智能变电站网络交换机信息模型研究

摘要：文章论述了智能变电站中采用IEC61850规范对交换机选型及通信情况监视的必要性和规范性，比较了采用IEC61850规范和采用SNMP对交换机进行监控的优势，提出了智能变电站交换机建模的方法和意义，列出了交换机模型的整体通信拓扑结构和部分主要信息节点结构及其实现的数据类型，并对不适合直接建模的数据给出了转换方法。

关键词：智能变电站；网络交换机；信息模型；数据模型；IEC61850规范；交换机选型 文献标识码：A

中图分类号：TM63 文章编号：1009-2374（2016）18-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.005

1 概述

智能变电站基于当下迅猛发展的网络计算机技术的新型变电站，搭建网络共享平台，立足变电站整体控制，在电力系统当中发展迅猛，得到广泛应用。

对于智能变电站通信网络而言，所承载的是保护动作跳闸信息、电压电流、有功无功采样值等遥测遥信信息，在高性能网络交换机应用基础上，实现变电站遥测、遥信、遥控、遥调信息数据的可靠传输。构建变电站网络交换机整体信息模型，能很好实现变电站智能化、数字化、信息化。根据OSI网络分层结构，交换机包括两种，即网络层交换机、物理层交换机。其中，物理层交换机为数据链路层上的设备，依据信息报文物理地址（MAC地址）查找对应的交换机端口，进而实现通信报文的存储转发。在智能变电站网络信息架构当中，百兆千兆交换机已经广泛应用于智能变电站的站控层网络、过程层网络。网络交换机的基本功能如下：第一，QOS（服务标识）。传输报文以权重或者优先级分配、而权重和优先级决定于报文的QOS，一帧报文传输前，过程层交换机会首先在报文开头加上报头标示，依据智能变电站传输规范，过程层交换机应该优先转发变位GOOSE报文；第二，VLAN（虚拟局域网）技术、多播过滤技术。在分配好端口、参照IEC61850传输协议和静态物理地址MAC划分基础上的VLAN技术，静态组播以及GMRP或者IGMP snooping协议基础上的动态组播，安全隔离不同通信区域，只需要通过虚拟区域网技术；第三，RSTP。智能变电站通信环形网络，基于RSTP，交换机重启时间大大缩短，一般可控制在40ms范围之内；第四，时钟同步协议。不同的对时方式需要交换机全部支持，B码对时、1588对时等，交换机必须全部支持各种对时协议，并可有效运用P2P、E2E时钟技术；第五，逻辑上，支持多条独立链路，作为独立链路应用，开启链路聚合功能以后不会丢失数据；第六，网管协议（一般是SNMPV2或者V3）。该协议支持端口实时监控，统计流量数据，同时还提供端口位置断线告警。在研究过程中，对交换机按协议（IEC 61850）统一建模，并且将交换机纳入全站监控系统之中，从而实现互操作、无缝连接。

在数字化变电站和智能变电站出现以前，交换机用于电力系统监控调度的通信还不是特别广泛。网络计算机技术发展，变电站监控自动化技术已经向智能化、共享化、数字化、信息化发展，形成新一代智能变电站数字通信系统。在智能变电站中，网络实时交换机是整个变电站三层两网的通信核心，站控层、间隔层、过程层通信流畅度都依托于交换机的运行工况。同时交换机采用IEC61850协议接入全站监控体系当中，符合变电站通信技术发展潮流。

2 交换机信息建模

作为交换机架构的信息模型，分解智能电子设备IED功能，虚拟划分为不同功能的逻辑实体，称之为逻辑节点，逻辑节点当中含有专用的数据对象，实现不同功能，在智能变电站协议中，具有同一属性的信息模型称之为“类”。实际建模方式应该以逻辑节点应用建模：第一，逻辑节点对象作为最小建模单元，相同功能数据对象置于同一逻辑节点当中；第二，逻辑节点命名应规范符合标准，如果需要对逻辑节点扩展，则要依据功能相近原则；第三，逻辑节点数据属性应该使用国家电网已经颁布的数据属性。

2.1 逻辑节点建模

逻辑节点LLN0代表公用属性逻辑节点，可以被公共访问关系的，是具有基础属性节点。交换机单元的逻辑节点属于公共逻辑节点，可以被其他逻辑设备同时访问对象，作为其他智能电子设备交换信息的公共逻辑节点，同时也是特定系统的通信逻辑节点，继承通信逻辑类的属性，同时发展交换机单元本身特有的属性。

2.2 逻辑节点（功能性）命名

在智能变电站逻辑节点规范当中，并没有针对交换机专门的逻辑节点，所以要在公共逻辑节点LLN0的基础上建立专门的交换机逻辑节点，并建立健全逻辑节点方式和逻辑节点属性，完善交换机逻辑节点。对于新建的逻辑节点而言，命名的第一个字母是“Z”，并将其定义成电力系统设备，比如Further Power System Equipment。以站内新建逻辑节点为例，交换机逻辑节点所具有的端口流量控制、网络风暴告警、装置故障、装置告警都属于其特有属性。

2.3 告警管理类建模

实践中，以国网标准为基础，根据告警建模规范要求，告警管理基于GGIO类扩展来实现。在告警管理（比如ZASM类）建模过程中，温度控制门限以及端口告警的啟动是基于“控制”来配设的，而且告警状态信息数据对象，通过原总告警扩展获得，同时GGIO中定义了若干个端口告警信息。

2.4 实际装置建模

一般物理对象可以作为容器建模，一个容器即一个物理实际装置，容器可以有很多不同功能的逻辑对象，逻辑对象又有很多逻辑节点，物理容器包括至少一个服务器对象，server对象中包含的LD对象。每一个LD对象包含至少三个LN对象，即LLN0、应用型以及LPHD等逻辑节点。

3 交换机在智能变电站中所参与信息架构

智能变电站拓扑结构为站控层、间隔层、过程层，以网络交换机为硬件依托，实现三层信息高速率通信。星型网络结构作为主流架构网络，广泛应用于现有智能变电站网络组成方式，但也有特殊情况，某些对站控层通信要求高的智能变电站主要以星型网架为主要通信结构，还可以构成环网方式以及多通道双网方式，因此本文以图1所示网络结构为例进行讨论。

3.1 智能变电站交换机监控系统

在图1所示的网络架构中，MMS网用于站控层设备和间隔层设备的信息交换；GOOSE网用于过程层保护测控装置跳闸、保护装置连闭锁信息、一次设备开关刀闸等信息的采集；SMV网用于传输电流互感器以及电压互感器二次侧电流电压量。由于站控层、过程层、间隔层网络的应用，智能变电站网络通信质和交换机质量有很大关系，交换机运行过程当中一些重要参数必须得到有效监控，比如端口数据流量、网络通信告警、交换机告警等等，对智能变电站通信网络的安全稳定运行有很重要的意义。

3.2 交换机组网方式

交换机通信方式的实现，需要对图1的网络略加改造，过程层网络独立连接至后台，如图2所示：

后台机可以对交换机状态有所显示，详细监控交换机状态。同时还需要过滤到交换机上群发的组播报文，只接受单发报文，防止网络风暴造成的交换机拥堵，这样有选择性地接受报文，有利于减轻交换机负荷压力，使得交换机安全稳定运行。整个变电站的通信都是以核心交换机为支撑的，交换机的通信负荷决定了变电站层面的通信机制好坏，所以将报文有选择地筛选，是保证信息流转顺畅的有效机制。

3.3 智能通信交换机比较

相比于传统通信机制交换机，采用智能协议的交换机有如下优点：（1）符合智能变电站全站通信协议唯一性理念，应用传统通信协议，将会造成两种协议不兼容，导致通信不畅，智能变电站通信协议只允许有一种通信协议，超过一种以上的协议将会造成网络拥堵，不同的通信协议不利于数据大流量传输；（2）可以对不同设备，比如保护测控装置、电能质量装置、备自投装置、测控装置等实现通信检测，准确判断出哪台装置通信中断，应用传统协议则要具体服务器，造成一定耗费，而利用智能协议，就可以在不增加投入的基础上实现智能变电站快速通信。

4 结语

交换机工况运行状态直接影响到智能变电站的通信质量，网络交换机基于后台监控系统的利用，可以构建以网络交换机为主体的通信建构，健全整个通信机制。本文对智能变电站网络交换机的信息建模进行了初步探究，并依据IEC标准构建交换机逻辑节点模型，逻辑数据对象的设立以及建模有着很大的灵活性，可以充分发挥智能变电站的不同智能電子设备的功能。

参考文献

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作者简介：戚清华（1980-），男，河南上蔡人，国网绍兴供电公司工程师，研究方向：电网调度自动化厂站端调试检修。

（责任编辑：黄银芳）