智能变电站网络交换机信息模型及映射实现

张小建,吴军民

（中国电力科学研究院信息通信研究所,江苏 南京 210003）

0 引言

为了实现变电站内不同厂家设备的互操作性，IEC TC57 工作组在2000年SPAG 会议上决定以IEC 61850 标准作为电力系统无缝通信体系标准[1]。IEC 61850 通信协议采用面向对象技术和抽象通信服务接口对站内智能电子设备(Intelligent Electronic Device,IED)的数据对象统一建模，实现了智能变电站内的无缝通信[2]。网络通信系统承载智能变电站SV 采样值和GOOSE 跳闸信号等关键数据通信业务，非常关键。但IEC 61850 并未构建网络交换机配置、管理信息模型，给站内网络管理和维护带来困惑。因此，将网络交换机作为一种IED 设备纳入IEC 61850 标准体系中，研究其在IEC 61850 标准下的信息模型建立和映射实现具有现实意义。

1 IEC 61850 标准下IED 建模方法

1.1 IEC 61850 通信体系架构

IEC 61850 按照变电站自动化系统所要完成的控制、监控和继电保护三大功能，从逻辑上将系统分成三层，即站控层、间隔层、过程层。如图1所示。过程层主要完成开关量I/O、电流/电压模拟量的采样和控制命令的发送等与一次设备相关的功能，该层的物理设备主要是合并单元（Merging Unit,MU）、智能终端(Intelligent Terminal,IT)或气体密封组合开关（Gas insulated Switchgear,GIS）装置。间隔层的功能是利用本间隔的数据对本间隔的一次设备产生作用，如保护设备、测控设备和计量设备。站控层的功能分为两类：一是利用各个间隔或全站的信息对多个间隔或全站的一次设备发生作用，如母线保护或全站范围的互锁，二是与接口相关的变电站层功能，主要是人机界面接口(Human Machine Interface,HMI)、远方控制中心接口(TeleControl Interface,TCI)以及与远方监视和维护工程师的接口(TeleMonitoring Interface,TMI)，该层的物理设备主要有带数据库的监控主机，工程师站和远方通信接口等。

图1 IEC 61850 通信体系架构Fig.1 Communication architecture of IEC61850

过程层网络负责过程层设备和间隔层设备之间电压互感器(PT)和电流互感器(CT)瞬态采样值(SV)的采集和保护控制开关量传输；站控层网络承载间隔之间五防联锁信号、间隔和站控层之间四遥（遥信、遥测、遥控、遥调）信号。网络交换机尤其是过程层交换机的运行状态对保护测控的影响很大，因此对网络交换机实施统一信息建模，实现后台统一监控管理显得十分必要。

1.2 IED 的建模步骤

IEC 61850 系列标准采用了面向对象的统一建模技术，用对象继承的方法设计不同层次的类，为系统建立了一个统一的信息分层抽象数据对象模型[3]。并采用了独立于具体网络应用协议（如MMS）的抽象通信服务接口（ACSI）实现信息交换。因此，依据IEC 61850 标准，对变电站IED 设备的自动化功能服务建模可归纳为以下几个步骤[4-6]：

(1) 将IED 应用功能分解成最小单元－逻辑节点（Logical Node,LN），多个LN 合并成逻辑设备（Logical Device,LD），用数据对象（Data Object，DO）、数据属性（Data Attribute，DA）对模型进行填充、描述，实例化信息模型属性。

(2) 依照抽象通信服务接口(Abstract Communication Service Interface,ACSI），构建抽象通信服务模型。

(3) 依照特殊通信服务映射(Specific Communication Service Mapping,SCSM)将抽象的通信服务映射到具体的通信网络协议上。

(4)使用变电站配置描述语言（Substation Configuration description Language,SCL）将建好的抽象模型生成IED 设备的自描述配置文件，保证各个厂商的产品可以相互识别，自由沟通。

本文依据上述IED 建模步骤研究IEC 61850 标准下智能变电站网络交换机的信息模型和映射实现方法。

2 网络交换机信息模型

2.1 网络交换机的功能

按照OSI 的七层网络模型，以太网交换机可以分为二层交换机、三层交换机等。二层交换机属于数据链路层设备，根据报文MAC 地址查找对应端口的方式进行报文的存储转发。由于其交换速度快，转发时延小，普遍应用在智能变电站过程层和站控层网络。

依据国家电网公司《智能变电站网络交换机技术规范》[7]，智能变电站具有全站信息数字化、通信平台网络化的基本特点，对网络交换机功能提出了具体要求[8]，如图2所示。

图2 网络交换机功能层次结构Fig.2 Function hierarchy of Ethernet switch

(1) 服务质量标识（QoS）：以太网包头中添加优先级序号，按照流量分配原则或权重设置对GOOSE 报文优先转发。

(2) 虚拟局域网（VLAN）和多播过滤技术：基于端口、MAC 和协议的VLAN 技术；基于多播MAC 地址表的静态组播和GMRP/IGMP snooping两种协议下的动态组播，对通信区域进行划分，实现安全隔离。

(3) 快速生成树协议（RSTP）：变电站通信采用环形网络时，采用RSTP 或多生成树协议(MSTP)，每个交换机的最长恢复时间不超过50 ms。

(4) 精确时间同步协议（PTP）：当过程层采用IEEE1588 网络对时方式时，交换机应支持精确时钟同步传输协议，需支持E2E 和P2P 透明时钟技术。

(5) 多链路聚合（TRUNK）：支持逻辑上多条单独的链路作为一条独立链路使用，链路聚合功能开启过程中数据不丢失。

(6) 简单网络管理协议（SNMP V2/V3）：支持端口状态实时监控、端口流量数据统计；提供端口断线告警和其他异常告警提示；日志和自检报告。

本文旨在对智能变电站网络交换机按照IEC 61850 协议进行统一建模，替代SNMP 对网络交换机的管理方式，将交换机纳入全站监控体制中，实现无缝连接和互操作。

2.2 网络交换机信息模型

信息模型将IED 的功能分解并虚拟化成可视和可访问的实体，这些实体被称为逻辑节点。逻辑节点包含带专用数据属性的数据对象。在IEC 61850中以“类”方式命名和描述信息模型。标准7-4 部分定义了变电站特定的逻辑节点和数据类，7-3 部分定义了公用数据属性类（CDC）。为保证模型良好的通用性和一致性，应按下列原则建模[9]：

(1) 每个最小功能单元建模了一个LN（逻辑节点）对象，属于同一功能对象的数据和数据属性应放在同一LN 对象中。

(2) 尽量采用IEC 61850 标准规定的LN 类型；如需扩充LN 类型，应遵守标准规定和命名规范。

(3) 数据属性类全部引用CDC类和国网企业标准[8]已扩充的类型。

2.2.1 逻辑节点零（LLN0）建模

逻辑节点零代表可被访问的逻辑设备公用数据信息。逻辑设备具有唯一的逻辑节点零。表1所示交换机LLN0 类，是针对与交换机功能无关的系统配置和系统状态特定信息，在继承公用逻辑节点类的全部数据基础上创建的兼容逻辑节点类。

表1 公共逻辑节点0 类结构Table 1 Logical node zero class defined

2.2.2 功能逻辑节点命名

基于2.1 节对交换机功能的分析，由于标准7-4中没有已定义逻辑节点类适用于待建模的功能，需要新建交换机独特的系列功能逻辑节点类，同时建立数据对象、数据属性及使用方式。新建逻辑节点的命名首字母以“Z”开头，定义为其他电力系统设备（Further Power System Equipment）。表2 为新建交换机逻辑节点，其中端口配置、流量统计和告警管理为指定逻辑节点类。

表2 交换机逻辑节点类列表Table 2 List of switch logical node class

2.2.3 端口管理ZSPM 类和流量统计ZSTS 类建模

目前，大多数管理型交换机的网络管理通过SNMP 代理访问管理信息库(Management Information Base，MIB)实现，它包括一些标准库和私有库。MIB-II库主要由RFC1213 和RFC2819 定义[10]。通过将MIB库的管理信息结构(Management Information Structure，MIS)中对象类型（OBJECT- TYPE）映射到逻辑节点类的数据对象；并根据MIS 的语法（SYNTAX）和访问方式(ACCESS)选择合适的CDC类中定义的属性类型，最后将状态（STATUS）映射到M/O，可以实现新建ZSPM 类和ZSTS 类。按照上述映射方式建立的端口管理ZSPM 类和流量统计ZSTS 类模型分别如表3、表4所示。

2.2.4 告警管理GGIO 类建模

按照国网企业标准关于告警信号建模的要求，告警管理通过扩展GGIO 类实现。表5所示为告警管理ZASM 类建模。其中，电源和温度告警门限、端口告警开启通过“控制”配置，告警状态数据对象由原总告警Alm 扩展所得。GGIO 中可以定义多个端口的告警信息。

表3 端口管理ZSPM 类建模Table 3 Model of switch port management ZSPM class

表4 端口流量统计ZSTS 类建模Table 4 Model of switch traffic statistics ZSPM class

表5 告警管理ZSAM 类建模Table 5 Model of alarm management ZSAM class

2.2.5 交换机物理设备建模

一个物理设备应建模为一个IED 对象。该对象是一个容器，包含服务器（server）对象，server 对象至少包含一个LD 对象。每个LD 对象中至少包含3 个LN 对象：LLN0、LPHD 和其他应用逻辑节点[11]。图3所示为交换机物理设备模型。交换机包含一个服务器，分别由基本功能逻辑设备LD1 和高级功能逻辑设备LD2 组成，LD1 中的ZSPM、ZSTS可以根据端口数目建成多个实例。高级功能逻辑设备LD2 中的逻辑节点可以根据上述建模方法自行建模。

图3 交换机物理设备建模Fig.3 Model of switch physical device

3 交换机信息交换服务模型

逻辑节点、数据、数据属性定义了应用所需的信息，必须借助于服务模型实现信息交换。IEC 61850 标准设计了独立于网络和应用层协议的抽象通信服务接口(ACSI)。ACSI 提供了两种基本抽象通信服务接口，如图4所示：客户/服务器模型（client/server）和对等（Peer to Peer）模型，前者用于控制和数据访问服务，后者用于通用变电站事件交换（GOOSE 和GSSE）服务，一个IED 和多个远程IED之间快速和可靠的系统事件分发以及采样测量值传输[12]。

图4 ACSI 通信方法Fig.4 Communication methods of ACSI

交换机信息模型的主要功能是对交换机进行配置管理和状态监控，符合客户/服务器模型。ACSI提供了14 类服务模型，信息模型中的数据对象及属性通过对服务的引用实现信息模型的信息交换。逻辑设备所需服务模型子集在交换机逻辑节点LLN0 中定义。以基本功能逻辑设备LD1 为例，逻辑节点ZSPM、ZSTS、GGIO 的数据对象类型以“控制”和“状态信息”为主，LD1 除了引用SERVER、LD、LN、DATA 基本信息模型中定义的服务外，还可定义数据集（DATA-SET）、报告控制块（REPORT-CONTROL-BLOCK）、日志控制块（LOG-CONTROL-BLOCK）等服务模型，以满足通信带宽使用效率和事件驱动信息交换的要求。

4 网络交换机通信服务映射实现

ACSI 提供了抽象的通信服务模型，没有定义具体的ACSI 报文。ACSI 服务映射到应用层的一个或多个报文（PDU 协议数据单元）由特定通信服务映射（SCSM）规定。SCSM 采用特定通信栈映射实现信息与服务模型，一种SCSM 是将服务映射到制造报文规范（Manufacturing Message Specification，MMS）以及TCP/IP，另一种SCSM 是将报文直接映射到以太网链路层和单向多路点对点串行链路；前者主要针对变电站站控层和间隔层的客户/服务器类型的通信映射，后者针对快速的GOOSE 报文和采样值传输。

网络交换机的管理大部分时间传输的是配置管理和状态监控报文，告警触发时产生随机突发报文。IEC 61850 规定远方人机接口与变电站之间的访问控制报文属于低速报文（类型3），交换机管理报文满足低速报文的要求。根据标准8-1 中对于类型2、3、5 的报文要求面向报文的服务，交换机的SCSM 映射就是将交换机的客户/服务器类型服务映射到MMS 报文，其中传输层至少支持TCP/IP 框架[13]。

目前，智能变电站多采用“三层结构两层网络”的通信网络架构，过程层和站控层网络交换机均可采用管理口传输MMS 管理报文，通过站控层网络连接后台监控系统或直接连接到多网卡后台监控系统实现网络交换机的统一管理。

5 交换机的SCL 语言描述

为了实现设备互操作性，IEC 61850标准采用变电站配置描述语言SCL对变电站系统和IED设备进行配置自描述，实现通信系统配置数据在IED 配置工具和不同制造商提供的系统配置工具之间的相互交换[14]。

SCL 语言通过Schema 模式定义了具体的SCL语法，主要包括头（Header）、变电站(Substation)描述、IED 描述、通信系统(Communication)描述、以及逻辑节点数据类型模板(DataType Templates)五部分。IED 部分描述了预配置信息，包括LD、LN、DO 和所具备的通信服务能力。

以交换机LD1 为例，编写的交换机SCL 描述文件示意如下：

限于篇幅，文中没有对LD1 包含的所有服务、逻辑节点和数据对象进行描述，实际的IED 能力描述文件（IED Capability Description，ICD）应根据交换机信息模型和服务模型进行具体设定，完成实例化过程。

6 应用实例

以某220 kV电压等级智能变电站过程层网络为例。GOOSE A 和GOOSE B 网各采用五台网络交换机以星形结构进行组网。按照上述信息模型设计的网络交换机，得到了实际工程应用。网络交换机以MMS 报文方式通过站控层网络连接后台监控系统，实现了网络交换机参数的设置、端口统计流量查询和告警信息的上传。后台监控系统设置和读取交换机参数属于客户/服务器模式。该工程的应用验证了采用基于IEC 61850 信息建模方式设计网络交换机的正确性，为智能变电站通信网络的远程监控和无人值守奠定了基础。

7 结论

智能变电站网络交换机影响整个变电站的可靠和稳定，在工程应用中受到广泛的关注。网络交换机通过后台监控系统实现网络设备的IED化管理，成为必然趋势。本文对网络交换机信息建模和映射实现进行了初步探讨，鉴于依据IEC 61850标准对交换机逻辑节点建模时发现，数据对象的命名依然存在很大的灵活性，希望尽快出台网络交换机统一建模规范，实现不同厂家网络交换机的统一管理。

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