智能变电站VLAN配置表自动生成技术的研究和应用
2018-02-08顾俊捷
李 鹏, 范 伟， 王 罡，顾俊捷， 夏 诚
(1. 南京五采智电电力科技有限公司，江苏 南京 211100； 2. 国网天津市电力公司经济技术研究院, 天津 300450)
0 引言
智能变电站中的过程层交换机主要完成间隔层和过程层设备通信，主要传输面向通用对象的变电站事件(GOOSE)和采样值(SV)的通信报文，当过程层交换机不进行流量管理时，任意端口均能收到本交换机内的所有数据，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。目前现场交换机流量主要采用虚拟局域网(VLAN)进行管理。但VLAN的配置主要采用人工配置，对不同装置或是不同间隔分配不同VLAN ID(简称VID)，然后根据交换机内的信息流，分配每个VLAN所包含的端口。当前智能变电站的VLAN划分存在以下几个问题[1-6]：
(1) 工作量大。VLAN的划分工作较为复杂，尤其是精密控制组播流量时，所分配的VLAN号数量更多，在考虑流出端口时需要非常清楚站内的信息流走向，对设计者有较高要求。
(2) 标准不统一。VLAN划分的标准不够统一，每一个智能站VLAN的划分思路不尽相同，带有明显的个人习惯，对于VLAN号分配的颗粒度均有不同的理解。
(3) 变电站管理盲区。变电站投产时，对于交换机并无验收项目，对于VLAN划分没有形成验收要求，更无验收标准。
(4) VLAN划分存在明显的误区。有人认为GOOSE可以统一分配成一个VID，还有人认为如果是纯GOOSE交换机则因为流量低并不需要进行VLAN划分。但文中认为，这种划分方式回避了雪崩时大量GOOSE突发造成的瞬时流量过高问题，突发流量一旦超过端口最大限额，容易造成报文丢帧，因此GOOSE无论是在交换机中单独存在还是与SV共存都应当精细化控制流量。
长期以来，VLAN配置表没有自动生成的主要原因是因为缺少光纤回路模型文件，随着《智能变电站光纤回路建模及编码技术规范》(简称《光纤回路模型》)标准的起草，VLAN的自动生成成为可能。标准中提出了光纤物理回路模型文件(SPCD文件)，SPCD文件包含了两部分，一部分是物理对象及层级关系，如小室、屏柜、装置、交换机、光纤配线架(ODF)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的各个端口的连接设备，即交换机的端口拓扑关系[7-9]。
此外，面向设计院的智能变电站的设计软件也正在积极起草《智能变电站二次回路设计软件》规范，提出了在生成的设计文件中能够包括SPCD文件和变电站配置描述(SCD)文件，且已有设计软件实现了上述文件的生成，从而为VLAN配置表的自动生成提供了数据源，极大方便了该技术在工程上的实际应用。
文中将基于SPCD文件建立交换机的端口拓扑关系，基于SCD文件分析各智能电子设备(IED)的信息流，根据SCD文件中虚回路接收端口筛选IED设备在交换机中的信息流，提出适合自动实现的VID分配方式，从而自动完成交换机中VLAN的自动生成。
1 SPCD文件介绍
SPCD文件(对完整的SPCD文件进行了裁剪)示例如下：
SPCD中的元素及属性定义见表1。
2 VLAN自动生成原理
2.1 VLAN基本原理
IEEE 802.1Q协议规定，在以太网报文中增加一个4字节的帧标识符(即VLAN标签)，交换机可以根据VLAN标签中VID，取值范围是0到4095，控制该报文的转发范围。
PVID，就是端口VLAN ID，其作用在于：当一个组播报文进入交换机没有带VLAN标签，其VID就会填写该端口的PVID，这个组播报文的VID就是这个端口的PVID号；如果一个组播报文进入交换机已经带有VLAN标签则依然保持自身标签属性，不受PVID影响。
不同厂商的交换机的配置方法均略有差异，但主要思路相同。
2.2 VLAN ID自动分配思路分析
如何分配VID是VLAN自动划分的重点，以下分2种情况进行说明。
2.2.1 组播报文从装置输出直接带VLAN标签
这种方式是在SCD分配VID，对每个组播报文从装置输出即带VLAN标签。VID自动分配从精细化控制流量的角度，可以根据间隔，根据装置，根据组播报文3种方式，不考虑电压等级和报文类型等粗颗粒度控制方式。需要说明的是，这种方式更适合单网方式，双网方式由于AB网的报文完全相同，如果光纤连接错误容易发生网络风暴。
(1) 根据间隔。由于大部分变电站的SCD文件中不包含系统规范描述文件(SSD)部分，因此无法实现根据间隔进行自动分配，不推荐这种方式。
(2) 根据装置。软件可自动化实现，完全可根据装置分配VID，一个装置的若干报文属于一个VLAN，完全可满足智能站的流量控制的要求，单网情况下可以采用这种方式。
(3) 根据组播报文。软件可自动化实现，完全可根据静态组播分配VID，每个组播报文属于一个VLAN，与静态组播控制的颗粒度完全相同，相同的流量控制精度下更推荐静态组播方式，不推荐这种方式。
2.2.2 组播报文从装置输出不带VLAN标签
这种方式主要依靠交换机的端口PVID对每个进入交换机组播报文打VLAN标签，同上，PVID的自动划分从精细化控制流量的角度，可以根据间隔，根据装置，根据端口3种方式，不考虑电压等级和报文类型等粗颗粒度控制方式。这种方式由于AB网的VLAN分配不同，因此不容易因为光纤连接错误造成网络风暴。
(1) 根据间隔。原因同上，不推荐这种方式。
(2) 根据装置。正常情况一个装置在交换机上对应一个端口，个别装置如站域保护等可能存在多个端口上交换机。软件完全可根据装置分配PVID，一个装置的若干报文属于一个VLAN，完全可满足智能站的流量控制的要求，可以采用这种方式。
(3) 根据端口。软件完全可根据端口分配PVID，一个端口的若干报文属于一个VLAN，较装置分配的VLAN颗粒度较小，且软件实现简单，因此文中推荐采用这种方式。
表1 SPCD元素及属性定义
Tab. 1 Elements and their attributes of SPCD
元素名说明属性名说明SPCDPCD文件versionSPCD格式版本号，本标准中固定为2017revsionSPCD格式修订版本号，本标准中固定为ASubstation变电站name变电站名称标识符，由英文字母、数字和下划线组成desc变电站描述name区域名称标识符，由英文字母、数字和下划线组成Region区域desc区域描述area户外场地标识，枚举值为true、false，false表示户内，true表示户外Cubicle屏柜name屏柜名称标识符，由英文字母、数字和下划线组成，最长不超过10个字符desc屏柜描述name屏柜中的设备编号，对于IPCD文件，设备编号固定为TEMPLATE，对于SPCD文件，设备编号原则满足Q/GDW1161、Q/GDW1175desc装置描述Unit物理装置iedNameIED设备的名称，与SCL文件中的IED设备名称一致，对于非IED设备或IPCD文件，该属性为空manufacturer设备生产厂商名称type设备型号class设备类型，枚举值为IED、ODF、SWITCH、OTHER，IED表示智能设备，ODF表示光纤配线架，SWITCH表示交换机，OTHER表示其它未列举设备slot板卡编号，用十进制数字表示，对于存在多台子机的分布式装置，板卡编号不应重复，宜采用板卡编号高位递增方式进行区分，交换机的板卡编号默认为1Board板卡desc板卡描述文本type板卡型号no端口组序号，采用大写英文字母A～Z或从1开始的十进制数字，对于同组端口(例如，一对收发光口)，no属性相同desc端口描述文本，不应为空，其内容应与装置背板端口描述保持一致Port端口direction端口方向，枚举值为Tx、Rx、RT，Tx表示发送，Rx表示接收，RT表示收发plug接口类型，枚举值为LC、ST、SC、FC、RJ45usage端口功能描述文本，，用于在系统集成阶为集成商提供端口使用的指导性说明name跳纤/双绞线编号标识符IntCore屏内光纤连线portA跳纤/双绞线所连接A端口的路径，格式为：“Unitname．Boardslot．Portno-direction”portB跳纤/双绞线所连接B端口的路径，格式为：“Unitname．Boardslot．Portno-direction”type跳纤类型，枚举值为TX(跳纤)、SJX(双绞线)name物理线缆编号标识符desc描述物理线缆信息length物理线缆长度(米)Cable屏柜间的光缆连线coreNum物理线缆芯数，用十进制数字表示cubicleA物理线缆所连接A屏柜的路径，格式为：“Regionname．Cubiclename＂cubicleB物理线缆所连接B屏柜的路径，格式为：“Regionname．Cubiclename＂type物理线缆类型，枚举值为GL(光缆)、WL(尾缆)、TL(跳缆)、SJX(双绞线)no线缆纤芯序号，用十进制数字表示，从“1”开始顺序编号Core屏柜间光缆的纤芯reserve备用芯标识，枚举值为true、false，true表示为备用芯，false表示非备用芯portA线缆纤芯所连接A端口的路径，格式为：“Unitname．Boardsolt．Portno-direction”，对于悬空的备用芯，该字读为空portB线缆纤芯所连接B端口的路径，格式为：“Unitname．Boardsolt．Portno-direction”，对于悬空的备用芯，该字读为空
综上，文中推荐采用通过交换机端口打VLAN标签及根据端口分配PVID的方式。此方式下，软件实现较为简单，流量控制颗粒度也较为精细，不受单双网影响，适宜在智能变电站推广应用。
2.3 VLAN配置表自动生成原理
VLAN人工配置流程如下：
(1) 根据图纸整理交换机的端口的拓扑关系；
(2) 人工分析各个IED设备在交换机中的信息流；
(3) 人工分配PVID或VID。
(4) 根据信息流人工分配各VID的输出端口；
(5) 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交换机的级联端口。
VLAN的自动生成过程也将参考人工的方式，其整体思路见图1。
图1 VLAN配置表自动生成整体思路Fig.1 General idea of automatically generation of VLAN configuration tables
(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[10-14]，需要说明的是这里的SCD文件要求在接收连线(Inputs)元素遵循IEC 61850继电保护建模规范，在接收连线中含有接收端口信息，如在
(2) SPCD交换机解析模块。输入SPCD文件生成交换机端口拓扑，其方法如下：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设备或交换机设备为止，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。
图2 交换机解析模块中某端口查找逻辑Fig.2 Find logic of some port in switches parsing module
交换机及交换机端口的数据结构如下所示。端口结构至少应该包括每个端口对侧设备类型、编号、描述、PVID；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，但是级联交换机信息需要进一步分析获取。
struct Port{
int no;//交换机端口号
int type;//对侧设备类型0表示IED，1表示交换机
QString name;//对侧IED或交换机的编号
QString desc;//对侧IED或交换机的描述
int PVID;//自动分配的PVID值}
structSwitch{
QList
QString name;//本交换机的编号
QString desc;//本交换机的描述
QList< Switch *> lstSwitch；//级联交换机信息}
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f与s是否相同，当相同时则认为这2个交换机有级联，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。
图3 级联交换机查找逻辑Fig.3 Find logic of Cascade switches
(3) PVID分配模块。对交换机的IED设备端口分配PVID值，为了方便，A网的PVID取值从1001开始，B网从2001开始，每个端口加1，级联端口默认为1，PVID值存储于每个端口中，见2.3SPCD交换机解析模块中的Port的数据结构。见图4中的左半部分，一个端口对应一个PVID，当这个端口的组播报文进入交换机，会根据PVID打上VLAN标签，其VID值就是PVID值。
(4) 交换机信息过滤模块。该模块实际上就是通过Inputs元素接收端口信息完成IED虚实回路的关联，文献[7]已经对虚实回路的解析方法，完整路径的搜索方法进行了深入研究，本文不研究全部虚实回路的对应关系，仅考虑交换机的虚实回路对应关系，因此比较简单。
具体流程见图4右上半部分，根据交换机端口拓扑遍历交换机所有端口的IED设备，端口标记为n，IED设备标记为a，根据a的信息流查找其订阅信息及接收端口m，如果m与n不同，则说明这个信息不经过交换机；如果m与n相同，则说明该信息流经过交换机。通过上述方法能够筛选出a在交换机的订阅信息流，其订阅的对侧装置可能存在于本交换机，也可存在于级联交换机。
(5) VLAN配置表生成模块中，输入交换机中的IED信息流和PVID信息，生成VLAN配置表，具体流程见图4右下半部分。对于筛选出的a在交换机的信息流，如果发送设备和a同一个交换机，则只需要在本交换机VLAN配置表中对该VLAN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VLAN增加n端口外，也需要对从源发生点到所有途径交换机对该VLAN增加级联端口转发。
转发端口分为去除标记端口(UntagPort)和标记端口(TagPort)，UntagPort将组播报文的VLAN标签去除，TagPort保留组播报文的VLAN标签。软件实现原则如下：对于级联端口使用TagPort，对于非级联端口使用UnTagPort。其实装置对有VLAN标签的和无VLAN标签的组播报文都是兼容的，软件不做区分统一采用TagPort也是无妨的，交换机中维护的每个VLAN数据结构如下。
structVLAN{
intVID;//VLAN ID
QList
QList
需要说明的是，对于故录网分等设备，由于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进行分配。
图4 交换机信息流过滤及VLAN配置表生成模块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。本文的测试用例是在PCS922进行，其文件格式采用可扩展标记语言(XML)方式描述，如下：
...
...
表2 交换机VLAN配置文件元素及属性定义Tab. 2 Elements and their attributes of VLAN configuration file of switch
3 测试用例说明
以220 kV典型线路间隔进行说明，网络结构见图5。中心交换机连接设备包括母线保护A、母线测控、母线合并单元A、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。交换机型号为南瑞继保PCS9882。
PCS9882支持2种视角划分VLAN，也是各交换机常见的配置方式，一种是以端口为视角，列出端口所属的VLAN号(PORT VLAN)；另一种是以VLAN为视角，列出VLAN包含的端口号(VLAN PORT)。2种方式其实是二维数组的2种观察视角，文中的原理图是按照VLAN PORT的方式进行分析提出，通过数据的重新组织也能够方便导出PORT VLAN的方式，此处依然以文中原理图中的VLAN PORT的方式进行介绍。
PCS9882支持报文传出去VLAN标签功能，现行的装置均兼容有标签和无标签组播报文，为了更方便说明，统一按有标签处理。
图5 220 kV典型线路间隔网络Fig.5 220 kV typical line bay network diagram
通过交换机的信息流如图6所示，交换机的信息流主要包括：
(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Fig.6 220 kV typical line bay flow chart in switch
搭建上述网络环境，通过设计软件生成SPCD文件和SCD文件。根据SPCD文件进行PVID自动分配，分配结果见表3和表4。
表3 中心交换机PVID分配
Tab. 3 PVID allocation table of central switch
端口PVID所属装置用途11001母线保护A远跳21002母线测控遥控、联锁31003母线合并单元A采用、告警410041M智能终端告警、位置、开入等510062M智能终端告警、位置、开入等61线路级联级联数据
表4 220 kV线路间隔交换机PVID分配
Tab. 4 PVID allocation table of 220 kV line bay switch
端口PVID所属装置用途11007线路保护A启动失灵21008线路测控遥控、联锁31009线路合并单元A采样、告警41010线路智能终端A告警、位置、开入等81中心交换机级联级联数据
依照图4的流程能够生成VLAN配置文件，为方便查看以表格进行显示，见表5和表6。对表5和表6举例说明。
例1：因为母线测控对1M智能终端，2M智能终端存在遥控信息流，所以中心交换机母线测控(VID=1002)的输出端口为4和5。
例2：因为母线保护对线路保护存在远跳信息流，所以中心交换机的母线保护(VID=1001)输出端口为6，线路交换机的母线保护输出端口为1。
表5 中心交换机VLAN配置Tab. 5 VLAN configuration table of central switch
表6 220 kV间隔交换机VLAN配置Tab. 6 VLAN configuration table of 220 kV line bay switch
将上述VLAN配置文件下装到交换机，交换机可按预期控制端口进行转发，证明VLAN配置表的自动生成技术在现行规范下是完全可行的。
这里仅仅是一个线路间隔，如果从整站考虑，一个220 kV等级的智能站VLAN的设计工作至少需要2 d左右，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。
由于各个交换机的VLAN设置虽然原理相近，但是设置方法都不尽相同，参数多少也不一样，文中提出的研究虽然是基于PCS9882，但是其他交换机也可参考执行。
可以想象，如果能统一交换机配置文件，一键生成统一的标准配置文件进行下装，不但方便了软件的收敛开发，在实际工程中也会极大的缩短人工设计和配置时间[16-18]。
4 结语
智能站交换机的VLAN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，工程投运也没有相关的验收要求，更无验收标准，属于智能变电站的管理盲区。
文中适时地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，前瞻性的开展了VLAN自动生成技术的研究，较为详细地分析了智能变电站交换机VLAN配置表的自动生成方法，并通过实际的测试用例进行验证。
VLAN配置表的自动生成技术上实现难度不大，但是具有较突出的工程应用价值，可有效提高现场的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，积极研究交换机标准化配置，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。
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