智能变电站交换机IEC61850信息建模

刘明慧 胡绍谦 王文龙 杨 贵 周旭峰

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

在数字化变电站和智能变电站出现以前，电力领域中并未有对交换机监控的应用。随着通信技术、微电子技术的发展，智能变电站已经成为综合自动化变电站的发展方向[1]。在智能变电站中，以交换机为核心的通信网络起着关键的作用[2]，不但站控层和间隔层之间采用基于以太网的 IEC61850协议通信，而且间隔层和过程层之间也取消了传统综自站的二次电缆，通过交换机网络传输保护跳闸命令、开关信号、采样值信息等[3]。因此，关注和重视智能变电站内整个通信网络的稳定性和可靠性，加强对智能变电站交换机的监控十分必要。

通信领域中对交换机监控的方式主要采用SNMP（简单网络管理协议）和 RMON（远端网络监控），二者都是采用 SNMP协议进行数据传输，通过NSM（网路管理系统）管理站进行信息监控和管理。但在智能化变电站中，采用SNMP协议监控交换机会使站内同时存在两套通讯系统，与智能变电站内所有设备统一采用 IEC61850协议进行无缝连接和互操作的初衷相违背，不是最佳选择。因此，在智能变电站中，将交换机采用 IEC61850协议接入全站监控体系当中，有着广阔的应用前景。

采用 IEC61850协议对交换机进行监控，首要问题即是按照 IEC61850协议面向对象的思想和建模规范对交换机的数据信息进行建模[4]（以下简称“建模”），本文将详细讨论IEC61850协议通信体系下的交换机建模方法。

1 必要性和可行性分析

1.1 智能变电站的常用网络架构

智能变电站网络一般分为站控层、间隔层、过程层，站控层和间隔层之间的网络为 MMS网，间隔层和过程层之间的网络为GOOSE或SMV网（统称为过程层网络，可由一个或多个物理网组成）[5]。目前，智能变电站大多采用星型网络结构，也有个别试点站在 MMS网的主干网络采用环形组网，且上述3种网络可能共网或分网布置。但在各种组网形式下对交换机的监控并无原则区别，因此本文以图1所示网络结构为例进行讨论。

图1 智能变电站网络架构

1.2 智能变电站交换机监控的必要性

在图1所示的网络架构中，MMS网用于站控层设备和间隔层设备的信息交换；GOOSE网用于过程层设备的跳闸、保护之间的信息的交互、开关刀闸等信息的采集；SMV网用于传输电子式互感器所产生的模拟量。

可见，在智能变电站中，由于过程层通信的引入，交换机的运行状态直接决定站内保护和测控的工作状态，其重要性不言而喻。因此，需要对其端口状态、各项流量指标等信息进行实时监控，并且对其参数进行远程查看和维护，以便保证整个变电站设备的安全稳定运行。

1.3 对交换机监控的组网模式

采用 IEC61850协议对交换机进行监控，需要保证站内所有交换机对后台机可见，因此需要对图1的网络略加改造，将各个独立过程层网络连接至后台机的独立网卡，如图2所示。

图2 交换机监控网络架构

这样既能使后台机同时监控站内所有交换机，又能保证 MMS网和各过程层网络物理上独立。同时，需要在各过程层网络连接至后台机的交换机端口上过滤组播报文，以防止过程层网络上的大量组播数据对后台机网卡的冲击。

1.4 采用IEC61850协议监控交换机的优势比较

相比于采用传统的 SNMP协议对交换机进行监控，采用IEC61850协议对交换机进行监控有以下优势：

（1）保证全站通信协议的统一性，符合智能变电站的设计理念。如果应用SNMP协议，将导致智能变电站监控网内同时出现两种通信协议，两套监控系统，不符合“一个世界，一种技术，一种标准”的理念。

（2）可以方便地在后台机上对交换机、保护、测控等设备共同进行监控，符合电力系统操作习惯，方便用户使用。如果应用SNMP协议，需要设立单独的 NSM 服务器作为监控设备，增大投资，且用户需要同时监控两套系统，不便于使用。

（3）组网方式上较采用SNMP协议有所简化。只需将过程层每个物理网连接至后台机独立网卡，不需要连接NSM服务器。

综上所述，采用 IEC61850协议对交换机进行在线监控是必要的和可行的，而建模工作是IEC61850通讯的基础，必须首先完成。

2 模型分析

2.1 建模原则

1）必须保证模型具有良好的通用性和一致性

（1）当可采用IEC61850标准[6]规定的LN（逻辑节点）类型时尽量采用标准类型；如果需要扩充LN类型，扩充时要严格遵守标准规定的扩充规则和命名规范。

（2）全部引用IEC61850标准[7]中规定的CDC（公用数据类）和国网公司企业标准[8]中已扩充并已被广泛采用的一个 CDC（STG类型），不自行扩充新的CDC。

（3）全部引用IEC61850标准中规定的数据属性类型和枚举类型，不自行扩充。

2）交换机数据的获取

（1）考虑到SNMP的标准MIB库中已经涵盖了交换机常用的参数及统计数据，并且这些数据已被各厂商广泛接受并实现，因此，建模过程中参考SNMP协议的标准MIB库中的各项信息，从中提取适合智能变电站应用的数据。

（2）结合电力系统特点和需求，在上述数据之外做部分扩充。

（3）各项高级应用功能中的数据按照功能需求和特点提取。

3）建模立足于现场实用性

并非交换机中所有数据都适合采用 IEC61850协议建模和传输。对于不适合直接建模的数据可暂不建模，或视以后发展需要做适当转换。

2.2 数据需求

在上述建模原则下，交换机 IEC61850模型的数据需求分析如下。

1）基本数据需求

二层交换机的基本参数和统计数据，主要内容如下。

（1）公用参数

交换机的公用参数（不含各应用功能模块参数定值），如厂商、型号、IP地址等。

（2）端口统计量数据

二层交换机所能统计和监视到的所有计数器的数据，该类数据每个端口均有一组，如各端口速率、端口接收和发送的字节数及数据帧数统计、端口接收的各种二层传输出错的数据帧统计等。

（3）基本性能运行告警

交换机正常运行监视信息和异常告警信息，如装置启动、电源切换及各种装置异常告警等。

（4）端口状态监控

各端口状态控制和端口参数定值，该类数据每个端口均有一组。

2）高级应用功能数据需求

（1）高级应用模块监控

各高级应用模块状态、参数定值及模块内部数据的监视和控制。

（2）高级应用模块运行告警各高级应用模块运行异常等。

3）不适合直接建模的数据分析和转换

交换机中存在可动态创建条目的表项数据，主要有以下4类。

（1）静态 VLAN配置表、GVRP动态学习后的VLAN配置表。

（2）静态组播转发表、GMRP或IGMP snooping动态学习后的组播转发表。

（3）基于静态MAC的端口安全表。

（4）RMON历史、告警和事件配置表。

IEC61850规约不适合对上述表项进行操作，不能很好解决表中条目的动态创建、删除、读取、修改等问题。以VLAN为例说明其不适合直接用于建模的原因，其他同理。

原则上交换机IED模型应该在交换机出厂之前建立，与交换机的软件版本一一对应，现场将模型ICD文件导入 SCD文件、配置后再导出生成 CID文件的过程仅改变该装置模型与其他装置模型的相互作用关系，而不改变原模型内固有信息。

但VLAN条目是动态创建的，每个VLAN条目中包含VLAN ID、端口数、端口带标签等情况，其配置随现场需求而变化（如果采用 GVRP，则随着GVRP动态学习结果不断变化）。如果每个 VLAN作为一个节点直接建模，将导致模型随现场配置需求或动态学习结果而变化，不具有实用价值。

因此，可动态创建条目的数据不适合以每个条目作为一个节点直接建模，此类数据建模时需视重要程度舍弃或做适当转换。

本文综合考虑智能变电站的数据需求，建模时对上述前三类数据转换后建模，第四类数据舍弃，因为后台高级应用可以方便地取代RMON的历史、告警和事件表的功能。

3 模型实现

3.1 LD（逻辑装置）模型定义

二层管理型交换机的各项功能可以划分为两大部分：一部分是基本参数和基本数据交换功能，该部分各厂商交换机所需监控数据基本相同；另一部分是管理功能和高级应用功能，该部分功能模块、各模块需要监控的数据各在厂商交换机中可能有所不同。

如上所述，可以将交换机模型划分为基本性能LD（名称采用“BASC”）和高级应用LD（名称采用“APPL”）。

3.2 基本性能LD中的LN模型定义

1）公用参数监控LN建模

将交换机的公用参数监控放入基本性能 LD的LLN0节点中，使模型简洁且便于操作。

2）端口统计量数据LN建模

由于交换机端口较多，每个端口具有相同的统计量数据，所以每个端口建立一个 MMXN标准类型节点，包含该端口所有统计量数据，使用前缀“PTXX”（XX为端口号）作为每个端口MMXN的前缀。

表1 基本性能LD的LLN0类结构

表2 交换机端口MMXN类结构

续表2

3）运行告警LN建模

为了便于管理也便于扩展数据对象，将所有表示装置基本性能的告警信息（不含各高级应用功能模块告警）数据统一放入基本性能 LD的通用类型节点GGIO中，数据对象名统一采用“Alm”扩展。LN中的数据对象数量视交换机能提供的告警信息数量而定，如果告警信息过多可分别放入多个GGIO中，以“ALMXX”（XX为数字编号）为前缀。

表3 交换机告警GGIO类结构

4）端口状态监视和控制量建模

由于交换机端口较多，每个端口具有相同属性，故扩展一个APST类型节点，将端口的所有状态属性归入其中，包含该端口连接状态和端口参数的监控，使用前缀“PTXX”（XX为端口号）作为每个端口APST的前缀。

表4 交换机端口状态APST类结构

3.3 高级应用LD中的LN模型定义

在高级应用LD中按照各项应用功能扩展逻辑节点类型，LD类型采用IEC61850标准规定的表示“自动控制”的字母“A”开头，各 LN的具体结构取决于各功能需要监控的数据，各LN扩展类型如表5所示。由于篇幅限制，本文中仅列出各LN扩展类型名称，各LN扩展类型的具体结构在附录中列出。

表5 高级应用LD的扩展LN类

需要说明的是，对于前文分析的不适合直接建模的VLAN、组播转发表和静态单播地址表数据，因其比较重要，此处做了转换建模：将VLAN分配到各端口的APVL节点中，每个端口APVL节点中预先建立满足常用站使用数目（如30个）的DO（数据对象），DO值为0表示未用；将组播转发表和静态单播地址表分配到各端口的APMC中，每个端口APMC节点中预先建立满足常用站使用数目（如60个）的DO，DO值为0表示未用。这样将动态变化的表项条目转换为与端口数目相等的固定数目的LN，LN中预先建立的DO的数目可以满足绝大多数变电站需求即可，以避免模型过大，对个别站需要DO数目很多的可单独扩充DO数目。

考虑到采用 IEC61850规约对交换机监控时不需要再开启SNMP和RMON功能，本文未对SNMP和 RMON功能模块建模。RMON的历史、告警和事件统计功能可由后台高级应用方便地实现。

表5中高级应用功能节点可以选择性取用，对于现场不用的功能可以暂时不建在模型中，以避免模型过大。以后如有新增应用功能也可以根据需求按此模式扩充。

3.4 整体模型结构

按照本文的 LD模型及LN模型，整个交换机的IED模型结构表达如图3所示。

图3 交换机IEC61850模型结构

4 模型数据的应用场景

按照以上的建模方法，可以得到交换机的完整IEC61850模型，但交换机的模型数据与目前智能变电站中常用的保护装置模型数据有较大差异，系统集成商对模型中各项数据可应用的场景可能并不熟悉，因此对交换机模型数据的应用场景简单分类总结如下：

1）生成各项数据的流量曲线。模型中包含的表示端口各项流量的统计数据（具体数据包含在各端口 MMXN节点中）可以由后台定时查询或装置周期上送，然后由后台计算单位时间内该端口接收或发送的各项数据流量，在后台生成各项数据的流量曲线，便于用户直观的监视交换机各端口的各项流量变化，也方便用户调出历史曲线和历史数据分析问题。

2）产生各项数据的越限告警信息。同理，后台可以根据各端口各项流量的统计数据在后台设置越限告警信息，当某项流量数据超越该数据的上下限指标时，后台主动产生越限告警信息，告知用户网络流量异常，需要通过分析历史曲线和历史数据等方式检测问题进而排除故障。

3）接收装置告警信息和端口状态变化遥信。

4）控制端口状态。可根据需要在后台开启和关闭交换机指定端口通信。

5）监视和设置交换机参数和各项高级应用功能定值（即应用参数）。由于智能变电站过程层网络的存在，交换机的参数和各项定值的重要程度等同于保护定值，因此对交换机参数和定值的监控必须给予足够的重视。

5 结论

在智能变电站中，采用全站统一的 IEC61850协议对交换机进行监控，必然成为发展趋势。而交换机建模工作是将交换机真正融入智能变电站通讯体系的基础和必经之路，对推动智能变电站的建设有着重要的意义。

[1]张沛超,高翔.智能变电站[J].电气技术,2010(8):4-10.

[2]杨贵,王文龙,熊慕文,刘明慧.千兆交换机在智能变电站的应用探讨[J].电气技术,2010(8):129-132.

[3]张沛超,高翔.数字化变电站系统结构[J].电网技术,2006, 30(24): 73-77.

[4]余晓鹏,李琼林等.基于IEC 61850的电能质量监测终端数据分析及模型实现[J].电力系统自动化,2011,35(4):56-60.

[5]徐磊.智能电网的网络通信架构及关键技术[J].电气技术,2010(8):16-20.

[6] IEC 61850-7-4. Basic communication structure for substation and feeder equipment- Compatible logical node classes and data classes, 2003.

[7]IEC 61850-7-3. Basic communication structure for substation and feeder equipment–Common data classes,2003.

[8]国家电网公司. Q/GDW 396—2009. IEC 61850 工程继电保护应用模型.