智能變電站過程層交換機靜態組播表自動生成技術的研究和應用

李 鵬，單 強，楊世江，王 罡，范 偉，杜東華，徐 淦

（1.南京五采智電電力科技有限公司，南京 211106；2.國網新疆電力有限公司，烏魯木齊 830002；3.國網天津市電力公司經濟技術研究院，天津 300450；4.國網江蘇省電力有限公司鎮江供電公司，江蘇 鎮江 212001）

0 引言

智能變電站過程層交換機主要傳輸GOOSE（面向通用對象的變電站事件）和SV（采樣值）的組播報文，若不對組播報文進行流量管理，組播的處理方式等同于廣播，即從交換機一個端口進入后對除該端口外的所有端口進行轉發，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，交換機流量管理主要有VLAN（虛擬局域網）、GMRP（通用屬性注冊協議的組播注冊協議）、靜態組播3種方式。其中，GMRP方式因為不是預配置，需要交換機動態學習，可靠性不高，現場應用較少；VLAN方式應用最多，但是理解和配置較為復雜；靜態組播方式，理解相對簡單，僅需要考慮組播的轉發端口，且能夠精確控制每個組播，更適合智能變電站交換機的純組播報文管理。另外，考慮到過程層交換機主要傳輸組播報文，更適合靜態組播方式，因此以下將靜態組播表的自動生成作為主要研發方向[1-5]。

過去靜態組播表無法自動生成主要是因為缺少光纖回路模型，隨著《智能變電站光纖回路模型及編碼技術規范》（以下簡稱《光纖回路模型》）標準的發布，使得靜態組播表的自動生成成為可能?！豆饫w回路模型》首次提出了SPCD（變電站物理配置描述）文件，該文件包含兩部分，一部分是物理對象及層級關系（如小室、屏柜、裝置、交換機、ODF（光纖配線架）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各個端口的連接設備，即交換機的端口拓撲關系[6]。

此外，面向設計院所用設計軟件的《智能變電站二次光纖回路及虛回路設計軟件技術規范》正在積極起草，規范要求SPCD文件和SCD（變電站配置描述）文件作為設計成品必須能夠自動輸出，當前已有設計軟件實現了上述功能。設計軟件能夠自動輸出SPCD文件和SCD文件，將為靜態組播表的自動生成提供數據源，極大方便了該技術在工程中的推廣應用。

以下將基于SPCD文件建立交換機的端口拓撲關系，基于SCD文件分析各IED（智能電子設備）的信息流，根據SCD文件中虛回路接收端口篩選IED在交換機中的信息流，從而自動完成交換機中靜態組播表的生成。

1 SPCD文件介紹

選取SPCD文件部分內容示例如下：

SPCD文件中的元素及屬性定義見表1。

2 靜態組播表自動生成原理

2.1 靜態組播配置流程

當前，靜態組播主要采取人工配置，其流程如下：

（1）根據圖紙整理交換機端口的拓撲關系圖。

（2）人工分析各個IED在交換機中的信息流。

（3）根據組播MAC（媒體訪問控制）地址人工分配其輸出端口。

（4）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級聯端口。

2.2 靜態組播自動生成過程

靜態組播的自動生成過程也將參考人工方式，其整體思路見圖1。

（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[7-8]，需要說明的是這里的SCD文件要求Inputs元素遵循繼電保護建模規范，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[9]。

（2）SPCD交換機解析模塊：輸入SPCD文件生成交換機端口拓撲。具體方法為：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。

交換機端口結構至少應該包括每個端口對側設備類型、編號、描述；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SWITCH信息需要進一步分析獲取。

交換機及其端口的數據結構如下：struct Port{

int no；//交換機端口號

表1 SPCD元素及屬性定義

圖1 靜態組播表自動生成整體思路

圖2 SPCD交換機解析模塊中某端口查找邏輯

int type；//對側設備類型0表示IED，1表示SWITCH

QString name；//對側IED或SWITCH的編號

QString desc；//對側IED或SWITCH的描述}struct Switch{

QListlstPort；//所有端口的列表

QString name；//本 SWITCH 的編號

QString desc；//本 SWITCH 的描述

QListlstSwitch；//級聯 SWITCH 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，看是否f與s相同，當相同時則認為這2個交換機有級聯，并將級聯交換機信息填充到Switch和Port的數據結構中，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。

（3）交換機信息過濾模塊中，輸入IED邏輯關系拓撲和交換機端口拓撲，生成交換機中的IED信息流，具體流程見圖4虛線以上部分。根據交換機端口拓撲遍歷交換機所有端口的IED，端口標記為n，IED標記為a，根據IED的信息流查找a的訂閱信息及接收端口m，如果m與n相同，則說明這個信息流經過交換機；如果m與n不同，則說明這個信息不經過交換機。通過上述方法能夠篩選出a在交換機的訂閱信息流。

圖3 級聯交換機查找邏輯

（4）靜態組播表生成模塊中，輸入交換機中的IED信息流，生成靜態組播表，具體流程見圖4虛線以下部分。對于篩選出的a在交換機的信息流，如果發送設備和a在同一個交換機，則只需要在本交換機靜態組播表中向該組播地址增加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組播地址增加n端口外，還需要對從源發生點到所有途徑交換機向該組播增加級聯端口轉發。交換機中維護的每個靜態組播數據結構如下：

struct STATICMULTICAST{

int ID[6]；//組播 ID

QListlstOutPort；//輸出的端口}

需要說明的，對于故障錄波器和網絡分析儀等設備，由于廠商不提供ICD文件，SCD文件中并未包含這些設備，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在靜態組播表中針對故障錄波器和網絡分析儀訂閱的MAC地址進行補充添加。

此外，對于改擴建工程靜態組播表可能發生變化，采用本方法僅需要重新導入SCD文件和SPCD文件，即可完成改擴建后的靜態組播表的自動生成。

圖4 交換機信息流過濾及靜態組播表生成模塊

3 靜態組播配置文件格式

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，如表2給出了配置文件元素及屬性定義。以下測試用例是在南瑞繼保PCS交換機上進行的，其文件格式采用XML方式描述，可以作為標準格式文件的參考，具體如下：

表2 交換機靜態組播配置文件元素及屬性定義

4 測試用例說明

以220 kV典型線路間隔為例進行說明，其網絡結構見圖5。中心交換機連接設備包括母線保護A、母線合并單元A、母線測控、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。

圖5 220 kV典型線路間隔網絡

通過交換機的信息流如圖6所示，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

搭建上述網絡環境，通過設計軟件生成SPCD文件和SCD文件，依照圖4的流程能夠生成靜態組播表，見表3和表4。

舉例說明：如母線測控對1M智能終端、2M智能終端存在遙控信息流，因此中心交換機母線測控（01-0C-CD-01-00-02）的輸出端口為4和5。如母線保護對線路保護存在遠跳信息流，因此中心交換機的母線保護（01-0C-CD-01-00-01）輸出端口為6，線路交換機的母線保護輸出端口為1。

表3 中心交換機靜態組播表

表4 220 kV線路間隔交換機靜態組播表

根據上述靜態組播表的計算結果對交換機進行設置，交換機可按預期控制端口進行轉發，可證明靜態組播表的自動生成技術在現行規范下是完全可行的。

這里僅僅以某線路間隔為例，如果從整站考慮，1座220 kV等級智能變電站靜態組播的設計工作至少需要2天，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。再進一步，如果能統一交換機配置文件，除一鍵生成之外又能實現一鍵下裝，將會極大縮短人工設計和配置時間，工作效率可進一步得到提升[10]。

5 結語

目前，智能變電站交換機的靜態組播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，工程投運也缺少相關驗收標準，屬于智能變電站的管理盲區。

文中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，前瞻性地開展了靜態組播表自動生成技術研究，較為詳細地分析了智能變電站交換機靜態組播配置表的自動生成方法，并通過實際的測試用例進行驗證。

靜態組播配置表的自動生成技術實現難度不大，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，研究交換機靜態組播表的標準化配置，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。