基于IEC61850标准的变电站网络设备性能信息模型

邓烽，何思源，赵高峰

（南京南瑞集团公司，江苏 南京 211103）

1 引言

2012年，国家电网公司启动了新一代智能变电站的设计和建设，以“系统高度集成、结构布局合理、装备先进适用、经济节能环保、支撑调控一体”为目标，从设计技术、设备技术、控制技术3方面入手，采用整体集成设计，引导设备研制，优化主接线和平面布局，提高变电站整体设计水平。采用一次设备与传感器、智能组件的一体化设计，实现设备功能整合。2013年，公司完成6个110 kV/220 kV新一代智能变电站示范建设和投运，2014年开展新一代智能变电站建设。随着新一代智能变电站从示范阶段步入大规模建设阶段，现有的网络通信技术在应用中出现一些新问题，如不同电压等级智能变电站通信网络架构差异较大，没有统一设计规范；变电站通信网络缺乏有效的管理手段，网络交换机存在工程应用问题等，已极大影响了变电站系统的安全可靠运行。

2 变电站网络设备统一信息模型的必要性

智能变电站通信网络承载着采样值和保护跳闸等重要信号，信息通信是变电站可靠运行的关键环节。但在网络监视方面，变电站采用网络分析仪，虽记录整个变电站内智能单元间的通信报文，但没有监测整个通信网络的通信状况，智能变电站网络设备的网络管理也没有纳入智能变电站统一管理体系，变电站监控系统无法直接获取通信网络和网络设备的状态信息和配置信息。因此，需要针对变电站网络设备建立一套统一的信息模型，实现将网络设备状态信息纳入智能变电站统一监控管理体系，变电站监控系统可直接获取通信网络和网络设备的状态配置信息及网络故障、告警等信息，如链路状态、带宽占用状态、端口转发状态、端口分组丢失率、误码率等，形成变电站网络实时信息监控，从而根据监测结果进行网络设备异常诊断，分析变电站异常数据流量，达到排查变电站网络安全隐患的目的。

3 变电站网络设备信息模型

3.1 变电站通信监控网络架构

考虑到实现变电站通信网络全网状态实时监控，构建的智能变电站统一监控管理体系网络架构建议采用三层一网方案，站控层、间隔层、过程层网络合一，如图1所示。各个网络设备在变电站监控系统中都可监测，且站内建立统一的数据通信平台，实现一体化数据传输，网络结构简洁，便于工程设计和日常维护。

3.2 变电站网络通信监测需求

根据变电站网络通信实时监控需求，站内网络设备应当具备以下的功能：

·设备基本信息及参数查询，如设备名称、软件版本等，便于设备检修及维护；

·设备网络参数查询及配置，如MAC地址、IP地址等，方便根据变电站通信需要变更网络拓扑；

·设备网络端口信息监测及控制，如端口带宽占用状态、端口转发状态、端口分组丢失率、误码率等性能数据，便于实现网络性能及链路链接状态监测；

图1 实时监控变电站通信网络网络架构

·设备自身监视、控制和维护，用于监视设备自身工作状态并产生相关报告和日志以及控制重新自启动等，并利用报告方式将网络故障、告警等网络异常诊断信息发送给运行人员；

·传输功能及协议状态查询，如VLAN、端口镜像、多播转发表等，便于实现网络传输状态监测，从而全面掌握全网通信状态，以此分析变电站各业务数据流量和特性，达到定位优化变电站网络性能的目的。

3.3 变电站网络设备信息建模

IEC61850[2,3]的分层信息模型包括物理设备（PHD）、逻辑设备（LD）、逻辑节点（LN）、数据对象（DO）和属性数据（DA）。逻辑节点是与其他IED信息交互的最小功能单元，是整个模型的核心。本文将网络设备视为一个物理设备，物理设备根据设备数据传输相关服务和其他扩展服务功能需求，分为基本服务逻辑设备和高级服务逻辑设备2种类型。采用以不同功能模块整体为对象，根据上述网络设备功能划分来构建网络设备监测和配置信息逻辑节点模型。具体建模方法如下：对于设备基本描述信息，相应的逻辑节点可通过简单的划分形成，如设备信息、设备参数、控制信息等；涉及交换机端口描述信息，如端口转发速率、端口通信模式、风暴抑制模式等控制信息和物理媒体类型和连接状态等状态信息，根据不同端口功能，为每个端口组合创建一个逻辑节点实例；对于同时与设备全局性能参数和端口性能参数相关的信息，应分别构建逻辑节点模型进行描述，如生成树协议；对于仅描述交换机各个端口的信息，应为每个端口创建1个逻辑节点实例，例如广播风暴抑制。

3.4 变电站网络设备信息建模

3.4.1 基本功能逻辑设备建模

（1）基本信息逻辑节点0模型

基本信息逻辑节点0（LLN0）用于描述网络设备自身的相关信息，见表1，逻辑设备都有一个唯一的逻辑节点0（LLN0），可采用建模方法（1）进行建模。

（2）网络参数类LN模型

网络参数类LN模型用于描述网络设备自身网络参数，见表2，可采用建模方法（1）进行建模。

（3）端口信息类LN模型

由于网络设备端口较多，每个端口具有相同的数据，每个端口都使用一个统一的标准逻辑节点，包含该端口所有控制信息和状态信息数据，见表3。

表1 基本信息逻辑节点0（LLN0）类模型

表2 网络参数类模型

（4）运行报警类LN模型

对应于设备的所有运行报警服务统一到基本功能逻辑设备的运行报警类模型中，见表4，分解为状态信息和控制信息两种信息数据，所有告警阈值都通过控制信息配置。

3.4.2 高级应用功能类模型

考虑到变电站网络通信状态监控需求及建模的适用性，本文结合电力系统的特点和需求，根据网络功能及网络状态扩展了高级应用数据。

表4 运行报警类模型

对应于网络设备2/3层协议状态信息及相应端口传输信息，扩展出各相应高级功能逻辑节点类型，见表5。其中，对于前文分析的不适合直接建模的VLAN、端口镜像和链路聚合数据采用建模方法（2）建立模型，多播转发表、静态单播地址表数据和多播过滤采用建模方法（3）进行建模，并根据支持协议的不同，划分为3个逻辑节点类。由于上述的逻辑节点类所描述的信息均为一组端口的集合，本文定义集合型公共数据类用于描述此类端口组合信息。此外，应用建模方法（4），可建立对交换机优先级、生成树和广播风暴抑制等信息进行描述的逻辑节点类。

其中，VLAN、多播过滤、优先级和STP等协议的关键参数构建的定值管理数据集最为重要，应与继电保护定值一同进行管理。

3.5 整体模型结构

整个网络设备模型结构如图2所示，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中的端口管理类逻辑节点可以根据端口数目建成多个实例，而LD2中的逻辑节点可以根据上述建模方法自行建模。

表5 高级应用功能类模型

4 结束语

随着智能变电站技术的进一步成熟和发展，通信网络设备作为网络元素实现不同IED之间的数据传输和信息交换，其重要性更为突出。网络设备的参数设置决定了信息的交换和处理方式，对采样值信息和控制命令等重要信息的发送和接收有直接影响，这与继电保护设定值同等重要。本文提出了基于IEC61850标准的变电站网络设备性能信息模型，对能够表征网络运行状态的参数和可配置参数进行统一表达，可实现对变电站通信网络及设备的运行状态的监视和参数统一管理，变电站监控系统可以直接获取通信网络和网络设备的状态信息和配置信息，通过监控链路链接状态、端口转发状态及带宽占用状态，判断网络设备是否有业务报文传入及数据流是否正常，在通信网络出现故障时，诊断是否为设备故障，对保障智能变电站的可靠安全运行具有重要意义。

图2 网络设备IEC61850模型结构

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