李 鵬, 范 偉， 王 罡，顧俊捷， 夏 誠

(1. 南京五采智電電力科技有限公司，江蘇 南京 211100； 2. 國網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院, 天津 300450)

0 引言

智能變電站中的過程層交換機主要完成間隔層和過程層設(shè)備通信，主要傳輸面向通用對象的變電站事件(GOOSE)和采樣值(SV)的通信報文，當過程層交換機不進行流量管理時，任意端口均能收到本交換機內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，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。目前現(xiàn)場交換機流量主要采用虛擬局域網(wǎng)(VLAN)進行管理。但VLAN的配置主要采用人工配置，對不同裝置或是不同間隔分配不同VLAN ID(簡稱VID)，然后根據(jù)交換機內(nèi)的信息流，分配每個VLAN所包含的端口。當前智能變電站的VLAN劃分存在以下幾個問題[1-6]：

(1) 工作量大。VLAN的劃分工作較為復雜，尤其是精密控制組播流量時，所分配的VLAN號數(shù)量更多，在考慮流出端口時需要非常清楚站內(nèi)的信息流走向，對設(shè)計者有較高要求。

(2) 標準不統(tǒng)一。VLAN劃分的標準不夠統(tǒng)一，每一個智能站VLAN的劃分思路不盡相同，帶有明顯的個人習慣，對于VLAN號分配的顆粒度均有不同的理解。

(3) 變電站管理盲區(qū)。變電站投產(chǎn)時，對于交換機并無驗收項目，對于VLAN劃分沒有形成驗收要求，更無驗收標準。

(4) VLAN劃分存在明顯的誤區(qū)。有人認為GOOSE可以統(tǒng)一分配成一個VID，還有人認為如果是純GOOSE交換機則因為流量低并不需要進行VLAN劃分。但文中認為，這種劃分方式回避了雪崩時大量GOOSE突發(fā)造成的瞬時流量過高問題，突發(fā)流量一旦超過端口最大限額，容易造成報文丟幀，因此GOOSE無論是在交換機中單獨存在還是與SV共存都應當精細化控制流量。

長期以來，VLAN配置表沒有自動生成的主要原因是因為缺少光纖回路模型文件，隨著《智能變電站光纖回路建模及編碼技術(shù)規(guī)范》(簡稱《光纖回路模型》)標準的起草，VLAN的自動生成成為可能。標準中提出了光纖物理回路模型文件(SPCD文件)，SPCD文件包含了兩部分，一部分是物理對象及層級關(guān)系，如小室、屏柜、裝置、交換機、光纖配線架(ODF)等；另一部分是光纖連接關(guān)系，如光纜、尾纜及跳纖等的連接關(guān)系。通過解析以上兩部分能夠獲取各個交換機的各個端口的連接設(shè)備，即交換機的端口拓撲關(guān)系[7-9]。

此外，面向設(shè)計院的智能變電站的設(shè)計軟件也正在積極起草《智能變電站二次回路設(shè)計軟件》規(guī)范，提出了在生成的設(shè)計文件中能夠包括SPCD文件和變電站配置描述(SCD)文件，且已有設(shè)計軟件實現(xiàn)了上述文件的生成，從而為VLAN配置表的自動生成提供了數(shù)據(jù)源，極大方便了該技術(shù)在工程上的實際應用。

文中將基于SPCD文件建立交換機的端口拓撲關(guān)系，基于SCD文件分析各智能電子設(shè)備(IED)的信息流，根據(jù)SCD文件中虛回路接收端口篩選IED設(shè)備在交換機中的信息流，提出適合自動實現(xiàn)的VID分配方式，從而自動完成交換機中VLAN的自動生成。

1 SPCD文件介紹

SPCD文件(對完整的SPCD文件進行了裁剪)示例如下：

SPCD中的元素及屬性定義見表1。

2 VLAN自動生成原理

2.1 VLAN基本原理

IEEE 802.1Q協(xié)議規(guī)定，在以太網(wǎng)報文中增加一個4字節(jié)的幀標識符(即VLAN標簽)，交換機可以根據(jù)VLAN標簽中VID，取值范圍是0到4095，控制該報文的轉(zhuǎn)發(fā)范圍。

PVID，就是端口VLAN ID，其作用在于：當一個組播報文進入交換機沒有帶VLAN標簽，其VID就會填寫該端口的PVID，這個組播報文的VID就是這個端口的PVID號；如果一個組播報文進入交換機已經(jīng)帶有VLAN標簽則依然保持自身標簽屬性，不受PVID影響。

不同廠商的交換機的配置方法均略有差異，但主要思路相同。

2.2 VLAN ID自動分配思路分析

如何分配VID是VLAN自動劃分的重點，以下分2種情況進行說明。

2.2.1 組播報文從裝置輸出直接帶VLAN標簽

這種方式是在SCD分配VID，對每個組播報文從裝置輸出即帶VLAN標簽。VID自動分配從精細化控制流量的角度，可以根據(jù)間隔，根據(jù)裝置，根據(jù)組播報文3種方式，不考慮電壓等級和報文類型等粗顆粒度控制方式。需要說明的是，這種方式更適合單網(wǎng)方式，雙網(wǎng)方式由于AB網(wǎng)的報文完全相同，如果光纖連接錯誤容易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風暴。

(1) 根據(jù)間隔。由于大部分變電站的SCD文件中不包含系統(tǒng)規(guī)范描述文件(SSD)部分，因此無法實現(xiàn)根據(jù)間隔進行自動分配，不推薦這種方式。

(2) 根據(jù)裝置。軟件可自動化實現(xiàn)，完全可根據(jù)裝置分配VID，一個裝置的若干報文屬于一個VLAN，完全可滿足智能站的流量控制的要求，單網(wǎng)情況下可以采用這種方式。

(3) 根據(jù)組播報文。軟件可自動化實現(xiàn)，完全可根據(jù)靜態(tài)組播分配VID，每個組播報文屬于一個VLAN，與靜態(tài)組播控制的顆粒度完全相同，相同的流量控制精度下更推薦靜態(tài)組播方式，不推薦這種方式。

2.2.2 組播報文從裝置輸出不帶VLAN標簽

這種方式主要依靠交換機的端口PVID對每個進入交換機組播報文打VLAN標簽，同上，PVID的自動劃分從精細化控制流量的角度，可以根據(jù)間隔，根據(jù)裝置，根據(jù)端口3種方式，不考慮電壓等級和報文類型等粗顆粒度控制方式。這種方式由于AB網(wǎng)的VLAN分配不同，因此不容易因為光纖連接錯誤造成網(wǎng)絡(luò)風暴。

(1) 根據(jù)間隔。原因同上，不推薦這種方式。

(2) 根據(jù)裝置。正常情況一個裝置在交換機上對應一個端口，個別裝置如站域保護等可能存在多個端口上交換機。軟件完全可根據(jù)裝置分配PVID，一個裝置的若干報文屬于一個VLAN，完全可滿足智能站的流量控制的要求，可以采用這種方式。

(3) 根據(jù)端口。軟件完全可根據(jù)端口分配PVID，一個端口的若干報文屬于一個VLAN，較裝置分配的VLAN顆粒度較小，且軟件實現(xiàn)簡單，因此文中推薦采用這種方式。

表1 SPCD元素及屬性定義
Tab. 1 Elements and their attributes of SPCD

元素名說明屬性名說明SPCDPCD文件versionSPCD格式版本號，本標準中固定為2017revsionSPCD格式修訂版本號，本標準中固定為ASubstation變電站name變電站名稱標識符，由英文字母、數(shù)字和下劃線組成desc變電站描述name區(qū)域名稱標識符，由英文字母、數(shù)字和下劃線組成Region區(qū)域desc區(qū)域描述area戶外場地標識，枚舉值為true、false，false表示戶內(nèi)，true表示戶外Cubicle屏柜name屏柜名稱標識符，由英文字母、數(shù)字和下劃線組成，最長不超過10個字符desc屏柜描述name屏柜中的設(shè)備編號，對于IPCD文件，設(shè)備編號固定為TEMPLATE，對于SPCD文件，設(shè)備編號原則滿足Q/GDW1161、Q/GDW1175desc裝置描述Unit物理裝置iedNameIED設(shè)備的名稱，與SCL文件中的IED設(shè)備名稱一致，對于非IED設(shè)備或IPCD文件，該屬性為空manufacturer設(shè)備生產(chǎn)廠商名稱type設(shè)備型號class設(shè)備類型，枚舉值為IED、ODF、SWITCH、OTHER，IED表示智能設(shè)備，ODF表示光纖配線架，SWITCH表示交換機，OTHER表示其它未列舉設(shè)備slot板卡編號，用十進制數(shù)字表示，對于存在多臺子機的分布式裝置，板卡編號不應重復，宜采用板卡編號高位遞增方式進行區(qū)分，交換機的板卡編號默認為1Board板卡desc板卡描述文本type板卡型號no端口組序號，采用大寫英文字母A～Z或從1開始的十進制數(shù)字，對于同組端口(例如，一對收發(fā)光口)，no屬性相同desc端口描述文本，不應為空，其內(nèi)容應與裝置背板端口描述保持一致Port端口direction端口方向，枚舉值為Tx、Rx、RT，Tx表示發(fā)送，Rx表示接收，RT表示收發(fā)plug接口類型，枚舉值為LC、ST、SC、FC、RJ45usage端口功能描述文本，，用于在系統(tǒng)集成階為集成商提供端口使用的指導性說明name跳纖/雙絞線編號標識符IntCore屏內(nèi)光纖連線portA跳纖/雙絞線所連接A端口的路徑，格式為：“Unitname．Boardslot．Portno-direction”portB跳纖/雙絞線所連接B端口的路徑，格式為：“Unitname．Boardslot．Portno-direction”type跳纖類型，枚舉值為TX(跳纖)、SJX(雙絞線)name物理線纜編號標識符desc描述物理線纜信息length物理線纜長度(米)Cable屏柜間的光纜連線coreNum物理線纜芯數(shù)，用十進制數(shù)字表示cubicleA物理線纜所連接A屏柜的路徑，格式為：“Regionname．Cubiclename＂cubicleB物理線纜所連接B屏柜的路徑，格式為：“Regionname．Cubiclename＂type物理線纜類型，枚舉值為GL(光纜)、WL(尾纜)、TL(跳纜)、SJX(雙絞線)no線纜纖芯序號，用十進制數(shù)字表示，從“1”開始順序編號Core屏柜間光纜的纖芯reserve備用芯標識，枚舉值為true、false，true表示為備用芯，false表示非備用芯portA線纜纖芯所連接A端口的路徑，格式為：“Unitname．Boardsolt．Portno-direction”，對于懸空的備用芯，該字讀為空portB線纜纖芯所連接B端口的路徑，格式為：“Unitname．Boardsolt．Portno-direction”，對于懸空的備用芯，該字讀為空

綜上，文中推薦采用通過交換機端口打VLAN標簽及根據(jù)端口分配PVID的方式。此方式下，軟件實現(xiàn)較為簡單，流量控制顆粒度也較為精細，不受單雙網(wǎng)影響，適宜在智能變電站推廣應用。

2.3 VLAN配置表自動生成原理

VLAN人工配置流程如下：

(1) 根據(jù)圖紙整理交換機的端口的拓撲關(guān)系；

(2) 人工分析各個IED設(shè)備在交換機中的信息流；

(3) 人工分配PVID或VID。

(4) 根據(jù)信息流人工分配各VID的輸出端口；

(5) 對于跨交換機傳輸?shù)慕M播報文，需要增加從信息源輸入端口到輸出端口所經(jīng)交換機的級聯(lián)端口。

VLAN的自動生成過程也將參考人工的方式，其整體思路見圖1。

圖1 VLAN配置表自動生成整體思路Fig.1 General idea of automatically generation of VLAN configuration tables

(1) SCD虛端子解析模塊。輸入SCD文件生成IED邏輯關(guān)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[10-14]，需要說明的是這里的SCD文件要求在接收連線(Inputs)元素遵循IEC 61850繼電保護建模規(guī)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(nèi)信息流的篩選[15]。

(2) SPCD交換機解析模塊。輸入SPCD文件生成交換機端口拓撲，其方法如下：在SPCD文件中，識別交換機設(shè)備，并根據(jù)交換機的各個端口進行遍歷，對于某個端口，根據(jù)端口連接關(guān)系不斷查找，直至查找到IED設(shè)備或交換機設(shè)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(guān)系。

圖2 交換機解析模塊中某端口查找邏輯Fig.2 Find logic of some port in switches parsing module

交換機及交換機端口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示。端口結(jié)構(gòu)至少應該包括每個端口對側(cè)設(shè)備類型、編號、描述、PVID；交換機結(jié)構(gòu)應該包括所有端口的列表、本交換機的編號、描述，其數(shù)據(jù)完全可以通過解析SPCD文件進行填充，但是級聯(lián)交換機信息需要進一步分析獲取。

struct Port{

int no;//交換機端口號

int type;//對側(cè)設(shè)備類型0表示IED，1表示交換機

QString name;//對側(cè)IED或交換機的編號

QString desc;//對側(cè)IED或交換機的描述

int PVID;//自動分配的PVID值}

structSwitch{

QList lstPort；//所有端口的列表

QString name;//本交換機的編號

QString desc;//本交換機的描述

QList< Switch *> lstSwitch；//級聯(lián)交換機信息}

圖3展示了交換機級聯(lián)關(guān)系的查找邏輯，對交換機的某端口對側(cè)設(shè)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f與s是否相同，當相同時則認為這2個交換機有級聯(lián)，如果沒有則繼續(xù)查詢，直到所有的交換機級聯(lián)關(guān)系查詢完畢為止。

圖3 級聯(lián)交換機查找邏輯Fig.3 Find logic of Cascade switches

(3) PVID分配模塊。對交換機的IED設(shè)備端口分配PVID值，為了方便，A網(wǎng)的PVID取值從1001開始，B網(wǎng)從2001開始，每個端口加1，級聯(lián)端口默認為1，PVID值存儲于每個端口中，見2.3SPCD交換機解析模塊中的Port的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。見圖4中的左半部分，一個端口對應一個PVID，當這個端口的組播報文進入交換機，會根據(jù)PVID打上VLAN標簽，其VID值就是PVID值。

(4) 交換機信息過濾模塊。該模塊實際上就是通過Inputs元素接收端口信息完成IED虛實回路的關(guān)聯(lián)，文獻[7]已經(jīng)對虛實回路的解析方法，完整路徑的搜索方法進行了深入研究，本文不研究全部虛實回路的對應關(guān)系，僅考慮交換機的虛實回路對應關(guān)系，因此比較簡單。

具體流程見圖4右上半部分，根據(jù)交換機端口拓撲遍歷交換機所有端口的IED設(shè)備，端口標記為n，IED設(shè)備標記為a，根據(jù)a的信息流查找其訂閱信息及接收端口m，如果m與n不同，則說明這個信息不經(jīng)過交換機；如果m與n相同，則說明該信息流經(jīng)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，其訂閱的對側(cè)裝置可能存在于本交換機，也可存在于級聯(lián)交換機。

(5) VLAN配置表生成模塊中，輸入交換機中的IED信息流和PVID信息，生成VLAN配置表，具體流程見圖4右下半部分。對于篩選出的a在交換機的信息流，如果發(fā)送設(shè)備和a同一個交換機，則只需要在本交換機VLAN配置表中對該VLAN增加n端口；如果發(fā)送設(shè)備和a不在同一個交換機，則除了在本交換機對該VLAN增加n端口外，也需要對從源發(fā)生點到所有途徑交換機對該VLAN增加級聯(lián)端口轉(zhuǎn)發(fā)。

轉(zhuǎn)發(fā)端口分為去除標記端口(UntagPort)和標記端口(TagPort)，UntagPort將組播報文的VLAN標簽去除，TagPort保留組播報文的VLAN標簽。軟件實現(xiàn)原則如下：對于級聯(lián)端口使用TagPort，對于非級聯(lián)端口使用UnTagPort。其實裝置對有VLAN標簽的和無VLAN標簽的組播報文都是兼容的，軟件不做區(qū)分統(tǒng)一采用TagPort也是無妨的，交換機中維護的每個VLAN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下。

structVLAN{

intVID;//VLAN ID

QList lstOutPort_Tag;//VID輸出帶Tag的端口

QList lstOutPort_UnTag;//VID輸出不帶Tag的端口}

需要說明的是，對于故錄網(wǎng)分等設(shè)備，由于其訂閱信息一般不體現(xiàn)在SCD中，因此這些端口必須依靠人工進行分配。

圖4 交換機信息流過濾及VLAN配置表生成模塊Fig.4 Information flow filtering and VLAN tables generation modules of switches

2.4 VLAN配置文件的格式

目前交換機并沒有針對配置文件做標準化規(guī)范，各廠家均采用私有配置文件。本文的測試用例是在PCS922進行，其文件格式采用可擴展標記語言(XML)方式描述，如下：

...

...

表2 交換機VLAN配置文件元素及屬性定義Tab. 2 Elements and their attributes of VLAN configuration file of switch

3 測試用例說明

以220 kV典型線路間隔進行說明，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖5。中心交換機連接設(shè)備包括母線保護A、母線測控、母線合并單元A、1M智能終端、2M智能終端，線路交換機連接設(shè)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。交換機型號為南瑞繼保PCS9882。

PCS9882支持2種視角劃分VLAN，也是各交換機常見的配置方式，一種是以端口為視角，列出端口所屬的VLAN號(PORT VLAN)；另一種是以VLAN為視角，列出VLAN包含的端口號(VLAN PORT)。2種方式其實是二維數(shù)組的2種觀察視角，文中的原理圖是按照VLAN PORT的方式進行分析提出，通過數(shù)據(jù)的重新組織也能夠方便導出PORT VLAN的方式，此處依然以文中原理圖中的VLAN PORT的方式進行介紹。

PCS9882支持報文傳出去VLAN標簽功能，現(xiàn)行的裝置均兼容有標簽和無標簽組播報文，為了更方便說明，統(tǒng)一按有標簽處理。

圖5 220 kV典型線路間隔網(wǎng)絡(luò)Fig.5 220 kV typical line bay network diagram

通過交換機的信息流如圖6所示，交換機的信息流主要包括：

(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(lián)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(nèi)的信息流Fig.6 220 kV typical line bay flow chart in switch

搭建上述網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，通過設(shè)計軟件生成SPCD文件和SCD文件。根據(jù)SPCD文件進行PVID自動分配，分配結(jié)果見表3和表4。

表3 中心交換機PVID分配
Tab. 3 PVID allocation table of central switch

端口PVID所屬裝置用途11001母線保護A遠跳21002母線測控遙控、聯(lián)鎖31003母線合并單元A采用、告警410041M智能終端告警、位置、開入等510062M智能終端告警、位置、開入等61線路級聯(lián)級聯(lián)數(shù)據(jù)

表4 220 kV線路間隔交換機PVID分配
Tab. 4 PVID allocation table of 220 kV line bay switch

端口PVID所屬裝置用途11007線路保護A啟動失靈21008線路測控遙控、聯(lián)鎖31009線路合并單元A采樣、告警41010線路智能終端A告警、位置、開入等81中心交換機級聯(lián)級聯(lián)數(shù)據(jù)

依照圖4的流程能夠生成VLAN配置文件，為方便查看以表格進行顯示，見表5和表6。對表5和表6舉例說明。

例1：因為母線測控對1M智能終端，2M智能終端存在遙控信息流，所以中心交換機母線測控(VID=1002)的輸出端口為4和5。

例2：因為母線保護對線路保護存在遠跳信息流，所以中心交換機的母線保護(VID=1001)輸出端口為6，線路交換機的母線保護輸出端口為1。

表5 中心交換機VLAN配置Tab. 5 VLAN configuration table of central switch

表6 220 kV間隔交換機VLAN配置Tab. 6 VLAN configuration table of 220 kV line bay switch

將上述VLAN配置文件下裝到交換機，交換機可按預期控制端口進行轉(zhuǎn)發(fā)，證明VLAN配置表的自動生成技術(shù)在現(xiàn)行規(guī)范下是完全可行的。

這里僅僅是一個線路間隔，如果從整站考慮，一個220 kV等級的智能站VLAN的設(shè)計工作至少需要2 d左右，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(shè)計效率。

由于各個交換機的VLAN設(shè)置雖然原理相近，但是設(shè)置方法都不盡相同，參數(shù)多少也不一樣，文中提出的研究雖然是基于PCS9882，但是其他交換機也可參考執(zhí)行。

可以想象，如果能統(tǒng)一交換機配置文件，一鍵生成統(tǒng)一的標準配置文件進行下裝，不但方便了軟件的收斂開發(fā)，在實際工程中也會極大的縮短人工設(shè)計和配置時間[16-18]。

4 結(jié)語

智能站交換機的VLAN配置主要依靠人工完成，存在效率較低，經(jīng)驗不足的問題，直接影響了配置的準確性，工程投運也沒有相關(guān)的驗收要求，更無驗收標準，屬于智能變電站的管理盲區(qū)。

文中適時地結(jié)合智能變電站光纖回路標準的發(fā)展及設(shè)計軟件開發(fā)的最新進展，前瞻性的開展了VLAN自動生成技術(shù)的研究，較為詳細地分析了智能變電站交換機VLAN配置表的自動生成方法，并通過實際的測試用例進行驗證。

VLAN配置表的自動生成技術(shù)上實現(xiàn)難度不大，但是具有較突出的工程應用價值，可有效提高現(xiàn)場的交換機換機的設(shè)計效率，對于規(guī)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，積極研究交換機標準化配置，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。

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