智能變電站VLAN配置表自動生成技術的研究和應用

李 鵬, 范 偉， 王 罡，顧俊捷， 夏 誠

(1. 南京五采智電電力科技有限公司，江蘇 南京 211100； 2. 國網天津市電力公司經濟技術研究院, 天津 300450)

0 引言

智能變電站中的過程層交換機主要完成間隔層和過程層設備通信，主要傳輸面向通用對象的變電站事件(GOOSE)和采樣值(SV)的通信報文，當過程層交換機不進行流量管理時，任意端口均能收到本交換機內的所有數據，為了保證各個端口的帶寬余量，必須考慮組播報文的流量管理。目前現場交換機流量主要采用虛擬局域網(VLAN)進行管理。但VLAN的配置主要采用人工配置，對不同裝置或是不同間隔分配不同VLAN ID(簡稱VID)，然后根據交換機內的信息流，分配每個VLAN所包含的端口。當前智能變電站的VLAN劃分存在以下幾個問題[1-6]：

(1) 工作量大。VLAN的劃分工作較為復雜，尤其是精密控制組播流量時，所分配的VLAN號數量更多，在考慮流出端口時需要非常清楚站內的信息流走向，對設計者有較高要求。

(2) 標準不統一。VLAN劃分的標準不夠統一，每一個智能站VLAN的劃分思路不盡相同，帶有明顯的個人習慣，對于VLAN號分配的顆粒度均有不同的理解。

(3) 變電站管理盲區。變電站投產時，對于交換機并無驗收項目，對于VLAN劃分沒有形成驗收要求，更無驗收標準。

(4) VLAN劃分存在明顯的誤區。有人認為GOOSE可以統一分配成一個VID，還有人認為如果是純GOOSE交換機則因為流量低并不需要進行VLAN劃分。但文中認為，這種劃分方式回避了雪崩時大量GOOSE突發造成的瞬時流量過高問題，突發流量一旦超過端口最大限額，容易造成報文丟幀，因此GOOSE無論是在交換機中單獨存在還是與SV共存都應當精細化控制流量。

長期以來，VLAN配置表沒有自動生成的主要原因是因為缺少光纖回路模型文件，隨著《智能變電站光纖回路建模及編碼技術規范》(簡稱《光纖回路模型》)標準的起草，VLAN的自動生成成為可能。標準中提出了光纖物理回路模型文件(SPCD文件)，SPCD文件包含了兩部分，一部分是物理對象及層級關系，如小室、屏柜、裝置、交換機、光纖配線架(ODF)等；另一部分是光纖連接關系，如光纜、尾纜及跳纖等的連接關系。通過解析以上兩部分能夠獲取各個交換機的各個端口的連接設備，即交換機的端口拓撲關系[7-9]。

此外，面向設計院的智能變電站的設計軟件也正在積極起草《智能變電站二次回路設計軟件》規范，提出了在生成的設計文件中能夠包括SPCD文件和變電站配置描述(SCD)文件，且已有設計軟件實現了上述文件的生成，從而為VLAN配置表的自動生成提供了數據源，極大方便了該技術在工程上的實際應用。

文中將基于SPCD文件建立交換機的端口拓撲關系，基于SCD文件分析各智能電子設備(IED)的信息流，根據SCD文件中虛回路接收端口篩選IED設備在交換機中的信息流，提出適合自動實現的VID分配方式，從而自動完成交換機中VLAN的自動生成。

1 SPCD文件介紹

SPCD文件(對完整的SPCD文件進行了裁剪)示例如下：

SPCD中的元素及屬性定義見表1。

2 VLAN自動生成原理

2.1 VLAN基本原理

IEEE 802.1Q協議規定，在以太網報文中增加一個4字節的幀標識符(即VLAN標簽)，交換機可以根據VLAN標簽中VID，取值范圍是0到4095，控制該報文的轉發范圍。

PVID，就是端口VLAN ID，其作用在于：當一個組播報文進入交換機沒有帶VLAN標簽，其VID就會填寫該端口的PVID，這個組播報文的VID就是這個端口的PVID號；如果一個組播報文進入交換機已經帶有VLAN標簽則依然保持自身標簽屬性，不受PVID影響。

不同廠商的交換機的配置方法均略有差異，但主要思路相同。

2.2 VLAN ID自動分配思路分析

如何分配VID是VLAN自動劃分的重點，以下分2種情況進行說明。

2.2.1 組播報文從裝置輸出直接帶VLAN標簽

這種方式是在SCD分配VID，對每個組播報文從裝置輸出即帶VLAN標簽。VID自動分配從精細化控制流量的角度，可以根據間隔，根據裝置，根據組播報文3種方式，不考慮電壓等級和報文類型等粗顆粒度控制方式。需要說明的是，這種方式更適合單網方式，雙網方式由于AB網的報文完全相同，如果光纖連接錯誤容易發生網絡風暴。

(1) 根據間隔。由于大部分變電站的SCD文件中不包含系統規范描述文件(SSD)部分，因此無法實現根據間隔進行自動分配，不推薦這種方式。

(2) 根據裝置。軟件可自動化實現，完全可根據裝置分配VID，一個裝置的若干報文屬于一個VLAN，完全可滿足智能站的流量控制的要求，單網情況下可以采用這種方式。

(3) 根據組播報文。軟件可自動化實現，完全可根據靜態組播分配VID，每個組播報文屬于一個VLAN，與靜態組播控制的顆粒度完全相同，相同的流量控制精度下更推薦靜態組播方式，不推薦這種方式。

2.2.2 組播報文從裝置輸出不帶VLAN標簽

這種方式主要依靠交換機的端口PVID對每個進入交換機組播報文打VLAN標簽，同上，PVID的自動劃分從精細化控制流量的角度，可以根據間隔，根據裝置，根據端口3種方式，不考慮電壓等級和報文類型等粗顆粒度控制方式。這種方式由于AB網的VLAN分配不同，因此不容易因為光纖連接錯誤造成網絡風暴。

(1) 根據間隔。原因同上，不推薦這種方式。

(2) 根據裝置。正常情況一個裝置在交換機上對應一個端口，個別裝置如站域保護等可能存在多個端口上交換機。軟件完全可根據裝置分配PVID，一個裝置的若干報文屬于一個VLAN，完全可滿足智能站的流量控制的要求，可以采用這種方式。

(3) 根據端口。軟件完全可根據端口分配PVID，一個端口的若干報文屬于一個VLAN，較裝置分配的VLAN顆粒度較小，且軟件實現簡單，因此文中推薦采用這種方式。

表1 SPCD元素及屬性定義
Tab. 1 Elements and their attributes of SPCD

元素名說明屬性名說明SPCDPCD文件versionSPCD格式版本號，本標準中固定為2017revsionSPCD格式修訂版本號，本標準中固定為ASubstation變電站name變電站名稱標識符，由英文字母、數字和下劃線組成desc變電站描述name區域名稱標識符，由英文字母、數字和下劃線組成Region區域desc區域描述area戶外場地標識，枚舉值為true、false，false表示戶內，true表示戶外Cubicle屏柜name屏柜名稱標識符，由英文字母、數字和下劃線組成，最長不超過10個字符desc屏柜描述name屏柜中的設備編號，對于IPCD文件，設備編號固定為TEMPLATE，對于SPCD文件，設備編號原則滿足Q/GDW1161、Q/GDW1175desc裝置描述Unit物理裝置iedNameIED設備的名稱，與SCL文件中的IED設備名稱一致，對于非IED設備或IPCD文件，該屬性為空manufacturer設備生產廠商名稱type設備型號class設備類型，枚舉值為IED、ODF、SWITCH、OTHER，IED表示智能設備，ODF表示光纖配線架，SWITCH表示交換機，OTHER表示其它未列舉設備slot板卡編號，用十進制數字表示，對于存在多臺子機的分布式裝置，板卡編號不應重復，宜采用板卡編號高位遞增方式進行區分，交換機的板卡編號默認為1Board板卡desc板卡描述文本type板卡型號no端口組序號，采用大寫英文字母A～Z或從1開始的十進制數字，對于同組端口(例如，一對收發光口)，no屬性相同desc端口描述文本，不應為空，其內容應與裝置背板端口描述保持一致Port端口direction端口方向，枚舉值為Tx、Rx、RT，Tx表示發送，Rx表示接收，RT表示收發plug接口類型，枚舉值為LC、ST、SC、FC、RJ45usage端口功能描述文本，，用于在系統集成階為集成商提供端口使用的指導性說明name跳纖/雙絞線編號標識符IntCore屏內光纖連線portA跳纖/雙絞線所連接A端口的路徑，格式為：“Unitname．Boardslot．Portno-direction”portB跳纖/雙絞線所連接B端口的路徑，格式為：“Unitname．Boardslot．Portno-direction”type跳纖類型，枚舉值為TX(跳纖)、SJX(雙絞線)name物理線纜編號標識符desc描述物理線纜信息length物理線纜長度(米)Cable屏柜間的光纜連線coreNum物理線纜芯數，用十進制數字表示cubicleA物理線纜所連接A屏柜的路徑，格式為：“Regionname．Cubiclename＂cubicleB物理線纜所連接B屏柜的路徑，格式為：“Regionname．Cubiclename＂type物理線纜類型，枚舉值為GL(光纜)、WL(尾纜)、TL(跳纜)、SJX(雙絞線)no線纜纖芯序號，用十進制數字表示，從“1”開始順序編號Core屏柜間光纜的纖芯reserve備用芯標識，枚舉值為true、false，true表示為備用芯，false表示非備用芯portA線纜纖芯所連接A端口的路徑，格式為：“Unitname．Boardsolt．Portno-direction”，對于懸空的備用芯，該字讀為空portB線纜纖芯所連接B端口的路徑，格式為：“Unitname．Boardsolt．Portno-direction”，對于懸空的備用芯，該字讀為空

綜上，文中推薦采用通過交換機端口打VLAN標簽及根據端口分配PVID的方式。此方式下，軟件實現較為簡單，流量控制顆粒度也較為精細，不受單雙網影響，適宜在智能變電站推廣應用。

2.3 VLAN配置表自動生成原理

VLAN人工配置流程如下：

(1) 根據圖紙整理交換機的端口的拓撲關系；

(2) 人工分析各個IED設備在交換機中的信息流；

(3) 人工分配PVID或VID。

(4) 根據信息流人工分配各VID的輸出端口；

(5) 對于跨交換機傳輸的組播報文，需要增加從信息源輸入端口到輸出端口所經交換機的級聯端口。

VLAN的自動生成過程也將參考人工的方式，其整體思路見圖1。

圖1 VLAN配置表自動生成整體思路Fig.1 General idea of automatically generation of VLAN configuration tables

(1) SCD虛端子解析模塊。輸入SCD文件生成IED邏輯關系拓撲，即IED的信息流，已有大量文獻針對SCD文件進行了信息流的分析及可視化，此處不再贅述[10-14]，需要說明的是這里的SCD文件要求在接收連線(Inputs)元素遵循IEC 61850繼電保護建模規范，在接收連線中含有接收端口信息，如在包含接收端口1-A，通過接收端可以完成交換機內信息流的篩選[15]。

(2) SPCD交換機解析模塊。輸入SPCD文件生成交換機端口拓撲，其方法如下：在SPCD文件中，識別交換機設備，并根據交換機的各個端口進行遍歷，對于某個端口，根據端口連接關系不斷查找，直至查找到IED設備或交換機設備為止，某個端口的查找邏輯見圖2。所有端口查找完畢，即可完成交換機的端口拓撲關系。

圖2 交換機解析模塊中某端口查找邏輯Fig.2 Find logic of some port in switches parsing module

交換機及交換機端口的數據結構如下所示。端口結構至少應該包括每個端口對側設備類型、編號、描述、PVID；交換機結構應該包括所有端口的列表、本交換機的編號、描述，其數據完全可以通過解析SPCD文件進行填充，但是級聯交換機信息需要進一步分析獲取。

struct Port{

int no;//交換機端口號

int type;//對側設備類型0表示IED，1表示交換機

QString name;//對側IED或交換機的編號

QString desc;//對側IED或交換機的描述

int PVID;//自動分配的PVID值}

structSwitch{

QList lstPort；//所有端口的列表

QString name;//本交換機的編號

QString desc;//本交換機的描述

QList< Switch *> lstSwitch；//級聯交換機信息}

圖3展示了交換機級聯關系的查找邏輯，對交換機的某端口對側設備進行判斷，如果是交換機，記錄編號s，然后遍歷所有交換機，如某交換機編號f，看f與s是否相同，當相同時則認為這2個交換機有級聯，如果沒有則繼續查詢，直到所有的交換機級聯關系查詢完畢為止。

圖3 級聯交換機查找邏輯Fig.3 Find logic of Cascade switches

(3) PVID分配模塊。對交換機的IED設備端口分配PVID值，為了方便，A網的PVID取值從1001開始，B網從2001開始，每個端口加1，級聯端口默認為1，PVID值存儲于每個端口中，見2.3SPCD交換機解析模塊中的Port的數據結構。見圖4中的左半部分，一個端口對應一個PVID，當這個端口的組播報文進入交換機，會根據PVID打上VLAN標簽，其VID值就是PVID值。

(4) 交換機信息過濾模塊。該模塊實際上就是通過Inputs元素接收端口信息完成IED虛實回路的關聯，文獻[7]已經對虛實回路的解析方法，完整路徑的搜索方法進行了深入研究，本文不研究全部虛實回路的對應關系，僅考慮交換機的虛實回路對應關系，因此比較簡單。

具體流程見圖4右上半部分，根據交換機端口拓撲遍歷交換機所有端口的IED設備，端口標記為n，IED設備標記為a，根據a的信息流查找其訂閱信息及接收端口m，如果m與n不同，則說明這個信息不經過交換機；如果m與n相同，則說明該信息流經過交換機。通過上述方法能夠篩選出a在交換機的訂閱信息流，其訂閱的對側裝置可能存在于本交換機，也可存在于級聯交換機。

(5) VLAN配置表生成模塊中，輸入交換機中的IED信息流和PVID信息，生成VLAN配置表，具體流程見圖4右下半部分。對于篩選出的a在交換機的信息流，如果發送設備和a同一個交換機，則只需要在本交換機VLAN配置表中對該VLAN增加n端口；如果發送設備和a不在同一個交換機，則除了在本交換機對該VLAN增加n端口外，也需要對從源發生點到所有途徑交換機對該VLAN增加級聯端口轉發。

轉發端口分為去除標記端口(UntagPort)和標記端口(TagPort)，UntagPort將組播報文的VLAN標簽去除，TagPort保留組播報文的VLAN標簽。軟件實現原則如下：對于級聯端口使用TagPort，對于非級聯端口使用UnTagPort。其實裝置對有VLAN標簽的和無VLAN標簽的組播報文都是兼容的，軟件不做區分統一采用TagPort也是無妨的，交換機中維護的每個VLAN數據結構如下。

structVLAN{

intVID;//VLAN ID

QList lstOutPort_Tag;//VID輸出帶Tag的端口

QList lstOutPort_UnTag;//VID輸出不帶Tag的端口}

需要說明的是，對于故錄網分等設備，由于其訂閱信息一般不體現在SCD中，因此這些端口必須依靠人工進行分配。

圖4 交換機信息流過濾及VLAN配置表生成模塊Fig.4 Information flow filtering and VLAN tables generation modules of switches

2.4 VLAN配置文件的格式

目前交換機并沒有針對配置文件做標準化規范，各廠家均采用私有配置文件。本文的測試用例是在PCS922進行，其文件格式采用可擴展標記語言(XML)方式描述，如下：

...

...

表2 交換機VLAN配置文件元素及屬性定義Tab. 2 Elements and their attributes of VLAN configuration file of switch

3 測試用例說明

以220 kV典型線路間隔進行說明，網絡結構見圖5。中心交換機連接設備包括母線保護A、母線測控、母線合并單元A、1M智能終端、2M智能終端，線路交換機連接設備包括線路保護A、線路測控、線路合并單元A、線路智能終端A。交換機型號為南瑞繼保PCS9882。

PCS9882支持2種視角劃分VLAN，也是各交換機常見的配置方式，一種是以端口為視角，列出端口所屬的VLAN號(PORT VLAN)；另一種是以VLAN為視角，列出VLAN包含的端口號(VLAN PORT)。2種方式其實是二維數組的2種觀察視角，文中的原理圖是按照VLAN PORT的方式進行分析提出，通過數據的重新組織也能夠方便導出PORT VLAN的方式，此處依然以文中原理圖中的VLAN PORT的方式進行介紹。

PCS9882支持報文傳出去VLAN標簽功能，現行的裝置均兼容有標簽和無標簽組播報文，為了更方便說明，統一按有標簽處理。

圖5 220 kV典型線路間隔網絡Fig.5 220 kV typical line bay network diagram

通過交換機的信息流如圖6所示，交換機的信息流主要包括：

(1) 線路保護和母線保護之間傳輸遠跳、啟動失靈信息。

(2) 線路測控采集合并單元的采樣和告警信息，遙控智能終端和采集智能終端的開入告警信息，線路智能終端提供位置給線路合并單元。

(3) 母線測控采集母線合并單元的采樣和告警信息，遙控智能終端和采集智能終端開入告警信息，母線智能終端提供位置給母線合并單元(限于篇幅不包含母聯智能終端提供位置給母線合并單元)。

圖6 220 kV典型線路間隔交換機內的信息流Fig.6 220 kV typical line bay flow chart in switch

搭建上述網絡環境，通過設計軟件生成SPCD文件和SCD文件。根據SPCD文件進行PVID自動分配，分配結果見表3和表4。

表3 中心交換機PVID分配
Tab. 3 PVID allocation table of central switch

端口PVID所屬裝置用途11001母線保護A遠跳21002母線測控遙控、聯鎖31003母線合并單元A采用、告警410041M智能終端告警、位置、開入等510062M智能終端告警、位置、開入等61線路級聯級聯數據

表4 220 kV線路間隔交換機PVID分配
Tab. 4 PVID allocation table of 220 kV line bay switch

端口PVID所屬裝置用途11007線路保護A啟動失靈21008線路測控遙控、聯鎖31009線路合并單元A采樣、告警41010線路智能終端A告警、位置、開入等81中心交換機級聯級聯數據

依照圖4的流程能夠生成VLAN配置文件，為方便查看以表格進行顯示，見表5和表6。對表5和表6舉例說明。

例1：因為母線測控對1M智能終端，2M智能終端存在遙控信息流，所以中心交換機母線測控(VID=1002)的輸出端口為4和5。

例2：因為母線保護對線路保護存在遠跳信息流，所以中心交換機的母線保護(VID=1001)輸出端口為6，線路交換機的母線保護輸出端口為1。

表5 中心交換機VLAN配置Tab. 5 VLAN configuration table of central switch

表6 220 kV間隔交換機VLAN配置Tab. 6 VLAN configuration table of 220 kV line bay switch

將上述VLAN配置文件下裝到交換機，交換機可按預期控制端口進行轉發，證明VLAN配置表的自動生成技術在現行規范下是完全可行的。

這里僅僅是一個線路間隔，如果從整站考慮，一個220 kV等級的智能站VLAN的設計工作至少需要2 d左右，采用自動化的方式僅僅需要幾分鐘就可以完成，大大提高了設計效率。

由于各個交換機的VLAN設置雖然原理相近，但是設置方法都不盡相同，參數多少也不一樣，文中提出的研究雖然是基于PCS9882，但是其他交換機也可參考執行。

可以想象，如果能統一交換機配置文件，一鍵生成統一的標準配置文件進行下裝，不但方便了軟件的收斂開發，在實際工程中也會極大的縮短人工設計和配置時間[16-18]。

4 結語

智能站交換機的VLAN配置主要依靠人工完成，存在效率較低，經驗不足的問題，直接影響了配置的準確性，工程投運也沒有相關的驗收要求，更無驗收標準，屬于智能變電站的管理盲區。

文中適時地結合智能變電站光纖回路標準的發展及設計軟件開發的最新進展，前瞻性的開展了VLAN自動生成技術的研究，較為詳細地分析了智能變電站交換機VLAN配置表的自動生成方法，并通過實際的測試用例進行驗證。

VLAN配置表的自動生成技術上實現難度不大，但是具有較突出的工程應用價值，可有效提高現場的交換機換機的設計效率，對于規范過程層交換機的流量管理標準化具有一定的參考意義。此外，積極研究交換機標準化配置，可有助于自動生成標準化配置后一鍵下裝，進一步提高工作效率。

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