智能变电站过程层交换机静态组播表自动生成技术的研究和应用

0 引言

智能变电站过程层交换机主要传输GOOSE（面向通用对象的变电站事件）和SV（采样值）的组播报文，若不对组播报文进行流量管理，组播的处理方式等同于广播，即从交换机一个端口进入后对除该端口外的所有端口进行转发，为了保证各个端口的带宽余量，必须考虑组播报文的流量管理。

目前，交换机流量管理主要有VLAN（虚拟局域网）、GMRP（通用属性注册协议的组播注册协议）、静态组播3种方式。其中，GMRP方式因为不是预配置，需要交换机动态学习，可靠性不高，现场应用较少；VLAN方式应用最多，但是理解和配置较为复杂；静态组播方式，理解相对简单，仅需要考虑组播的转发端口，且能够精确控制每个组播，更适合智能变电站交换机的纯组播报文管理。另外，考虑到过程层交换机主要传输组播报文，更适合静态组播方式，因此以下将静态组播表的自动生成作为主要研发方向[1-5]。

过去静态组播表无法自动生成主要是因为缺少光纤回路模型，随着《智能变电站光纤回路模型及编码技术规范》（以下简称《光纤回路模型》）标准的发布，使得静态组播表的自动生成成为可能。《光纤回路模型》首次提出了SPCD（变电站物理配置描述）文件，该文件包含两部分，一部分是物理对象及层级关系（如小室、屏柜、装置、交换机、ODF（光纤配线架）等），另一部分是光纤连接关系（如光缆、尾缆及跳纤等的连接关系），通过解析以上两部分能够获取各个交换机各个端口的连接设备，即交换机的端口拓扑关系[6]。

此外，面向设计院所用设计软件的《智能变电站二次光纤回路及虚回路设计软件技术规范》正在积极起草，规范要求SPCD文件和SCD（变电站配置描述）文件作为设计成品必须能够自动输出，当前已有设计软件实现了上述功能。设计软件能够自动输出SPCD文件和SCD文件，将为静态组播表的自动生成提供数据源，极大方便了该技术在工程中的推广应用。

以下将基于SPCD文件建立交换机的端口拓扑关系，基于SCD文件分析各IED（智能电子设备）的信息流，根据SCD文件中虚回路接收端口筛选IED在交换机中的信息流，从而自动完成交换机中静态组播表的生成。

1 SPCD文件介绍

选取SPCD文件部分内容示例如下：

<SPCD version="2017"revision="A">

<Substation desc="220 kV祖寺变"name="ZS">

<Region desc="户外"name="Outdoor"area="true">

<Cubicle name="XLG1A"desc="线路开关汇控柜A">

<Unit name="1n"desc="线路1智能终端A"iedName="IL2201A"manufacturer="南瑞继保"type="PCS-222B"class="IED">

<Board slot="1"desc="GOOSE/SV插件"type="NR1136">

<Port no="A"desc="T1"direction="Tx"plug="LC"usage="GS"/>

</Board>

</Unit>

<IntCore name="XLG1A-TX-01"portA="1n.1.A-Tx"portB="2n.1.A-RT"type="TX"/>

</Cubicle>

</Region>

<Cable name="GL_181A"desc="4芯光缆（2备 2）-92"coreNum="4"cubicleA="R220.XLP1A"cubicleB="Outdoor.XLG1A"type="GL">

<Core no="1"portA="2n.1.A-RT"portB="2n.1.A-RT"/></Cable>

</Substation>

</SPCD>

SPCD文件中的元素及属性定义见表1。

2 静态组播表自动生成原理

2.1 静态组播配置流程

当前，静态组播主要采取人工配置，其流程如下：

（1）根据图纸整理交换机端口的拓扑关系图。

（2）人工分析各个IED在交换机中的信息流。

（3）根据组播MAC（媒体访问控制）地址人工分配其输出端口。

（4）对于跨交换机传输的组播报文，需要增加从信息源输入端口到输出端口所经级联端口。

2.2 静态组播自动生成过程

静态组播的自动生成过程也将参考人工方式，其整体思路见图1。

（1）SCD虚端子解析模块：输入SCD文件生成IED逻辑关系拓扑，即IED的信息流，已有大量文献针对SCD文件进行了信息流的分析及可视化，此处不再赘述[7-8]，需要说明的是这里的SCD文件要求Inputs元素遵循继电保护建模规范，在接收连线中含有接收端口信息，如在<ExtRef daName=“stVal”doname=“Pos”iedName=“IL2201A”ldInst=“RPIT”lnClass=“XCBR”lnInst=“1”prefix=“Q0A” intAddr=“1-A:PIGO/GOINGGIO1.DPCSO1.stVal”/>包含接收端口1-A，通过接收端可以完成交换机内信息流的筛选[9]。

（2）SPCD交换机解析模块：输入SPCD文件生成交换机端口拓扑。具体方法为：在SPCD文件中识别交换机设备，并根据交换机的各个端口进行遍历，对于某个端口，根据端口连接关系不断查找，直至查找到IED或交换机设备为止，某个端口的查找逻辑见图2。所有端口查找完毕，即可完成交换机的端口拓扑关系。

交换机端口结构至少应该包括每个端口对侧设备类型、编号、描述；交换机结构应该包括所有端口的列表、本交换机的编号、描述，其数据完全可以通过解析SPCD文件进行填充，但是级联SWITCH信息需要进一步分析获取。

交换机及其端口的数据结构如下：struct Port{

int no；//交换机端口号

表1 SPCD元素及属性定义

图1 静态组播表自动生成整体思路

图2 SPCD交换机解析模块中某端口查找逻辑

int type；//对侧设备类型0表示IED，1表示SWITCH

QString name；//对侧IED或SWITCH的编号

QString desc；//对侧IED或SWITCH的描述}struct Switch{

QList<Port*>lstPort；//所有端口的列表

QString name；//本 SWITCH 的编号

QString desc；//本 SWITCH 的描述

QList<Switch*>lstSwitch；//级联 SWITCH 信息}

图3展示了交换机级联关系的查找逻辑，对交换机的某端口对侧设备进行判断，如果是交换机，记录编号s，然后遍历所有交换机，如某交换机编号f，看是否f与s相同，当相同时则认为这2个交换机有级联，并将级联交换机信息填充到Switch和Port的数据结构中，如果没有则继续查询，直到所有的交换机级联关系查询完毕为止。

（3）交换机信息过滤模块中，输入IED逻辑关系拓扑和交换机端口拓扑，生成交换机中的IED信息流，具体流程见图4虚线以上部分。根据交换机端口拓扑遍历交换机所有端口的IED，端口标记为n，IED标记为a，根据IED的信息流查找a的订阅信息及接收端口m，如果m与n相同，则说明这个信息流经过交换机；如果m与n不同，则说明这个信息不经过交换机。通过上述方法能够筛选出a在交换机的订阅信息流。

图3 级联交换机查找逻辑

（4）静态组播表生成模块中，输入交换机中的IED信息流，生成静态组播表，具体流程见图4虚线以下部分。对于筛选出的a在交换机的信息流，如果发送设备和a在同一个交换机，则只需要在本交换机静态组播表中向该组播地址增加n端口；如果发送设备和a不在同一个交换机，则除了在本交换机对该组播地址增加n端口外，还需要对从源发生点到所有途径交换机向该组播增加级联端口转发。交换机中维护的每个静态组播数据结构如下：

struct STATICMULTICAST{

int ID[6]；//组播 ID

QList<int>lstOutPort；//输出的端口}

需要说明的，对于故障录波器和网络分析仪等设备，由于厂商不提供ICD文件，SCD文件中并未包含这些设备，其订阅信息一般不体现在SCD中，因此这些端口必须依靠人工在静态组播表中针对故障录波器和网络分析仪订阅的MAC地址进行补充添加。

此外，对于改扩建工程静态组播表可能发生变化，采用本方法仅需要重新导入SCD文件和SPCD文件，即可完成改扩建后的静态组播表的自动生成。

图4 交换机信息流过滤及静态组播表生成模块

3 静态组播配置文件格式

目前交换机并没有针对配置文件做标准化规范，各厂家均采用私有配置文件，如表2给出了配置文件元素及属性定义。以下测试用例是在南瑞继保PCS交换机上进行的，其文件格式采用XML方式描述，可以作为标准格式文件的参考，具体如下：

<SWITCH>

<MULTICASTLST>

<MULTICAST ID=“01-0C-CD-01-00-01” Port="1，2，3，4">

</MULTICASTLST>

</SWITCH>

表2 交换机静态组播配置文件元素及属性定义

4 测试用例说明

以220 kV典型线路间隔为例进行说明，其网络结构见图5。中心交换机连接设备包括母线保护A、母线合并单元A、母线测控、1M智能终端、2M智能终端，线路交换机连接设备包括线路保护A、线路测控、线路合并单元A、线路智能终端A。

图5 220 kV典型线路间隔网络

通过交换机的信息流如图6所示，主要包括：

（1）线路保护和母线保护之间传输远跳、启动失灵信息。

（2）线路测控采集合并单元的采样和告警信息，遥控智能终端和采集智能终端的开入告警信息，线路智能终端提供位置给线路合并单元。

（3）母线测控采集母线合并单元的采样和告警信息，遥控智能终端和采集智能终端开入告警信息，母线智能终端提供位置给母线合并单元（限于篇幅不包含母联智能终端提供位置给母线合并单元）。

图6 220 kV典型线路间隔交换机内的信息流

搭建上述网络环境，通过设计软件生成SPCD文件和SCD文件，依照图4的流程能够生成静态组播表，见表3和表4。

举例说明：如母线测控对1M智能终端、2M智能终端存在遥控信息流，因此中心交换机母线测控（01-0C-CD-01-00-02）的输出端口为4和5。如母线保护对线路保护存在远跳信息流，因此中心交换机的母线保护（01-0C-CD-01-00-01）输出端口为6，线路交换机的母线保护输出端口为1。

表3 中心交换机静态组播表

表4 220 kV线路间隔交换机静态组播表

根据上述静态组播表的计算结果对交换机进行设置，交换机可按预期控制端口进行转发，可证明静态组播表的自动生成技术在现行规范下是完全可行的。

这里仅仅以某线路间隔为例，如果从整站考虑，1座220 kV等级智能变电站静态组播的设计工作至少需要2天，采用自动化的方式仅仅需要几分钟就可以完成，大大提高了设计效率。再进一步，如果能统一交换机配置文件，除一键生成之外又能实现一键下装，将会极大缩短人工设计和配置时间，工作效率可进一步得到提升[10]。

5 结语

目前，智能变电站交换机的静态组播配置主要依靠人工完成，存在效率较低、经验不足的问题，直接影响了配置的准确性，工程投运也缺少相关验收标准，属于智能变电站的管理盲区。

文中结合智能变电站光纤回路标准的发展及设计软件开发的最新进展，前瞻性地开展了静态组播表自动生成技术研究，较为详细地分析了智能变电站交换机静态组播配置表的自动生成方法，并通过实际的测试用例进行验证。

静态组播配置表的自动生成技术实现难度不大，但是具有较突出的工程应用价值，可有效提高现场交换机换机的设计效率，对于规范过程层交换机的流量管理标准化具有一定的参考意义。此外，研究交换机静态组播表的标准化配置，可有助于自动生成标准化配置后一键下装，进一步提高工作效率。