智能變電站網絡交換機信息模型研究

摘要：文章論述了智能變電站中采用IEC61850規范對交換機選型及通信情況監視的必要性和規范性，比較了采用IEC61850規范和采用SNMP對交換機進行監控的優勢，提出了智能變電站交換機建模的方法和意義，列出了交換機模型的整體通信拓撲結構和部分主要信息節點結構及其實現的數據類型，并對不適合直接建模的數據給出了轉換方法。

關鍵詞：智能變電站；網絡交換機；信息模型；數據模型；IEC61850規范；交換機選型 文獻標識碼：A

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

1 概述

智能變電站基于當下迅猛發展的網絡計算機技術的新型變電站，搭建網絡共享平臺，立足變電站整體控制，在電力系統當中發展迅猛，得到廣泛應用。

對于智能變電站通信網絡而言，所承載的是保護動作跳閘信息、電壓電流、有功無功采樣值等遙測遙信信息，在高性能網絡交換機應用基礎上，實現變電站遙測、遙信、遙控、遙調信息數據的可靠傳輸。構建變電站網絡交換機整體信息模型，能很好實現變電站智能化、數字化、信息化。根據OSI網絡分層結構，交換機包括兩種，即網絡層交換機、物理層交換機。其中，物理層交換機為數據鏈路層上的設備，依據信息報文物理地址（MAC地址）查找對應的交換機端口，進而實現通信報文的存儲轉發。在智能變電站網絡信息架構當中，百兆千兆交換機已經廣泛應用于智能變電站的站控層網絡、過程層網絡。網絡交換機的基本功能如下：第一，QOS（服務標識）。傳輸報文以權重或者優先級分配、而權重和優先級決定于報文的QOS，一幀報文傳輸前，過程層交換機會首先在報文開頭加上報頭標示，依據智能變電站傳輸規范，過程層交換機應該優先轉發變位GOOSE報文；第二，VLAN（虛擬局域網）技術、多播過濾技術。在分配好端口、參照IEC61850傳輸協議和靜態物理地址MAC劃分基礎上的VLAN技術，靜態組播以及GMRP或者IGMP snooping協議基礎上的動態組播，安全隔離不同通信區域，只需要通過虛擬區域網技術；第三，RSTP。智能變電站通信環形網絡，基于RSTP，交換機重啟時間大大縮短，一般可控制在40ms范圍之內；第四，時鐘同步協議。不同的對時方式需要交換機全部支持，B碼對時、1588對時等，交換機必須全部支持各種對時協議，并可有效運用P2P、E2E時鐘技術；第五，邏輯上，支持多條獨立鏈路，作為獨立鏈路應用，開啟鏈路聚合功能以后不會丟失數據；第六，網管協議（一般是SNMPV2或者V3）。該協議支持端口實時監控，統計流量數據，同時還提供端口位置斷線告警。在研究過程中，對交換機按協議（IEC 61850）統一建模，并且將交換機納入全站監控系統之中，從而實現互操作、無縫連接。

在數字化變電站和智能變電站出現以前，交換機用于電力系統監控調度的通信還不是特別廣泛。網絡計算機技術發展，變電站監控自動化技術已經向智能化、共享化、數字化、信息化發展，形成新一代智能變電站數字通信系統。在智能變電站中，網絡實時交換機是整個變電站三層兩網的通信核心，站控層、間隔層、過程層通信流暢度都依托于交換機的運行工況。同時交換機采用IEC61850協議接入全站監控體系當中，符合變電站通信技術發展潮流。

2 交換機信息建模

作為交換機架構的信息模型，分解智能電子設備IED功能，虛擬劃分為不同功能的邏輯實體，稱之為邏輯節點，邏輯節點當中含有專用的數據對象，實現不同功能，在智能變電站協議中，具有同一屬性的信息模型稱之為“類”。實際建模方式應該以邏輯節點應用建模：第一，邏輯節點對象作為最小建模單元，相同功能數據對象置于同一邏輯節點當中；第二，邏輯節點命名應規范符合標準，如果需要對邏輯節點擴展，則要依據功能相近原則；第三，邏輯節點數據屬性應該使用國家電網已經頒布的數據屬性。

2.1 邏輯節點建模

邏輯節點LLN0代表公用屬性邏輯節點，可以被公共訪問關系的，是具有基礎屬性節點。交換機單元的邏輯節點屬于公共邏輯節點，可以被其他邏輯設備同時訪問對象，作為其他智能電子設備交換信息的公共邏輯節點，同時也是特定系統的通信邏輯節點，繼承通信邏輯類的屬性，同時發展交換機單元本身特有的屬性。

2.2 邏輯節點（功能性）命名

在智能變電站邏輯節點規范當中，并沒有針對交換機專門的邏輯節點，所以要在公共邏輯節點LLN0的基礎上建立專門的交換機邏輯節點，并建立健全邏輯節點方式和邏輯節點屬性，完善交換機邏輯節點。對于新建的邏輯節點而言，命名的第一個字母是“Z”，并將其定義成電力系統設備，比如Further Power System Equipment。以站內新建邏輯節點為例，交換機邏輯節點所具有的端口流量控制、網絡風暴告警、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

實踐中，以國網標準為基礎，根據告警建模規范要求，告警管理基于GGIO類擴展來實現。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是基于“控制”來配設的，而且告警狀態信息數據對象，通過原總告警擴展獲得，同時GGIO中定義了若干個端口告警信息。

2.4 實際裝置建模

一般物理對象可以作為容器建模，一個容器即一個物理實際裝置，容器可以有很多不同功能的邏輯對象，邏輯對象又有很多邏輯節點，物理容器包括至少一個服務器對象，server對象中包含的LD對象。每一個LD對象包含至少三個LN對象，即LLN0、應用型以及LPHD等邏輯節點。

3 交換機在智能變電站中所參與信息架構

智能變電站拓撲結構為站控層、間隔層、過程層，以網絡交換機為硬件依托，實現三層信息高速率通信。星型網絡結構作為主流架構網絡，廣泛應用于現有智能變電站網絡組成方式，但也有特殊情況，某些對站控層通信要求高的智能變電站主要以星型網架為主要通信結構，還可以構成環網方式以及多通道雙網方式，因此本文以圖1所示網絡結構為例進行討論。

3.1 智能變電站交換機監控系統

在圖1所示的網絡架構中，MMS網用于站控層設備和間隔層設備的信息交換；GOOSE網用于過程層保護測控裝置跳閘、保護裝置連閉鎖信息、一次設備開關刀閘等信息的采集；SMV網用于傳輸電流互感器以及電壓互感器二次側電流電壓量。由于站控層、過程層、間隔層網絡的應用，智能變電站網絡通信質和交換機質量有很大關系，交換機運行過程當中一些重要參數必須得到有效監控，比如端口數據流量、網絡通信告警、交換機告警等等，對智能變電站通信網絡的安全穩定運行有很重要的意義。

3.2 交換機組網方式

交換機通信方式的實現，需要對圖1的網絡略加改造，過程層網絡獨立連接至后臺，如圖2所示：

后臺機可以對交換機狀態有所顯示，詳細監控交換機狀態。同時還需要過濾到交換機上群發的組播報文，只接受單發報文，防止網絡風暴造成的交換機擁堵，這樣有選擇性地接受報文，有利于減輕交換機負荷壓力，使得交換機安全穩定運行。整個變電站的通信都是以核心交換機為支撐的，交換機的通信負荷決定了變電站層面的通信機制好壞，所以將報文有選擇地篩選，是保證信息流轉順暢的有效機制。

3.3 智能通信交換機比較

相比于傳統通信機制交換機，采用智能協議的交換機有如下優點：（1）符合智能變電站全站通信協議唯一性理念，應用傳統通信協議，將會造成兩種協議不兼容，導致通信不暢，智能變電站通信協議只允許有一種通信協議，超過一種以上的協議將會造成網絡擁堵，不同的通信協議不利于數據大流量傳輸；（2）可以對不同設備，比如保護測控裝置、電能質量裝置、備自投裝置、測控裝置等實現通信檢測，準確判斷出哪臺裝置通信中斷，應用傳統協議則要具體服務器，造成一定耗費，而利用智能協議，就可以在不增加投入的基礎上實現智能變電站快速通信。

4 結語

交換機工況運行狀態直接影響到智能變電站的通信質量，網絡交換機基于后臺監控系統的利用，可以構建以網絡交換機為主體的通信建構，健全整個通信機制。本文對智能變電站網絡交換機的信息建模進行了初步探究，并依據IEC標準構建交換機邏輯節點模型，邏輯數據對象的設立以及建模有著很大的靈活性，可以充分發揮智能變電站的不同智能電子設備的功能。

參考文獻

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作者簡介：戚清華（1980-），男，河南上蔡人，國網紹興供電公司工程師，研究方向：電網調度自動化廠站端調試檢修。

（責任編輯：黃銀芳）