數(shù)字化變電站智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)體系構(gòu)建

汪 彥 金乃正 章堅民 張 亮

1.南京拓為電力科技發(fā)展有限公司；2.紹興電力局；3。杭州電子科技大學(xué)電氣工程系；4.吉林大學(xué)

引言

數(shù)字化變電站中，模擬量通過采樣值（SV）報文傳輸，狀態(tài)量和跳閘等信息通過通用面向?qū)ο笞冸娬緯r間（GOOSE）報文傳輸，間隔層的聯(lián)閉鎖也通過GOOSE 方式實現(xiàn)；數(shù)字化變電站采用網(wǎng)絡(luò)通信，各設(shè)備間的交互更為頻繁、數(shù)據(jù)之間配合更為嚴(yán)密，因此通信報文的正確性、參數(shù)的合法性、時序的合理性等更為重要，因此出現(xiàn)了兩類相關(guān)的產(chǎn)品。

（1）網(wǎng)絡(luò)記錄儀

該類裝置主要實現(xiàn)對變電站網(wǎng)絡(luò)通信過程的偵聽、監(jiān)視與記錄，用于真實記錄網(wǎng)絡(luò)所有可能的信號，能夠通過報文回放測試設(shè)備的功能、網(wǎng)絡(luò)的性能，并能復(fù)現(xiàn)問題。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信在線故障診斷系統(tǒng)

對網(wǎng)絡(luò)記錄儀在線實時偵聽和記錄，對網(wǎng)絡(luò)背景類故障和應(yīng)用類故障進行實時分析和告警。

本文討論面向數(shù)字化變電站智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的體系建立。另外，無論是網(wǎng)絡(luò)記錄儀，還是網(wǎng)絡(luò)故障分析系統(tǒng)中必須在數(shù)字化變電站側(cè)的裝置，原則上要符合IEC61850 規(guī)范，因此本文在其信息建模和通信建模進行初步分析。

數(shù)字化變電站智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)組成及架構(gòu)

系統(tǒng)組成

數(shù)字化變電站智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)1；從構(gòu)成上講，分為變電站側(cè)智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測裝置和調(diào)度側(cè)的主站系統(tǒng)。

數(shù)字化變電站中需要狀態(tài)監(jiān)測的智能設(shè)備包括MU、智能終端、保護裝置、測控裝置、數(shù)字化電能表、網(wǎng)絡(luò)交換機等。

從實時監(jiān)視的角度，擬在主站側(cè)建立基于61850 的實時播發(fā)儀，實現(xiàn)與其他系統(tǒng)交互的界面，以及進行數(shù)據(jù)庫存儲及歷史分析的分析系統(tǒng)。

需要狀態(tài)監(jiān)測的變電站智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)

過程設(shè)備：（1）MU；（2）智能終端。

間隔設(shè)備：（1）保護裝置；（2）測控裝置；（3）數(shù)字化電能表。

通信設(shè)備：（1）網(wǎng)絡(luò)交換機。

站控設(shè)備：（1）RTU；（2）保護信息子站。

以上設(shè)備進一步抽象為（1）E-IED；（2）C-IED；（3）A-IED

智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測裝置

分為偵聽記錄裝置與分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置。

偵聽記錄裝置：

該裝置以記錄所接入網(wǎng)絡(luò)的所有報文，并對這些報文進行：

（1）網(wǎng)絡(luò)正常狀態(tài)的監(jiān)測：包括各IED 的語法檢測、語義檢測。

（2）網(wǎng)絡(luò)異常狀態(tài)的監(jiān)測。

數(shù)字化變電站智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)視的內(nèi)容及功能設(shè)計

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）定義的開放系統(tǒng)互連參考模型（OSI-RM）在功能上把計算機網(wǎng)絡(luò)劃分成七層，通信只能發(fā)生在對等層之間，而各層采用的通信協(xié)議是各不相同的，即使是在同一層，不同的功能要求也可能采用不同的通信協(xié)議。如目前應(yīng)用很廣的TCP/IP 協(xié)議棧（協(xié)議族）共分四層，即數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。

本文將其歸納為網(wǎng)絡(luò)支撐異常及應(yīng)用異常兩種狀態(tài)；數(shù)字化變電站，按其應(yīng)用報文劃分，可虛擬化為MMS網(wǎng)絡(luò)、GOOSE 網(wǎng)絡(luò)、SV 網(wǎng)絡(luò)；首先要進行網(wǎng)絡(luò)的背景層通信的異常與故障監(jiān)視，在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對設(shè)備通信的應(yīng)用層故障診斷與排除。

所謂網(wǎng)絡(luò)背景層的異常與故障監(jiān)視，是指網(wǎng)絡(luò)在變電站運行控制中的支撐作用，主要包括鏈路層、網(wǎng)絡(luò)背景等的故障；只有在網(wǎng)絡(luò)背景支撐正常的前提下，才可能有網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用正常。

網(wǎng)絡(luò)背景層的異常情況狀態(tài)監(jiān)視

1.MMS 網(wǎng)絡(luò)背景層異常與故障

對TCP/IP 鏈路建立與中斷、通信超時、網(wǎng)絡(luò)流量突變等進行監(jiān)視，如TCP 握手信息、中斷時結(jié)束信息是否正確；異常中斷分析，包括窗口尺寸、確認(rèn)號等。可以提出相關(guān)的指標(biāo)，并按表1 進行判斷。

表1 MMS 網(wǎng)絡(luò)背景層異常與故障

2.GOOSE 網(wǎng)絡(luò)異常

在變電站配置文件中，對2 個IED 的GOOSE 傳輸存在最短傳輸時間minTime 和穩(wěn)定傳輸時間maxTime 的給定值，則

表2 GOOSE 網(wǎng)絡(luò)背景層異常與故障

3.SV 網(wǎng)絡(luò)異常

對SV 網(wǎng)絡(luò)異常，主要根據(jù)采樣頻率計算報文流量，異常時告警。

網(wǎng)絡(luò)正常情況的智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)視

（1）MMS 故障

1）通過IP 與智能設(shè)備實現(xiàn)關(guān)聯(lián)；

2）主要故障現(xiàn)象：

重點監(jiān)視現(xiàn)象為：初始化過程中服務(wù)、數(shù)據(jù)屬性、選擇區(qū)域、完整性周期、入口判識、報告使能、總召喚等與變電站配置描述SCD 文件中聲明不一致、應(yīng)用層通信過程不完整、通信中斷、報文與標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議不符合。

（2）GOOSE 故障

1）通過MAC 地址與智能設(shè)備實現(xiàn)關(guān)聯(lián)；

2）主要故障現(xiàn)象

重點監(jiān)視現(xiàn)象為：保護動作事件，心跳報文中斷、初始化與SCD 文件設(shè)置通信組播不一致、記錄文件的字節(jié)數(shù)發(fā)生突變等。

（3）判別方法

1）GOOSE 報文與SCD 文件不一致；2、GOOSE 報文的符合性判斷，按IEC61850-7-2 的狀態(tài)號StNum 和序列號SqNum 分為3 種情況，檢查是否符合規(guī)律。

（4）SV 故障：

1）通過MAC 地址與智能設(shè)備實現(xiàn)關(guān)聯(lián)；

2）主要故障現(xiàn)象：

對于采用IEC61850-9-1 協(xié)議，重點分析組播地址、APPID、邏輯設(shè)備名、采樣頻率是否與配置文件一致，報文中狀態(tài)字是否異常、采樣計算器是否正確累加等。對于采用IEC61850-9-2 協(xié)議，重點分析組播地址、報文頭是否與配置文件一致，報文中計數(shù)器是否正常、發(fā)送時延是否一致等。

從以上分析，可以看出，變電站無論是網(wǎng)絡(luò)背景故障，還是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用故障，數(shù)字變電站配置文件SCD 是作為一個主要參考，起到關(guān)鍵作用。因此，SCD 的合格性、完整性至關(guān)重要。

偵聽記錄裝置與分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置信息建模和通信建模

從上所述，偵聽記錄裝置提供基本信息給分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置，而分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置與主站進行通信。

IEC 61850 是所有變電站IED 的設(shè)計規(guī)范，以滿足IED 的信息規(guī)范化和通信規(guī)范化。因此從嚴(yán)格的要求，分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置應(yīng)該IEC61850 化，即其信息模型和通信模型應(yīng)遵循IEC61850 要求。

圖1 分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置的IEC61850 信息模型和通信模型

分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置的通信建模

IEC 61850 的IED 為服務(wù)器設(shè)計，具有客戶/服務(wù)器（C/S）和訂閱/發(fā)布（B/S）2 種模式；按照表1、表2的設(shè)計，可通過遠(yuǎn)方建立數(shù)據(jù)集和報告模式，實現(xiàn)預(yù)警和告警功能。如圖1，其與主站的通信主要通過在分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置的報告模型實現(xiàn)。

分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置的信息建模

為實現(xiàn)分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置的報告模型，以及為實現(xiàn)第2 節(jié)的功能，需要在分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置上實現(xiàn)三種報文或三類生數(shù)據(jù)（RD，RAW DATA）的分析，同時對該三類生數(shù)據(jù)的解包分析，即獲取四類熟數(shù)據(jù)（CD，COOKED DATA）標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議符合度檢測，并為告警報告提取必須的數(shù)據(jù)。

必須為6 類報告提供必須的報告模型設(shè)計，即其數(shù)據(jù)集、定值集、報告觸發(fā)機制等設(shè)計。

偵聽記錄裝置的信息建模與通信建模

偵聽記錄裝置，主要實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)通信過程的偵聽和記錄，作為分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置的數(shù)據(jù)采集前置，因此其信息建?？上鄬唵危饕訫MS、GOOSE、SV 方式建立，然后通過以太轉(zhuǎn)發(fā)到分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置。

與調(diào)度側(cè)通信與功能

現(xiàn)行變電站和調(diào)度通信方式還是采用IEC 60870-103和IEC 60870-104 方式，但雙端必須進行數(shù)據(jù)項的約定擴展，才能將分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置的告警值上送調(diào)度；無法實現(xiàn)主站的自由配置。

將主站前置機作為客戶端實現(xiàn)對變電站側(cè)的分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置的配置，可實現(xiàn)對分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置進行包括數(shù)據(jù)集和報告方式的定義，可實現(xiàn)遠(yuǎn)方調(diào)度側(cè)的自由配置。

調(diào)度側(cè)主站功能主要對告警信息進行分類進行詳細(xì)的分析展現(xiàn)，并且實現(xiàn)統(tǒng)計和報表。

結(jié)束語

上述系統(tǒng)的開發(fā)與建設(shè)有助于實現(xiàn)智能變電站自動化系統(tǒng)通信環(huán)節(jié)的在線智能診斷，該系統(tǒng)在浙江紹興電力局投運以來，對提高當(dāng)前智能變電站運維水平起到了顯著作用。