優(yōu)先級高處理。主交換機側(cè)成員(候選)交換機狀態(tài)機轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。

2.3 成員交換機狀態(tài)機

候選、成員(備份)交換機可以接收主交換機的模式變更通知,也可以接受本地命令強制模式變更。當本地配置模式變更時，發(fā)送模式變更通知給主交換機同步模式。與主交換機側(cè)相對應同樣具備4個狀態(tài)，功能是相同的。在同一臺設備上實現(xiàn)有所區(qū)別，狀態(tài)機數(shù)值采用不同于主交換機側(cè)的對應狀態(tài)。成員(候選)交換機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，都是響應主交換機探測報文。成員(候選)狀態(tài)機轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

圖2 主交換機側(cè)成員(候選)交換機狀態(tài)機轉(zhuǎn)換

圖3 成員(候選)交換機狀態(tài)機轉(zhuǎn)換

2.4 報文格式

CMP為2層協(xié)議，可設定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設置的名稱，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、確認和通知4種類型，根據(jù)實現(xiàn)需要可增加相應類型，此分類便于根據(jù)報文類型直接調(diào)用相應函數(shù)指針集合實現(xiàn)。命令類型根據(jù)支持的上層應用管理方式分類，具體的安全命令行，HTTPS，SNMPv3，IEC 61850因不同設備廠商通信設備信息管理設計語法的差異，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。當接收方接收完整分片報文后才進行相應命令處理。報文發(fā)送序列號為遞增回滾整數(shù)，接收序列號供確認報文使用，為所響應或確認報文的發(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，因為探測報文是依賴超時機制等待響應的報文，不需要單個報文確認。

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，請求報文均設計為有響應或確認報文，從而避免因報文丟失而功能未實現(xiàn)。只有主交換機才能發(fā)送周期性探測報文。主、成員交換機均可主動發(fā)送消息通知報文，包括鏈路狀態(tài)通斷，主交換機主動使成員交換機加入、離開，成員交換機主動加入、離開GMT，系統(tǒng)重新啟動，異常告警等。確認報文丟失，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)機將恢復到初始狀態(tài)，認為對方處于離線狀態(tài)。配置響應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的命令可刪除不再重發(fā)。收到配置響應報文需要回復確認報文，成員交換機收到確認后可刪除響應報文不再重發(fā)。對需要多次響應的批量配置命令，請求發(fā)一次，響應將分片進行發(fā)送，每個分片都需要進行確認才能發(fā)送下一個分片直至結(jié)束。主交換機可發(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實現(xiàn)

在新一代智能變電站交換機上實現(xiàn)了上述GMT功能。在實驗室環(huán)境搭建如圖6所示的 GMT星型拓撲，給每個交換機起個易識別的名稱，若僅靠MAC地址相區(qū)別交換機將非常容易弄混淆。默認GMT是沒有主交換機的，配置Orchid 為主交換機，Chrysanthemum為備用交換機，則Orchid周期性地每隔2 s發(fā)送1次探測報文，各個成員交換機將回復主交換機的探測報文并同步備份自己的配置文件到主交換機。備用交換機將同步所有GMT交換機的配置文件到自己。Lotus,Peony為候選交換機，主交換機不能直接對其進行管理，但知道它們的存在，因候選交換機回復主交換機的探測報文。Narcissus,Plus 2個交換機不支持GMT，但能夠和GMT中交換機正常配合工作，不足的是需單機管理，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)只需登錄主交換機即可對所有成員交換機進行管理。通過主交換機可以實現(xiàn)成員交換機的單命令配置、批量配置密碼、配置文件同步、批量升級、一鍵診斷等功能。實驗室環(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)設備。更換相同MAC地址成員交換機，打開GMT功能上電免配置自動恢復到之前的配置，精準自動化管理通信設備。更換主交換機，通過命令行語法方式配置實現(xiàn)較為簡便，Web方式數(shù)據(jù)量稍大,備份交換機經(jīng)若干時間后成為主交換機[19-21]。

圖6 GMT星型拓撲

4 結(jié)論

智能變電站交換機網(wǎng)絡管理系統(tǒng)安裝在監(jiān)控服務器上會增加系統(tǒng)出故障的風險，當前通常用于調(diào)試輔助工具，而GMT根植于每個通信設備則不存在這樣問題。GMT對通信設備高效率管理和運維將對全站故障快速排除和定位提供有力保障，極大地降低通信設備工程和運維人員工作量，提高通信設備管理工作效率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)通信領域基于GOOSE管理行業(yè)標準。通信設備配置文件、配置命令語法(IEC 61850)還需進一步統(tǒng)一標準化，以便實現(xiàn)各個通信廠商設備的基于GOOSE管理的互通互換。GMT不足是實現(xiàn)起來相對復雜，技術(shù)細節(jié)較多，涉及交換機所有模塊的所有管理信息。交換機能感知智能變電站全站設備拓撲圖，便于網(wǎng)絡拓撲故障快速定位。

基于GOOSE管理技術(shù)GMT設計可供智能變電站通信設備研發(fā)設計、工程技術(shù)和運維人員參考。感興趣的讀者可參考交換機堆疊、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。