變電站中智能網(wǎng)關(guān)機(jī)運(yùn)行模式的探討及實(shí)現(xiàn)

楊小凡，高志勇

(國電南京自動化股份有限公司，南京 211100)

0 引言

隨著電力系統(tǒng)智能變電站的大量建設(shè)，調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)雙平面改造不斷優(yōu)化，電力系統(tǒng)主站調(diào)度對子站采集的“源數(shù)據(jù)”的要求越來越高，這要求新一代的遠(yuǎn)動設(shè)備——智能網(wǎng)關(guān)機(jī)(以下簡稱網(wǎng)關(guān)機(jī))必須具備越來越強(qiáng)的功能及越來越高的性能。網(wǎng)關(guān)機(jī)已經(jīng)從傳統(tǒng)意義的遠(yuǎn)動通信服務(wù)器發(fā)展為集遠(yuǎn)動、保信、電能采集、精密測量單元(PMU)、在線監(jiān)測、智能告警、遠(yuǎn)程瀏覽等業(yè)務(wù)于一體的綜合通信服務(wù)器。目前各種文獻(xiàn)[1-3]對單個業(yè)務(wù)的單機(jī)上送方案有較多的討論，從實(shí)際應(yīng)用來看，現(xiàn)場子站雙網(wǎng)關(guān)機(jī)也大多采用2臺網(wǎng)關(guān)機(jī)同時運(yùn)行的方式(以下簡稱雙主獨(dú)立運(yùn)行)。雙網(wǎng)關(guān)機(jī)獨(dú)立運(yùn)行時各自遵守“直采直送”的原則，2臺網(wǎng)關(guān)機(jī)之間互相獨(dú)立，不進(jìn)行任何數(shù)據(jù)交互，作為提供數(shù)據(jù)的一方，子站網(wǎng)關(guān)機(jī)是否上送數(shù)據(jù)由調(diào)度根據(jù)通信規(guī)約來決定，如當(dāng)主子站間采用IEC 104[1，4-5]規(guī)約進(jìn)行通信時，調(diào)度系統(tǒng)可通過規(guī)約中的“啟/?！睅瑏頉Q定本邏輯鏈路是否允許上送實(shí)時信息到主站。此模式的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)網(wǎng)關(guān)機(jī)檢修、數(shù)據(jù)庫維護(hù)或系統(tǒng)升級時，可保證有1臺網(wǎng)關(guān)機(jī)完全獨(dú)立運(yùn)行，使得子站和調(diào)度的通信不中斷，而此模式的缺點(diǎn)隨著電力信息全景化的推廣也逐漸顯露出來。本文對其缺點(diǎn)做具體的分析，對網(wǎng)關(guān)機(jī)的主備模式各種方案進(jìn)行比較，推薦一種適應(yīng)目前電力系統(tǒng)調(diào)度實(shí)際情況的雙機(jī)主備方案，并給出其簡要的實(shí)現(xiàn)策略。

1 雙主運(yùn)行的缺點(diǎn)

在網(wǎng)關(guān)機(jī)雙主運(yùn)行的方案中，雙機(jī)之間獨(dú)立采集間隔層的實(shí)時信息，各自將調(diào)度需要的信息轉(zhuǎn)發(fā)至調(diào)度主站，如圖1所示。調(diào)度前置機(jī)[6]可采用冷、熱備用方式運(yùn)行，目前有些地區(qū)的調(diào)度主站前置機(jī)備用方式不以物理的前置機(jī)進(jìn)行全部的主備部署，而是按運(yùn)行在2臺前置機(jī)上的端口進(jìn)行主備的部署，其優(yōu)點(diǎn)在一些文獻(xiàn)[7-8]中已有提及。本文以調(diào)度的雙前置或雙端口中同一時刻只有1臺網(wǎng)關(guān)機(jī)在值班運(yùn)行的情況為主要分析對象。

圖1 雙主運(yùn)行示意圖

雙主運(yùn)行最大的缺點(diǎn)是調(diào)度當(dāng)前值班的前置機(jī)時，只能實(shí)時監(jiān)視到與之通信的網(wǎng)關(guān)機(jī)的工作狀態(tài)，而不能監(jiān)視到當(dāng)前未與之通信的網(wǎng)關(guān)機(jī)的工作狀態(tài)，這對于要求安全、穩(wěn)定運(yùn)行的電力系統(tǒng)來說是極度危險的。配置雙網(wǎng)關(guān)機(jī)的原本目的是使子站與調(diào)度的通信更加穩(wěn)定可靠，但當(dāng)未與調(diào)度通信的網(wǎng)關(guān)機(jī)出現(xiàn)故障時，就無法及時通知調(diào)度，此時如果與調(diào)度正在通信的網(wǎng)關(guān)機(jī)也出現(xiàn)了故障，就出現(xiàn)了“雙主而不備”的情況，導(dǎo)致全站無法同調(diào)度正常通信，調(diào)度主站短期內(nèi)將失去對此變電站的監(jiān)視及控制功能，這對電力系統(tǒng)來說是絕對不允許的。

雙主運(yùn)行的另一個缺點(diǎn)是當(dāng)雙機(jī)之間進(jìn)行切換時，調(diào)度監(jiān)控會收到以前未值班通道緩存下來的信息，而這些信息有些是以前的通道已經(jīng)上送給調(diào)度的，有些是還沒來得及上送給調(diào)度的。如果采用切換后全部上送緩存的方案，會導(dǎo)致調(diào)度監(jiān)控收到一大部分歷史信息，嚴(yán)重干擾值班員的分析判斷；如果采用切換后全部清除緩存的方案，雖然不會上送重復(fù)信息，但也有可能漏掉切換過程中新產(chǎn)生的信息。雙主獨(dú)立運(yùn)行時，2臺前置機(jī)同時收發(fā)數(shù)據(jù)，由調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)來處理冗余信息，此種方案能做到信息“不漏不多”，但由于調(diào)度監(jiān)控對每個信息點(diǎn)都需要比較一下是否冗余，將大大增加調(diào)度系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，因此這種方案在實(shí)際應(yīng)用中采用的并不多。所以目前在雙主運(yùn)行的方案中，并沒有十全十美的方案來解決在切換過程中產(chǎn)生的冗余信息?，F(xiàn)場有些地區(qū)只保留未值班機(jī)器緩存的指定條目數(shù)或指定最近時間段的信息上送給調(diào)度，此方案在切換過程中能避免漏掉新產(chǎn)生的信息，相當(dāng)于從時間或信息條目上設(shè)置了一個“閥門”，如果“閥值”設(shè)置得當(dāng)可以保證避免大量的冗余信息上送給調(diào)度，但即使“閥值”再精確，也仍會有冗余的信息上送給調(diào)度主站，所以此方案不能從根本上滿足調(diào)度主站對子站上送信息“不漏不丟”的要求。

2 主備方案的分析

2.1 主備方案介紹

基于雙主方式運(yùn)行的網(wǎng)關(guān)機(jī)運(yùn)行模式已經(jīng)不能滿足智能變電站對全景信息的需求。雙機(jī)之間必須采用主備運(yùn)行模式的解決方案，雙機(jī)之間必須要有信息交互，交互的信息包括網(wǎng)關(guān)機(jī)自身的硬件狀態(tài)、軟件狀態(tài)、運(yùn)行信息以及上送給調(diào)度主站的需要同步的“四遙”信息(遙測信息、遙信信息、遙控信息及遙調(diào)信息)。硬件狀態(tài)包含了網(wǎng)卡、串口等物理設(shè)備的情況，軟件狀態(tài)包含了內(nèi)存使用、CPU負(fù)荷、硬盤使用的情況，運(yùn)行信息包含了系統(tǒng)進(jìn)程、應(yīng)用規(guī)約進(jìn)程的運(yùn)行以及各通道同調(diào)度通信的通斷情況等。這些信息從屬于二次設(shè)備在線監(jiān)測的內(nèi)容，作為智能變電站的重要組成部分，需按IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格的建模，將相關(guān)信息送給調(diào)度主站、監(jiān)控后臺以及對側(cè)網(wǎng)關(guān)機(jī)。網(wǎng)關(guān)機(jī)之間通過某種手段進(jìn)行通信，交互各自機(jī)器的二次設(shè)備信息，根據(jù)本機(jī)的工況和對側(cè)機(jī)的工況，綜合判斷由網(wǎng)關(guān)機(jī)的某一邏輯通道響應(yīng)調(diào)度的信息請求。

本文以智能變電站中網(wǎng)關(guān)機(jī)的主備模式為例進(jìn)行分析，某些只配置1臺網(wǎng)關(guān)機(jī)的運(yùn)行模式則不在討論之列，故以下方案不涉及只有1臺網(wǎng)關(guān)機(jī)或只有1臺前置機(jī)的情況。

按照國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)相關(guān)規(guī)定，子站送往調(diào)度的信息必須遵守“直采直送”[9]的原則，互為主備的網(wǎng)關(guān)機(jī)相互獨(dú)立地采集間隔層的信息，對外通信的主子站進(jìn)程之間互為備用，即“對上主備、對下獨(dú)立”。鑒于各個地區(qū)的主子站通信規(guī)約有所不同，以最具代表性也是絕大部分主子站均支持的IEC 104通信規(guī)約作為代表，說明“對上主備”的實(shí)現(xiàn)原理，其余規(guī)約可參照執(zhí)行。主備示意圖如圖2所示。圖中每臺前置機(jī)分別同網(wǎng)關(guān)機(jī)1、網(wǎng)關(guān)機(jī)2建立邏輯通道，共有4個邏輯通道。4個邏輯通道互為備用，同一時刻只有1個邏輯通道處于運(yùn)行狀態(tài)，其余通道按調(diào)度需求部署為熱備用狀態(tài)或冷備用狀態(tài)。

圖2 “對上主備，對下獨(dú)立”示意圖

2.2 主備邏輯通道的狀態(tài)及其對應(yīng)的行為

邏輯通道的狀態(tài)分為運(yùn)行、熱備用及冷備用3種。當(dāng)邏輯通道狀態(tài)為運(yùn)行時，所有的信息從本通道上送，本通道對應(yīng)的緩存信息不需要清理，需要在收到主站的確認(rèn)信號(IEC 104規(guī)約中提出可通過S幀來確認(rèn)信息的序列號)后將已確認(rèn)的信息發(fā)送給本通道的備用通道；當(dāng)邏輯通道狀態(tài)為熱備用時，本通道只進(jìn)行鏈路的維護(hù)(IEC 104規(guī)約中傳輸控制協(xié)議TCP連接情況下只進(jìn)行測試幀的收發(fā))，不給調(diào)度主站發(fā)送任何應(yīng)用層的數(shù)據(jù)，接收運(yùn)行通道被調(diào)度主站確認(rèn)的信息，同本通道的緩存信息進(jìn)行比較，如有相同的信息，則清除本通道中對應(yīng)的緩存；當(dāng)邏輯通道為冷備用狀態(tài)時，除了不建立鏈路鏈接外，其余行為同熱備用狀態(tài)。3種通道狀態(tài)的行為比較見表1。表1中：建立鏈路(主子站間)即調(diào)度同子站僅完成鏈路狀態(tài)的監(jiān)視；收發(fā)應(yīng)用數(shù)據(jù)(主子站間)即接收調(diào)度下發(fā)的命令，上送全數(shù)據(jù)及變化數(shù)據(jù)給調(diào)度；發(fā)送已確認(rèn)信息(到備通道)即將調(diào)度確認(rèn)過的信息同步到備用通道緩存中；接收已確認(rèn)信息(從主通道)即備通道從主通道接收調(diào)度已確認(rèn)的信息，并存入本通道的緩存中；比較已確認(rèn)信息即備通道將應(yīng)用緩存的信息同已確認(rèn)的信息進(jìn)行比較，如發(fā)現(xiàn)已被確認(rèn)則從應(yīng)用緩存中刪除。

表1 幾種通道狀態(tài)的行為比較

2.3 主備通道的信息同步機(jī)制

為了實(shí)現(xiàn)邏輯通道之間的主備功能，各邏輯通道的進(jìn)程至少需要3個緩存空間，1個用來維護(hù)從間隔層接收的準(zhǔn)備上送給調(diào)度的信息緩存，1個用來維護(hù)已經(jīng)上送給調(diào)度的信息緩存，1個用來維護(hù)被調(diào)度確認(rèn)的信息緩存。3個緩存之間的聯(lián)系如圖3所示。圖中只畫了雙通道互為備用的示意圖，實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)調(diào)度的前置機(jī)數(shù)量，靈活地冗余配置邏輯通道的個數(shù)，配置原則就是N個邏輯通道中，保證只有1個通道處于運(yùn)行態(tài)，N-1個通道處于備用狀態(tài)。

圖3 主備通道的信息同步機(jī)制

從圖3可以看出，主通道從“上送調(diào)度信息緩存”中獲取信息上送給調(diào)度，同時將發(fā)送出去的信息保存到“已發(fā)送調(diào)度信息緩存”。主通道接收到調(diào)度的確認(rèn)信息后，如確認(rèn)到SOE3，將SOE3及之前的信息從“已發(fā)送調(diào)度信息緩存”中取出，同步到各備用邏輯通道，取出的信息見圖中“已發(fā)送調(diào)度信息緩存”部分。備用邏輯通道不主動發(fā)送信息給調(diào)度，平常接收來自主通道的被調(diào)度確認(rèn)的信息存入“備用通道已確認(rèn)緩存”，將此緩存中的信息同備用通道的“上送調(diào)度信息緩存”進(jìn)行比較，如有相同的信息，則從備用通道的“上送調(diào)度信息緩存”中清除。此時如果運(yùn)行通道發(fā)生故障，備用通道升為主通道，由于之前調(diào)度確認(rèn)的信息已經(jīng)被清除，故新運(yùn)行的通道從SOE4開始發(fā)送。這樣網(wǎng)關(guān)機(jī)就能將子站的信息“不漏不丟”地送給調(diào)度。

圖3中雖然原主通道將信息發(fā)送至SOE5，但由于調(diào)度只確認(rèn)到了SOE3，故同步時只同步到SOE3，這樣做是為了確保調(diào)度不會漏掉任何信息。但還有一種意外情況，即雖然調(diào)度確認(rèn)到了SOE3，但也有可能已經(jīng)收到了SOE4，SOE5發(fā)送的信息，只是沒來得及確認(rèn)，這種情況下，調(diào)度監(jiān)控就有可能收到2次SOE4和SOE5。從理論上講，單靠子站和主站之間的信息確認(rèn)機(jī)制無法徹底解決冗余的問題，所以建議主站的前置機(jī)之間最好也能做類似于子站邏輯通道之間的主備工作，主、子站配合起來，將大大提高信息傳輸?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確性。

上述邏輯通道不僅可分布于不同的網(wǎng)關(guān)機(jī)上，還可分布于同一網(wǎng)關(guān)機(jī)上，這將提高整個邏輯鏈路的冗余度。這要求在設(shè)計進(jìn)程間同步時，考慮分布式的部署，同步模塊既能完成進(jìn)程間通信(IPC)功能，也能完成遠(yuǎn)程過程調(diào)用協(xié)議(RPC)功能。

3 結(jié)束語

本文分析了智能變電站中網(wǎng)關(guān)機(jī)雙主運(yùn)行的缺點(diǎn)，建議采用“對下獨(dú)立，對上主備”的網(wǎng)關(guān)機(jī)主備運(yùn)行方案，給出一種所有邏輯通道N+1的冗余方式，并就此方式分析了主備方案中主備狀態(tài)機(jī)對應(yīng)的各種運(yùn)行行為，最后給出了主備邏輯通道的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，同時建議調(diào)度前置機(jī)間也采取一定的同步機(jī)制，通過主子站間的配合，真正實(shí)現(xiàn)主子站間信息傳遞的“不漏不多”，推進(jìn)智能變電站主子站間通信的規(guī)范化，提高主子站間通信的可靠性及準(zhǔn)確性。

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