一种实现变电站交换机虚拟局域网智能划分配置的方法
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北京四方继保自动化股份有限公司、华北电力大学的研究人员许翠娟、杜振华、王鹏，在2018年第7期《电气技术》杂志上撰文指出，虚拟局域网的划分是目前智能变电站普遍采用的方式，利用数据流802.1Q的VLAN字段标识，通过系统配置工具智能配置的模式，从全站SCD文件的虚端子连接关系中自动输出交换机VLAN参数配置表，减少大量的人工消耗，将有效提高智能变电站调试和运维效率。
随着智能站智能电子设备的普遍应用和站内设备通信能力的提高，交换机通用组播注册协议（multicast registration protocol, GMRP）和虚拟局域网（virtual local area network, VLAN）技术的应用逐渐得到普及和重视，而虚拟局域网的应用从各方面考虑要比组播注册协议应用更普遍一些，它最大限度的提高了网络传输效率和资源利用率，对网络通信安全性提供了更有利的保证，虚拟局域网的划分成为智能变电站工程调试不可缺少的重要环节。
本文提出的通过系统配置工具输出全站VLAN划分参数配置表，对提高智能变电站的调试效率具有很高的参考价值。
1 交换机GMRP功能和VLAN功能的应用现状和对比
VLAN技术目前多采用基于802.1Q的VLAN，对网络进行静态数据流向划分，需要配置报文VID，体现在全站系统配置文件（substation configuration description, SCD）模型文件中，存储在装置内部，需要配置交换机VLAN，存储在交换机中。
GMRP组播注册协议，根据装置的GMRP注册报文动态划分数据流向，注册报文流向全网，交换机定时查询所有运行装置（leave all），装置需要给出应答报文（join in），需要配置装置订阅报文的目的MAC地址，体现在SCD模型文件中，储存在装置内部。
1）VLAN报文结构（如图1所示）
图1 VLAN报文
2）GMRP报文结构（如图2所示）
图2 GMRP报文
表1 VLAN和GMRP比较
二者的目的均为减少网络上不必要的流量，降低交换机负载率，避免丢包。综合比较VLAN和GMRP的各项功能，可见VLAN技术应用较为普遍的原因，VLAN具备运行稳定可靠的性能，只需解决VLAN成员重新配置的功能即可。
2 智能站调试流程
2.1 工程实施现状
目前智能站的工程实施过程，离不开系统配置工具，系统配置工具将站内设备的模型文件集成在一起，根据站内情况和用户需求进行系统的配置，设备生产商用装置配置工具对系统配置工具集成的全站配置文件进行装置的配置和系统的联调，具体流程制作过程如图3所示。
整个变电站的智能设备描述以及监控后台的配置调试流程可概括如下。
图3 GOOSE网络图
1）IED：智能电子设备，智能站内的设备都可以看作是一个IED，包括站内的保护装置、测控装置、网络分析仪、交换机、智能终端、合并单元等。站内需要通信的设备将它的特性进行合并整理后即为智能电子设备。
2）ICD：IED能力描述文件，该文件描述变电站一次系统结构以及相关联的逻辑接点。模型建模必须按照相应的模型标准DL/T 860和扩展标准《DL/T 860系列标准工程实施技术规范》，若模型不规范，在后续与其他设备通信之间就会存在问题，并且模型一致性、协议一致性都有可能出现问题，导致系统联调出现症结，ICD模型文件的正确性直接影响到整个智能站的调试效率。
3）CID：智能电子设备经过实例化后的文件，每个智能电子设备对应一个CID文件，由装置配置工具通过全站配置文件SCD中导出和使用，CID和ICD一样，也必须符合模型标准要求。
4）SCD：全站惟一系统配置文件，将站内智能电子设备的原始模型文件ICD集成在一起，根据站内情况和用户需求进行IP地址、VLAN划分等参数的分配，一般是系统集成商完成SCD的集成。一个智能站配置一个SCD文件，SCD文件信息应全面，除了ICD原始信息，还需要明确版本、修改内容等。
系统配置器是整合一个智能变电站内各个孤立的智能电子设备（intelligent electronic device, IED）为一个完善的变电站自动化系统的系统性工具，可配置每个IED的通信参数、报告控制块、面向通用对象的变电站事件（generic object oriented substation events, GOOSE）控制块、采样（sample value, SV）控制块、数据集、GOOSE连线、DOI（data object）描述等，生成全站SCD系统配置文件，并可导出（configured IED description, CID）装置实例配置文件。
2.2 VLAN划分工程现状
目前工程实施过程，调试人员根据全站智能电子设备的连接关系，首先提前手动整理出一份交换机参数配置参考表，包括每台智能电子设备间的发布和订阅关系，与交换机之间的连接关系，都需要非常清楚了解，参照整理完的交换机参数配置表，再对智能电子设备和交换机进行划分VLAN的配置处理。
这部分工作量占用了很高的调试比重，对工程调试人员的调试经验和主管能动性有很大的依赖，通过工具智能分配的手段自动实现和导出全站VLAN关系的配置表，成为当下智能变电站调试的当务之急。
本文提出的通过系统配置工具输出全站VLAN划分参数配置表，对提高智能变电站的调试效率具有很高的参考价值。通过系统配置工具自行导出交换机的VLAN配置，将大大减少配置时间，提高智能站调试效率。
3 虚端子订阅路径标识
3.1 GOOSE、SV发布控制块VLAN标识
三层两网结构。三层指的是站控层、间隔层和过程层。站控层设备有监控主机、操作员工作站、五防机、保信主子站、远动一体化装置等。间隔层设备包括保护装置、测控装置、电度表、故障录波器、网络分析仪、备自投、稳控、PMU等。过程层设备包括合并单元和智能终端（智能操作箱）。
两网指的是MMS网络和GOOSE、SMV网。站控层和间隔层之间采用MMS、GOOES报文通信，间隔层和过程层之间采用GOOSE和SMV通信。保护装置和测控装置去掉了交流插件和开入开出插件，增加了SV插件和GOOSE插件，遥测采样由合并单元完成，遥信采集和遥控出口由智能操作箱完成。
它们之间的通信方式就是过程层的通信，先前的电缆接线采集换成了光纤传输，装置之间点的对应关系通过虚端子的关联完成。合并单元可以通过光纤点对点方式对保护和测控装置上送遥测量，也可以通过组网方式。智能操作箱也可以通过光纤点对点方式对保护和测控装置上送遥信量，也可以通过组网方式。
虚端子（virtual terminator）描述智能电子设备 GOOSE输入输出信号、SV输入输出信号的连接点的总称，传统变电站是通过普通的电缆进行信号之间的连接，一根电缆只能传递一个信号，虚端子的出现即模拟了电缆连接的形式，虚端子回路连接图如所示，PL2201A为线路保护，IL2201A为本间隔智能终端，ML2201A为本间隔合并单元，PM2201A为母线保护，PL2201A和IL2201A之间的GOOSE信号流向关系通过红色连接线表示，箭头代表数据流向。
PL2201A和PM2201A之间的联闭锁GOOSE信号通过红色连接线表示，箭头代表数据流向；PL2201A和ML2201A之间的SV信号流向关系通过蓝色连接线表示，箭头代表数据流向。这样装置之间的二次回路信息就通过此虚回路图清晰地标识出来。
3.2 数据流802.1Q
802.1Q的标准的规范和统一，在电力行业获得了广泛的推广和应用，成为VLAN史上的一块里程碑。
图4 智能站配置流程
802.1Q Tag包含4个字段。分别为帧类型Type（固定取值为0x8100），Priority优先级字段，以太网帧格式标识CFI（固定取值为0），VLANID（取值范围0～4095）。具体的帧格式如图5所示。
图5 VLAN字段
根据VLAN字段的特点，GOOSE和SV发布控制块数据流在传输过程中，在进出交换机端口时将802.1Q标签进行路径标识，这样交换机的进出端口就可以得到所有允许通过的数据流的VLAN标识。VLAN分配原则，GOOSE可以按照电压等级，SV可以按照控制块分配，配置器可以实现自动分配功能。
如图所示，系统配置工具在添加全站ICD模型，将IED的虚端子关系配置完成后，添加交换机模型，只需要将交换机端口所连接设备端口号进行简单的分配，见表2。
表2 交换机端口连接分配表
系统配置工具将就可以得到交换机端口VlAN标识，将交换机端口VLAN配置和有关联的IED设备进行展示，如图6所示，IED1、IED2、IED3、IED4、IED5设备均通过端口1分别与交换机的1口、2口、10口、11口和13口连接，交换机可记忆带有VLAN标识的数据流将相关端口进行标识，从而直接得到交换机端口参数表见表3。
图6 交换机连接关系示意图
表3 交换机端口VLAN连接关系表
3.3 工程应用举例
VLAN分配原则，GOOSE可以按照电压等级，SV可以按照控制块分配，以220kV过程层A网交换机配置信息规划为例，A套主变及A套主变测控装置，订阅A套合并单元和A套智能终端的SV和GOOSE信号。
交换机P1端口连接1号主变高A套合并单元组网口，P2端口连接1号主变A套保护组网口，P3端口连接1号主变A套本体智能终端组网口，P4端口连接1号主变A套智能终端组网口，P5端口连接1号主变高压侧测控装置组网口，P6端口连接1号主变本体测控装置组网口，P7端口为级联口，连接至220kV中心交换机，通过系统配置工具将交换机的P1-P7端口分别与所连接的设备端口进行关联，引用此方法直接导出交换机系统参数表，见表4。
表4 工程交换机端口VLAN连接关系表
本文结合智能变电站的调试现状，充分解析61850技术，利用数据流802.1Q的VLAN字段标识的特点，通过系统配置工具智能配置的模式，从全站SCD文件的虚端子连接关系中自动输出交换机VLAN参数配置表，解决了目前依赖工程人员进行大量的手动配置工作的问题，缩减了人工配置的时间，提高了智能变电站的调试和运维效率。随着国网对智能变电站规范逐渐统一，此方法将在智能变电站得到普及应用。