基于变电站配置文件的智能变电站交换机自动配置实现

左欢欢， 彭 奇， 王德辉， 罗凌璐， 李 超

(1. 智能电网保护和运行控制国家重点实验室，江苏 南京 210061；2. 国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211006；3. 南瑞集团 (国网电力科学研究院)，江苏 南京 211006)

0 引言

智能变电站是智能电网的重要基础和支撑。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[1]，间隔层和过程层之间取消了传统硬接线，通过交换机网络传输开关信号、采样值等信息[2-3]，这些信息以面向通用对象的变电站事件(GOOSE)/取样值(SV)报文的形式传输。现场采用手工方式配置交换机虚拟局域网(VLAN)、组播表等以保证GOOSE/SV报文正确转发，工作量大且易出错，出错后的纠错过程也十分繁琐。因此，实现交换机的自动配置在工程应用上有重大意义。

变电站配置(SCD)文件描述了变电站内所有智能电子设备(IED)的实例配置、通信参数和IED之间的通信配置等信息。但SCD文件仅描述了二次设备间的逻辑连接关系和网络地址，缺少对物理网络拓扑的详细描述，并且IEC 61850标准对交换机建模考虑甚少[4-5]。文中描述了智能变电站交换机信息模型和SCD物理拓扑模型的建立，在逻辑连接和物理连接关系完整的SCD文件基础上，设计了实现交换机配置信息提取并自动配置的方法。

1 SCD建模

1.1 交换机建模

文献[6—7]分别从基本性能和高级应用两个方面分析了智能变电站交换机的数据需求和建模原则，并详细展现了交换机建模方法。文中建立图1所示的交换机基本模型，图中除了LPHD、LLN0等系统逻辑节点之外，还包含多个APST逻辑节点、多个APNE逻辑节点和GGIO逻辑节点。APST表示端口状态监控，APNE表示端口流量统计，GGIO表示基本运行告警，n代表端口号(1～N)。

图1 交换机IED的对象模型Fig.1 Object model of switch IED

通过模型，以太网交换机也可作为IED被包含在SCD文件中。

1.2 SCD物理拓扑关系建模

IEC 61850标准详细定义和描述了逻辑连接，但弱化了对物理连接关系和网络设备的描述。GOOSE/SV的发布/订阅关系只是逻辑连接关系，最终需要通过物理连接才能完成实际数据的交换。文献[8]描述了SCD中表示物理连接的PhysConn节点；文献[9—10]描述了在PhysConn节点增加Cable 属性描述，以此表示连接电缆号，进而表征IED间的物理连接关系。文中交换机端口与其他IED的物理连接描述表示在S1访问点下，由于交换机本身只是转发GOOSE/SV报文，因此文中不增加交换机的G1/M1访问点描述。

2 交换机配置信息提取

SCD中通信系统(Communication)配置了GOOSE/SV控制块的以太网参数和报文发送周期。以太网参数是GOOSE/SV报文能够在以太网中正确传输的基础；组播地址是GOOSE/SV控制块的唯一地址，也是接收方判断报文是否被订阅的主要依据。为了让交换机正确转发，需要给交换机配置VLAN和组播地址转发表。而变电站中IED数量较多，人工配置交换机不但繁琐，且错误率高。因此提出一种从SCD文件中提取交换机配置信息的实现方法：

(1) 解析SCD文件[11-13]，从中提取有效信息保存到数据库；

(2) 利用数据库的表连接和提取功能匹配出交换机端口的配置信息；

(3) 将数据库表中的交换机端口配置信息保存成可扩展标记语言(XML)格式输出。

交换机配置信息提取流程如图2所示。

图2 配置信息提取流程Fig.2 Extraction process of configuration

2.1 信息提取

完整的SCD文件包含5个部分：信息头(Header)、变电站描述(Substation)、IED、Communication和数据类型模板(DataTypeTemplate)[14]。IED节点描述了IED与IED之间的GOOSE/SV的订阅/发布关系，即交换机转发信息的源点和终点；Communication节点描述了IED与IED之间的物理连接关系(即信息流经的路径)和通信参数；两者结合可以得出信息源经过了某台交换机的某个端口到达目的装置以及交换机端口的配置信息。信息传递过程如图3所示，其中GOCB,SVCB分别为GOOSE控制块与SV控制块。

图3 信息传递过程Fig.3 Information transfer process

2.1.1 逻辑关系信息提取

GOOSE/SV发布和订阅关系在IED节点描述。SV的发布通过SV控制块SampledValueControl实现，GOOSE的发布通过GOOSE控制块GSEControl实现。其中，datSet属性指定了与本控制块关联的数据集。数据集DataSet由多个功能约束数据属性(FCDA)成员组成。SV和GOOSE的订阅是在Inputs节点下定义的，Inputs节点由多个外部引用条目ExtRef组成[15-16]，每个外部引用条目指定了内部输入虚端子的地址intAddr和外部输出虚端子地址。根据引用条目的iedName、ldInst属性可找到外部信号所在的IED和逻辑设备LDevice，遍历该外部LDevice下所有DataSet，通过比对ldInst、prefix、lnClass、lnInst、doName、daName属性可找到匹配的数据集，进而找到与数据集关联的控制块。至此，确定发布控制块和接收访问点的对应关系，建立虚回路。

根据上述分析，需在数据库中建立控制块与数据集的关系表、数据集与成员的关系表以及GOOSE/SV订阅关系表，各表的属性名与属性值表示方式分别如表1—3所示。

表1 控制块和数据集的关系Tab.1 Relation table of control block and data set

表2 数据集与成员的关系Tab.2 Relation table of data set and the members

表3 GOOSE/SV订阅关系Tab.3 Relation table of GOOSE/SV subscription

其中：IED为SCD文件中IED的命名，全站唯一；AP为访问点名称；LD为逻辑设备名；DS为数据集名；CB为控制块名；虚端子地址表示为IED.LD/LN.DOI.DAI。表2和表3连接处理可以得到外部虚端子所属数据集与订阅IED访问点的关系，如表4所示。

表4 外部输出虚端子所属数据集与订阅IED访问点的关系Tab.4 Relation table of subscriber’s access point and data set including external output virtual terminal

表1和表4连接处理可以得到外部虚端子所关联控制块与订阅IED访问点的关系，如表5所示。将SCD文件中的所有虚回路信息都提取到表5。

表5 外部虚端子所关联控制块与订阅IED访问点的关系Tab.5 Relation table of subscriber’s access point and control block associate to external output virtual terminal

2.1.2 物理关系提取

IED每个访问点可以关联多个物理端口，PhysConn的类型属性规定了本访问点到总线的连接端口、物理连接类型、连接电缆号，Cable属性表征了物理连接的电缆号。电缆号相同的端口采用物理连接。访问点与关联物理端口的关系如表6所示，其中CABLE为电缆编号。

表6 访问点与关联端口关系Tab.6 Relation table of accesspoint and associated ports

两点决定一线，通过表6与自身的连接，提取Cable相同而IedName不同的条目，可以得到端口连接表。端口连接表如表7所示，其中PORT为物理端口编号。

表7 IED端口连接Tab.7 Connection table of IED ports

2.2 交换机端口配置信息匹配

过程层GOOSE服务与SV服务是分访问点建模的，GOCB属于GOOSE服务访问点，SVCB属于SV服务访问点，对应关系体现在表1中。当DataSet中任何一个成员数据值发生变化，装置会马上发送包含该DataSet所有数据的GOOSE/SV报文[17]，报文从访问点关联物理端口发出。表1和表6连接可得到控制块和关联物理端口的关系，如表8所示。

表8 控制块和关联端口的关系Tab.8 Relation table of controlblock and associated ports

表5表示所有虚回路信息，表5和表8连接可以从表8中删除未参与虚回路的条目，提高后续处理效率。逻辑连接通过物理连接才能实现真正的通信。表7是点对点的硬件连接表，表8和表7连接可得到虚回路发布控制块与邻居IED端口的对应关系，如表9所示。

表9 虚回路发布控制块与邻居端口的对应关系Tab.9 Relation table of PUBCBbelong to virtual loop and neighbor ports

文中提取的目标是交换机端口的配置信息，与交换机无关的信息处理都会增加处理复杂度。表9中IedName_R不是交换机的条目说明发布方和订阅方是直连通信，不经过交换机转发，所以将表9中IedName_R不是交换机的条目删除。表7和表6连接可以得到SCD中所有IED访问点与邻居IED端口的对应关系，如表10所示。

表10 IED访问点与邻居端口的对应关系Tab.10 Relation table of accesspoints and neighbor ports

表5和表10连接操作可以从表10中删除未参与虚回路的条目,再删除表10中的IedName_L不是交换机的冗余条目。则表10仅保存虚回路订阅访问点与邻居交换机IED端口的对应关系。

在实际物理拓扑网络中，订阅IED与发布IED之间可以通过一级或多级交换机互联。若订阅方与发布方经过一级交换机互联，则表5中虚回路条目的CB在表9中对应的IedName_R与虚回路条目的AP在表10中对应的IedName_L应相同。表5、表9、表10连接提取可以得到通过一级交换机互联的发布订阅关系，如表11所示。

表11 通过一级交换机互联的发布订阅关系Tab.11 Relation table ofSUB/PUB through one switch

若订阅方与发布方经过两级或多级交换机互联，则先提取交换机与交换机之间的物理连接，确定级联端口。将表7中端口连接表IedName_R或IedName_L为非交换机的条目删除，得到交换机与交换机的物理连接表。将表7与自身关联可得到两级或多级交换机互联表。再与表5、表9、表10连接提取可得到通过两级或多级交换机互联的发布订阅关系表。

Communication中有描述各个控制块的地址信息，可提取并保存。从表11可知PortNo_L接收GOOSE/SV报文，PortNo_R转发GOOSE/SV报文。表11与控制块地址信息表连接提取可得到各端口的具体配置信息，如表12所示。其中MAC是MAC地址，vlanid是VLAN分配值。在工程应用中，与装置终端直连的交换机端口为ACCESS口，与交换机级联的交换机端口为TRUNK口，ACCESS口对应不带标签(UNTAG)成员口类型，TRUNK口对应带标签(TAG)成员口类型，因此在表12中增加了列属性flg以标记端口类型。其中A 代表ACCESS端口，T代表TRUANK端口，S代表订阅，P代表发布。

从表12可知，端口应配置成VLAN号为vlanid的成员端口。根据ACCESS/TRUNK标记，可确定成员端口为UNTAG/TAG类型。

表12 交换机端口信息Tab.12 Information table of switch port

当控制块vlanid为000时，为了保证报文正常转发，需要给交换机端口配置私有VLAN(PVLAN)，即为flg=A /S的端口配置PVLAN值。同时需要给控制块自动分配非零的vlanid(VLAN划分规则不赘述)。当多个vlanid为000的控制块报文从同一端口流入交换网络时，为这些控制块分配的vlanid需要相同。

2.3 配置信息文件格式输出

将上述得到的配置信息表中的信息保存成文件格式输出。交换机配置保存文件类型为交换机配置描述(CSD)文件。CSD文件包含Topology和SwConfig两部分。Topology用于描述交换机每一个端口上GOOSE/SV发布/订阅的描述信息；GOOSEPUB/GOOSESUB/SVPUB/SVSUB节点用于记录交换机某一端口中发送/接收的GOOSE/SV数据配置；GOOSEPUB下的多个GOCBref元素表示该交换机端口有多种GOOSE报文被发送，可能来自于一台IED，也可能来自于多个IED；SwConfig用于描述每台交换机参数配置，Fib表描述交换机组播转发信息，转发表包含macaddress、vlanid、appid和转发成员端口列表；Vlan表描述交换机VLAN配置信息，包含vlanid、tagPbits、UntagPbits；PVlan表描述交换机端口PVLAN配置信息。

3 实例描述

图4是一个包含物理连接的简单实例SCD模型。其中，CXL2201为开关测控装置；IXL2201为智能终端；SW01为交换机。CXL2201订阅IXL2201发布的gocb0信息，测控装置通过电缆L2直连交换机，智能终端通过电缆L1直连交换机，测控装置与智能终端间通过交换机连接通信。

图4 实例SCD模型Fig.4 SCD model of instance

实例SCD提取输出的CSD文件树形结构如图5所示，其中SCL为XML格式的CSD文件的根节点。CSD文件可以直接下载到交换机，交换机启动时自动按照配置文件进行配置，省去了手动修改的繁琐。

图5 输出的CSD文件结构Fig.5 CSD file structure output

4 结语

文中在建立交换机模型和SCD物理拓扑连接模型的基础上，对SCD文件内部数据关联进行了研究分析，并根据实际工程需求，实现了交换机配置信息的提取，完成交换机自动配置。该方案已经在实验室通过搭建过程层网络验证，省去了交换机手动配置且功能无误，装置间信号收发无误，能达到预期效果。该方法需要对SCD进行较小的扩展。后续推广中需要统一变电站物理拓扑模型，实现交换机建模标准化，系统配置工具能支持扩展SCD，交换机能支持CSD格式配置文件的下发。交换机自动配置不仅仅是减少人工工作量，更能为以后的智能变电站动态监测提供支撑。

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