數(shù)字化變電站智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測與狀態(tài)評估系統(tǒng)*

金乃正，張 亮，章堅民，汪 彥，章立宗，許偉國

(1.國網(wǎng)紹興供電公司，浙江紹興312000;2.杭州電子科技大學(xué)自動化學(xué)院，浙江杭州310018;3.南京拓為電力科技發(fā)展有限公司，江蘇南京210016)

0 引言

數(shù)字化變電站采用網(wǎng)絡(luò)通信，智能設(shè)備間的交互更為頻繁，數(shù)據(jù)配合更為嚴密，因此通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，以及通信報文的正確性、參數(shù)的合法性、時序的合理性等更為重要。以太網(wǎng)以及掛接的所有智能設(shè)備(IED)，包括合并單元、保護、監(jiān)控等變電站二次設(shè)備，交換機等網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、站控設(shè)備的健康狀態(tài)，以及變電站環(huán)境對以太網(wǎng)以及IED 的影響，均將影響變電站的正?？煽窟\行;數(shù)字化變電站技術(shù)還處于實踐成熟階段［1］，變電站網(wǎng)絡(luò)通信記錄儀［2-3］在數(shù)字化變電站調(diào)試中已發(fā)揮了關(guān)鍵作用，也發(fā)現(xiàn)了智能變電站技術(shù)存在的不少問題。

網(wǎng)絡(luò)通信記錄類裝置主要實現(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，通過報文回放測試設(shè)備的功能及網(wǎng)絡(luò)性能，并能復(fù)現(xiàn)問題。但是，目前此類通信記錄裝置:①一般只有簡單的遠傳報警，大量的記錄數(shù)據(jù)采用就地存儲，遠方調(diào)用還需要人工方式;②不具備高精度數(shù)據(jù)采集和在線實時分析、預(yù)警功能，不能滿足變電站運行階段不同層次用戶的應(yīng)用需求。

隨著數(shù)字化變電站的普及，網(wǎng)絡(luò)通信記錄儀使用率大大提高，開始向在線狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷分析等應(yīng)用發(fā)展［4-6］，通過研發(fā)相應(yīng)的變電站側(cè)智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測裝置和控制中心主站系統(tǒng)，實現(xiàn)對變電站智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)通信實時狀態(tài)的在線監(jiān)測、故障診斷、故障預(yù)警、狀態(tài)評估、狀態(tài)檢修。

該系統(tǒng)的基礎(chǔ)，即數(shù)字化變電站核心元件及系統(tǒng)的故障診斷、可靠性評估、狀態(tài)檢修等理論研究和探索，如數(shù)字化繼電保護及系統(tǒng)［7-8］、變電站通信系統(tǒng)的可靠性評估方法［9］，二次設(shè)備狀態(tài)檢修理論［10-12］等，已有一定進展;而數(shù)字變電站智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測系統(tǒng)，是相關(guān)理論得以大量實踐驗證與成熟的必要選擇。

筆者研究面向數(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。

1 系統(tǒng)組成及架構(gòu)

1.1 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)，其構(gòu)成示意圖如圖1所示。分為變電站側(cè)裝置和控制中心的主站系統(tǒng);變電站側(cè)裝置，分為預(yù)警終端與子站裝置二級，前者布置在過程層、廠站層，也可擴展接入電力數(shù)據(jù)網(wǎng)層，后者布置在廠站層網(wǎng)絡(luò)和電力數(shù)據(jù)網(wǎng)之間。系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)參照文獻［13-14］。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 需要狀態(tài)監(jiān)測的智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)

被監(jiān)視的過程設(shè)備包括:①MU;②智能終端等;間隔設(shè)備包括:①保護裝置;②測控裝置;③數(shù)字化電能表等;通信設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)交換機等;站控設(shè)備包括:①RTU;②變電站監(jiān)控系統(tǒng);③保護信息子站等;被監(jiān)視的設(shè)備可以進一步抽象為:①E-IED，為過程、間隔層的智能裝置;②C-IED，為網(wǎng)絡(luò)交換類設(shè)備;③AIED，主要是站控裝置以及主站前置。

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

該裝置分為智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測裝置與子站裝置。前者也稱為預(yù)警終端，裝置內(nèi)部采用了高精度恒溫的時鐘芯片，通過分頻、倍頻及鎖相環(huán)等硬件技術(shù)產(chǎn)生了高頻率的內(nèi)部時鐘計數(shù)，在網(wǎng)口捕捉到網(wǎng)絡(luò)報文后立刻通過硬件對數(shù)據(jù)標記時間戳，從而保證了接收數(shù)據(jù)時間的準確性，時間精度為16 ns;裝置可接收外部B 碼或者1 588 對時，從而保證了絕對時標的精確。預(yù)警終端以偵聽方式接入過程層、廠站層和電力數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，不影響接入網(wǎng)絡(luò)的正常運行;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;③承擔網(wǎng)絡(luò)通信黑匣子。子站裝置收集站內(nèi)所有預(yù)警終端的告警數(shù)據(jù)，并且:①對收集的告警信息進行擴大分析;②根據(jù)預(yù)設(shè)的模型，進行狀態(tài)評估;③快速上報主站系統(tǒng)。

2 智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)視內(nèi)容及功能設(shè)計

本研究對數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)通信在線故障診斷提出了故障模型，分為MMS 故障模型、GOOSE 故障模型、SV 故障模型和網(wǎng)絡(luò)異常模型。根據(jù)ISO 計算機通信的7 層模型，本研究將網(wǎng)絡(luò)分為背景和應(yīng)用2 層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層納入背景層，而會話層、表示層和應(yīng)用層納入應(yīng)用層，因此網(wǎng)絡(luò)故障分為背景故障和應(yīng)用故障兩類;只有在網(wǎng)絡(luò)背景層正常的前提下，才可能有網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用正常。數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡(luò)，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);在此基礎(chǔ)下，實現(xiàn)對變電站智能設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)視與狀態(tài)評估。

2.1 網(wǎng)絡(luò)背景層的異常情況狀態(tài)監(jiān)視

2.1.1 MMS 網(wǎng)絡(luò)背景層異常與故障

本研究對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、確認號等;提出相關(guān)的指標，并按表1 的故障模型進行判斷。

2.1.2 GOOSE 網(wǎng)絡(luò)異常

故障模型如表2所示。如，變電站配置文件給出了2 個IED 的GOOSE 傳輸最短傳輸時間minTime 和穩(wěn)定傳輸時間maxTime，則判斷GOOSE 通信中斷的判據(jù)如表2所示。

表1 MMS 網(wǎng)絡(luò)背景層異常與故障模型

表2 GOOSE 網(wǎng)絡(luò)背景層異常與故障模型

2.1.3 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。

2.2 網(wǎng)絡(luò)正常情況的應(yīng)用層狀態(tài)監(jiān)視

2.2.1 MMS 故障

通過IP 與智能設(shè)備實現(xiàn)關(guān)聯(lián);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:判別是正確中斷還是異常中斷;報文與標準通信協(xié)議不符合等。

2.2.2 GOOSE 故障

通過MAC 地址與智能設(shè)備實現(xiàn)關(guān)聯(lián);重點監(jiān)視現(xiàn)象為:保護動作事件，心跳報文中斷、初始化等與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;判別方法，如:①GOOSE 報文與SCD 文件不一致;②GOOSE 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)律等。

2.2.3 SV 故障

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

3 預(yù)警終端與子站信息建模和通信建模

預(yù)警裝置與子站裝置均應(yīng)該IEC61850 化，即其信息模型和通信模型應(yīng)遵循IEC61850 要求。保護、測控裝置由IEC61850 進行了詳細定義，而合并單元［15］、數(shù)字式電能表［16］、交換機［17］的基于61850 的建模可以借鑒。從圖1 可以知道，預(yù)警終端只是對這些61850化的IED 進行報文偵聽、記錄和分析，并將告警的信息提供給子站裝置，由子站裝置進行站級分析，并轉(zhuǎn)報主站。因此以下只討論子站的61850 化。

3.1 子站裝置的通信建模

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，可通過遠方建立數(shù)據(jù)集和報告模式，實現(xiàn)預(yù)警和告警功能。子站的IEC61850 信息模型和通信模型如圖2所示，其與主站的通信主要通過在子站裝置的報告模型實現(xiàn)。

圖2 子站的IEC61850 信息模型和通信模型

3.2 子站裝置的信息建模

為實現(xiàn)子站裝置的報告模型，以及為實現(xiàn)第2節(jié)的功能，需要在子站裝置上實現(xiàn)3 種報文或3 類生數(shù)據(jù)(RD，raw data)的分析，同時對該3 類生數(shù)據(jù)的解包分析，即獲取4 類熟數(shù)據(jù)(CD，cooked data)標準協(xié)議符合度檢測，并為告警報告提取必須的數(shù)據(jù)。需要為6 類報告(詳如圖2所示)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。

3.3 預(yù)警終端的信息建模與通信建模

預(yù)警終端，主要實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)通信過程的偵聽和記錄，作為子站裝置的數(shù)據(jù)采集前置，因此其信息建模可相對簡單，主要以MMS、GOOSE、SV 方式建立，然后通過以太轉(zhuǎn)發(fā)到子站裝置。

4 與控制中心的通信

4.1 IEC 60870-103/104

采用IEC 60870-103 和IEC 60870-104 方式時，雙端必須進行數(shù)據(jù)項的約定擴展，才能將子站裝置的告警值上送調(diào)度;無法實現(xiàn)主站的自由配置。

4.2 IEC61850 延伸至控制中心

本研究將主站前置機作為客戶端、變電站側(cè)的子站裝置作為服務(wù)器，實現(xiàn)基于IEC61850 的通信［17］，對子站裝置進行包括數(shù)據(jù)集和報告方式的定義，實現(xiàn)遠方控制中心對子站數(shù)據(jù)集、報告的定義，實現(xiàn)自由配置。

5 控制中心主站功能

5.1 管理功能

主站系統(tǒng)具備本地管理功能和對通信子站的遠程管理功能，包括:語法模型文件、語義模型文件、應(yīng)用模型文件的修改與保存，通信規(guī)約的統(tǒng)一編號;各個通信子站的相關(guān)參數(shù)和配置，包括變電站統(tǒng)一編號，通信子站統(tǒng)一編號(以變電站為范圍)，通信子站記錄端口統(tǒng)一編號(以通信子站為范圍)，每個記錄端口所包含的規(guī)約以及規(guī)約關(guān)聯(lián)的模型文件;變電站內(nèi)的IED 裝置信息和站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)信息，并對自動化裝置和站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)信息進行站內(nèi)統(tǒng)一編號;系統(tǒng)用戶等級劃分和密碼保護等。

子站具備接受主站分析系統(tǒng)的遠程管理和參數(shù)配置修改的能力，能接收語法模型文件、語義模型文件和統(tǒng)計模型文件并按其進行實時分析的能力，同時提供相應(yīng)的密碼保護措施。

5.2 實時預(yù)警功能

預(yù)警終端具備報告網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生的通信故障、電網(wǎng)事件、告警信息和評估結(jié)果等網(wǎng)絡(luò)實時信息的能力，并且具備能夠?qū)⑦@些信息與記錄文件相關(guān)聯(lián)，并在進行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)分析、規(guī)約分析或應(yīng)用分析時進行關(guān)聯(lián)的能力。

實時預(yù)警功能根據(jù)實時在線分析的通信錯誤信息、應(yīng)用事件信息、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息和網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計信息進行通信和應(yīng)用功能的實時預(yù)警，包括:網(wǎng)絡(luò)流量突變或向某一趨勢漸變，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分布比例突變或向某一趨勢漸變，通信終端在線跟蹤(某設(shè)備長期不通信、出現(xiàn)新設(shè)備等)，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)在線跟蹤(監(jiān)視交換機的工作狀態(tài))，網(wǎng)絡(luò)攻擊行為預(yù)判等。

系統(tǒng)在實時在線分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)相關(guān)故障特征和經(jīng)驗總結(jié)，預(yù)判網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備的通信狀態(tài)將發(fā)生何種變化，并給出相應(yīng)的告警，做到故障還未發(fā)生即被發(fā)現(xiàn)，減少通信故障對變電站自動化系統(tǒng)運行的影響。

5.3 狀態(tài)評估

系統(tǒng)根據(jù)重要的錯誤、應(yīng)用事件、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以及預(yù)警信息，并根據(jù)設(shè)定的時間段對通信進行評估，產(chǎn)生評估報告。評估的對象為IED 裝置、交換機、工作站以及整個通信網(wǎng)絡(luò);評估的時間段可以分為日報、周報、月報等。根據(jù)智能設(shè)備健康模型，對不同對象提供不同格式的評估報告，以滿足不同的層次需求，并提供相應(yīng)的檢修策略，輔助檢修。

系統(tǒng)通過提取狀態(tài)量和通信過程信息，綜合可參考的狀態(tài)模型，形成智能設(shè)備的軟環(huán)境工作狀態(tài)，實現(xiàn)智能設(shè)備軟環(huán)境的狀態(tài)評估。根據(jù)實際運行經(jīng)驗，從通信的角度定義工作對象，根據(jù)評估事件的權(quán)重和出現(xiàn)頻率，對變電站二次系統(tǒng)實現(xiàn)狀態(tài)評估。根據(jù)實際的運行情況，總結(jié)出一套行之有效的預(yù)警評估模型和預(yù)警評估導(dǎo)則，針對不同的用戶需求，對變電站、子網(wǎng)、IED 設(shè)備及通信接口等形成不同的狀態(tài)評估報告，為變電站智能設(shè)備及通信網(wǎng)絡(luò)的檢修策略提供依據(jù)。評估結(jié)果包括:遙信信息異常變位，遙測數(shù)據(jù)異常躍變，網(wǎng)絡(luò)流量異常，端口分布異常，協(xié)議分布異常，網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，ARP 攻擊行為和網(wǎng)絡(luò)攻擊行為等。

5.4 狀態(tài)監(jiān)視與信息發(fā)布

主站系統(tǒng)獲取全網(wǎng)變電站網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)采集，以二次回路圖形模型方式進行監(jiān)視，通過Web 方式實時顯示各個終端上報告警和錯誤情況，對整個通信網(wǎng)絡(luò)進行預(yù)警和評估;提取通信數(shù)據(jù)進行詳細的離線分析;通過圖形化界面，將錯誤與檢修策略關(guān)聯(lián)，以方便用戶進行故障的診斷與處理。

5.5 與其他主站系統(tǒng)的關(guān)系及數(shù)據(jù)交互

主站系統(tǒng)采用CIM 模型，以便于與其他信息系統(tǒng)如調(diào)度EMS、保護信息系統(tǒng)、調(diào)度生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)信息共享和交互，實現(xiàn)對變電站智能設(shè)備軟環(huán)境到硬環(huán)境的全面綜合預(yù)警與評估，以及后續(xù)的智能設(shè)備檢修的工作事務(wù)管理納入生產(chǎn)管理系統(tǒng)等。

主站的前置作為客戶端，與變電站子站建立Client/Server(客戶/服務(wù)器)或Subscribe/Publish(訂閱/發(fā)布)通信方式，并在實現(xiàn)IEC61850 到IEC61970CIM的轉(zhuǎn)換;同時要實現(xiàn)預(yù)警終端與子站ICD 的管理。

6 結(jié)束語

針對面向數(shù)字化變電站智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)測與狀態(tài)評估，筆者研究了變電站網(wǎng)絡(luò)故障源及故障機理，提出了將變電站通信網(wǎng)絡(luò)故障分為通信背景層故障和應(yīng)用層故障，以及變電站通信狀態(tài)監(jiān)視的內(nèi)容。開發(fā)了相應(yīng)的預(yù)警終端、變電站子站;作為數(shù)字化變電站的新型智能設(shè)備，本研究重點討論了預(yù)警終端與子站的信息建模和通信建模，以滿足IEC61850 的設(shè)計要求;同時給出了主站系統(tǒng)的基本功能和利于信息共享與系統(tǒng)集成的設(shè)計原則。實際運行表明，該系統(tǒng)功能豐富，信息模型標準，集成規(guī)范，滿足了智能變電站智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)測與狀態(tài)評估的要求。

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