智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信異常的分析

郝長端 劉 鈺 陳樹果

（國網(wǎng)信陽供電公司，河南 信陽 464000）

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智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信異常的分析

郝長端 劉 鈺 陳樹果

（國網(wǎng)信陽供電公司，河南 信陽 464000）

智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為站控層、間隔層和過程層。網(wǎng)絡(luò)通信異常會使變電站失去監(jiān)控信號或使保護(hù)裝置失去保護(hù)作用。本文分析了兩種網(wǎng)絡(luò)通信故障，總結(jié)了他們產(chǎn)生的原因，提供了解決方法，為今后智能站的運(yùn)行維護(hù)提供參考。

智能變電站；網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)；MMS；GOOSE；SV

隨著國家電網(wǎng)公司“三集五大”體系的不斷推進(jìn)，各個地區(qū)逐漸推行了變電站無人值班化管理。智能變電站具有全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享化的顯著優(yōu)點(diǎn)，為電力調(diào)度控制中心實行集中監(jiān)控提供了有利的條件，因而得到了廣泛應(yīng)用。

智能變電站有別于常規(guī)變電站和數(shù)字化變電站，220kV智能變電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常采用“三層兩網(wǎng)”式，分別是站控層、間隔層、過程層和站控層網(wǎng)絡(luò)與間隔層網(wǎng)絡(luò)［1］。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方式使現(xiàn)場信息得到了共享，減少了二次接線，使信息流更加清晰、明朗，也使一些新技術(shù)的采用變成了現(xiàn)實，如狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)、一鍵順控技術(shù)等。

近年來，智能變電站的數(shù)量快速增加，但是運(yùn)行與維護(hù)經(jīng)驗還不豐富。新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場保護(hù)裝置使智能變電站的運(yùn)行與維護(hù)方式發(fā)生了較大的變化，給運(yùn)維人員現(xiàn)場工作帶來了一定的困難。本文結(jié)合信陽地區(qū)所轄220kV變電站出現(xiàn)的問題和解決方法，對現(xiàn)場典型問題進(jìn)行了分析與研究，對現(xiàn)場的運(yùn)行和維護(hù)經(jīng)驗進(jìn)行了總結(jié)。

1 智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖［2-3］

圖1　智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)提出了變電站自動化系統(tǒng)功能分層的概念，功能分為3個層次，如圖1所示，從上到下依次分為站控層、間隔層和過程層，箭頭表示層間設(shè)備通信和層與層之間的數(shù)據(jù)和命令通信。如站控層和間隔層之間相互交換保護(hù)和控制數(shù)據(jù)，站控層將接收來的信息進(jìn)行分析、存儲等，以進(jìn)行自動電容器投切等高級應(yīng)用，并提供給調(diào)度和后臺機(jī)監(jiān)控；同時，間隔層接收從站控層傳輸來的遙控操作命令，并進(jìn)行間隔層五防邏輯判斷后執(zhí)行。間隔層之間保護(hù)和測控裝置相互交換信息，如聯(lián)閉鎖功能的實現(xiàn)，母差保護(hù)和線路保護(hù)裝置之間的數(shù)據(jù)交換等。

站控層的功能是利用全站信息對全站一次、二次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，采用冗余設(shè)計的雙網(wǎng)配置，即MMS（Made Message Standard）網(wǎng)絡(luò)；間隔層接收過程層信息，對設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視，起保護(hù)作用；過程層是一次設(shè)備的數(shù)字化接口，主要包括一次設(shè)備、合并單元和智能終端，與間隔層之間通過光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，傳遞一次設(shè)備狀態(tài)量。

2 兩個典型問題分析

本節(jié)對信陽地區(qū)所轄智能變電站運(yùn)行維護(hù)期間出現(xiàn)的問題進(jìn)行了總結(jié)，與傳統(tǒng)變電站比較以找出智能站的不同之處和問題出現(xiàn)原因，為今后智能站的運(yùn)行維護(hù)提供參考。

2.1站控層通道通信異常信號及現(xiàn)象

運(yùn)維人員例行巡視時，發(fā)現(xiàn)后臺機(jī)大量報出“220kV線路1保護(hù)A.B網(wǎng)斷開”、“220kV線路1保護(hù)B.B網(wǎng)斷開”、“110kV線路1保護(hù).B網(wǎng)斷開”等信號。

運(yùn)維人員對該220kV線路兩套保護(hù)及測控裝置和110kV線路1保護(hù)與測控裝置進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)保護(hù)裝置有異常，且保護(hù)裝置運(yùn)行燈亮，報警燈滅，現(xiàn)場一次設(shè)備運(yùn)行正常。與調(diào)控中心聯(lián)系，調(diào)控D5000系統(tǒng)及遠(yuǎn)動裝置均正常運(yùn)行，沒有任何異常信號。

2.2站控層通道通信異常信號原因及影響分析

1）故障分析

目前，110kV及以上電壓等級站控層網(wǎng)絡(luò)采用雙星形以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，一般間隔層裝置的雙網(wǎng)共用CPU，MAC和 PHY（Physical Layer）獨(dú)立避免雙網(wǎng)互相干擾。雙網(wǎng)冗余的一種實現(xiàn)方式是，雙網(wǎng)處理同一份數(shù)據(jù)，由應(yīng)用程序根據(jù)各自 MMS報文的字段進(jìn)行冗余處理。另一種實現(xiàn)方式是一個網(wǎng)通信，另一個網(wǎng)絡(luò)熱備用，即維持MMS的connect狀態(tài)。任何一個網(wǎng)絡(luò)斷鏈，不會造成緩沖報告和日志的丟失，提高可靠性。

變電站內(nèi)同站控層連接的設(shè)備有調(diào)控監(jiān)控主機(jī)、五防工作站、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、調(diào)度主站、信息保護(hù)子站、故障錄波器等，站控層通過接受保護(hù)與測控裝置上傳的保護(hù)信息，傳送給監(jiān)控主機(jī)顯示，并經(jīng)過故障錄波器記錄分析，同時接收變壓器非電量保護(hù)信號，調(diào)控人員通過測控裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。當(dāng)站控層通道通信出現(xiàn)異常時，將會影響與站控層網(wǎng)絡(luò)連接的運(yùn)行設(shè)備，造成實時數(shù)據(jù)無法處理，監(jiān)控主機(jī)失去遙信信號，無法進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作，失去對現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行和保護(hù)動作情況的監(jiān)視。在這種情況下，調(diào)度與控制中心無法獲得現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行情況。當(dāng)出現(xiàn)故障時，調(diào)控中心無法獲知故障發(fā)生，會導(dǎo)致故障范圍擴(kuò)大，擴(kuò)大停電范圍，造成大量的負(fù)荷損失和不利的社會影響。因此，對于通道通信，網(wǎng)絡(luò)中斷的信號必須加強(qiáng)監(jiān)視，并立即處理。

根據(jù)第1部分的分析和對智能變電站“三層兩網(wǎng)”方式的分析，后臺機(jī)報所有裝置的通道通信，B網(wǎng)斷開，問題出在站控層MMS B網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)通信中斷，影響了連接在該網(wǎng)絡(luò)上的所有通信設(shè)備和保護(hù)測控裝置。目前，智能變電站站控層采用雙網(wǎng)設(shè)計，分為MMS A、MMS B網(wǎng)，一個網(wǎng)絡(luò)的中斷不影響站控層的運(yùn)行，因此調(diào)控中心的調(diào)度自動化系統(tǒng)不受影響。但是此類信號降低了站控層網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，存在全站失去監(jiān)控的可能，需要立刻處理。

站控層網(wǎng)絡(luò)異常的常見原因有：

（1）裝置物理網(wǎng)卡 MAC地址沖突，在調(diào)試和運(yùn)行中均可引起ARP（Address Resolution Protocol）風(fēng)暴，影響網(wǎng)絡(luò)上所有裝置。

（2）IP地址沖突，在調(diào)試和運(yùn)行過程中，后臺的ARP更新后會向另外一臺相同IP的裝置發(fā)起連接，影響相同IP地址的幾臺裝置。

（3）交換機(jī)被環(huán)接，一封或幾封經(jīng)過交換機(jī)的報文會在網(wǎng)絡(luò)中循環(huán)，引起網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，影響接收報文的幾臺裝置。

（4）網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴發(fā)生期間，裝置CPU資源被網(wǎng)絡(luò)任務(wù)占用，處于假死狀態(tài)，此時裝置的雙網(wǎng)均失效。

（5）裝置網(wǎng)口和網(wǎng)線異常。

2）故障處理

站控層通道通信異常信號的處理：由于經(jīng)過了調(diào)試和驗收，現(xiàn)場通信異常通常與線路損壞或者交換機(jī)故障所致，應(yīng)該首先對光纜線路及站控層和過程層交換機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行檢查。經(jīng)過運(yùn)維人員現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)，站控層II區(qū)交換機(jī)故障，影響了站控層信息的傳輸。故障交換機(jī)經(jīng)過廠家調(diào)試后恢復(fù)正常，后臺機(jī)報警信號消失。

2.3間隔層通道通信異常信號及現(xiàn)象

220kV赤城站某次現(xiàn)場故障信號為：“220kV母線保護(hù)A GOOSE 4 A網(wǎng)鏈路中斷動作”、“220kV母線保護(hù)A SV總告警 動作”、“220kV母線保護(hù)A 第2組 SV 線路 2鏈路中斷動作”等信號。間隔層GOOSE指面向?qū)ο笞冸娬臼录?，SV指電壓、電流采集量信號。

現(xiàn)場檢查保護(hù)裝置發(fā)現(xiàn)，220kV線路保護(hù)正常，母線保護(hù)的A套保護(hù)裝置報警燈亮。

2.4間隔層網(wǎng)絡(luò)鏈路中斷信號分析［4-5］

圖2為220kV線路單套保護(hù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，保護(hù)裝置與合并單元和智能終端為“直采直跳”模式，保護(hù)裝置直接從合并單元接收 SV采集信號，從智能終端獲取刀閘和開關(guān)的位置，并直接向智能終端發(fā)出跳合閘命令。同時，同一網(wǎng)絡(luò)中的 SV信號也傳至 SV網(wǎng)絡(luò)，并通過網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至母線保護(hù)裝置，母線保護(hù)裝置根據(jù)這些信號進(jìn)行故障判斷。變壓器測控裝置從GOOSE和SV A、B網(wǎng)同時獲取采集量和位置信息，并通過 GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸命令信號。

圖2　線路保護(hù)實現(xiàn)方案

1）故障分析

這些現(xiàn)場信號表明，該220kV變電站的A套母線保護(hù)已經(jīng)失去對母線的保護(hù)作用，需要申請調(diào)度立即退出該套保護(hù)并進(jìn)行故障查找。

常見過程層網(wǎng)絡(luò)異?，F(xiàn)象及原因如下。

（1）網(wǎng)絡(luò)環(huán)接后引起的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

（2）光纖熔接頭或者插頭等位置異常，引起鏈路中斷。

（3）戶外柜安裝的裝置由于工作溫度過高引起的報文收發(fā)異常。

（4）光纖出現(xiàn)折斷現(xiàn)象。

根據(jù)以上可能發(fā)生故障的原因進(jìn)行逐條查找，發(fā)現(xiàn)并沒有產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，而且戶外柜溫度適宜，不影響運(yùn)行。

2）故障處理

在對光纖通道的檢查時，發(fā)現(xiàn)220kV母線保護(hù)的A套同現(xiàn)場智能終端間的光纖連接中斷，確認(rèn)原因為光纖損壞影響了鏈路。SV中斷的原因同樣為母線保護(hù)裝置同母線合并單元之間光纖損壞造成的。

因此，現(xiàn)場出現(xiàn)GOOSE、SV斷鏈信號時，應(yīng)該立即確認(rèn)光纖通道正常，否則一旦線路發(fā)生故障將會造成事故擴(kuò)大。在現(xiàn)場施工過程中，應(yīng)該加強(qiáng)對光纖和光纖頭的保護(hù)，避免留下安全隱患。運(yùn)維人員在巡視過程中也需要對電纜溝加強(qiáng)巡視，及時發(fā)現(xiàn)以避免小動物侵害。

3 運(yùn)維人員的應(yīng)對與措施

智能變電站網(wǎng)絡(luò)模式的變化以及新技術(shù)的普遍采用，對運(yùn)維人員提出了新的挑戰(zhàn)。運(yùn)維人員必須在以下方面進(jìn)行提高，才能適應(yīng)目前運(yùn)維模式的轉(zhuǎn)變。

（1）提高分析和決策能力；隨著變電站智能化程度的進(jìn)一步提高，可以提供豐富的現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行狀況，甚至能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的分析判斷，這就要求運(yùn)維人員能夠快速反應(yīng)，正確分析，采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對策略。

（2）加強(qiáng)培訓(xùn)，提高智能化變電站的知識水平；IEC61850的應(yīng)用使變電站成為了一個一體化信息平臺，不同廠家、不同型號的智能設(shè)備實現(xiàn)了相互通信和互操作，改變了原來的網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)，形成了三層兩網(wǎng)模式，帶來了新的概念和術(shù)語，如GOOSE、SV等術(shù)語，故障報文也與原來不同，如GOOSE斷鏈、SV采樣異常、對時異常等，由此還產(chǎn)生了一些新的二次設(shè)備，如合并單元、過程層交換機(jī)、設(shè)備安全防護(hù)裝置等。

（3）不斷總結(jié)，提高運(yùn)維水平；運(yùn)維人員應(yīng)該對出現(xiàn)的問題及時總結(jié)歸納，從中發(fā)現(xiàn)智能變電站日常巡視和維護(hù)中的不同，提高運(yùn)維水平，保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

智能變電站出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信故障時，應(yīng)立即查明與之相關(guān)的保護(hù)裝置信號、智能單元信號及交換機(jī)狀態(tài)，結(jié)合其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析故障原因。排除光纖損壞和裝置故障后，保護(hù)人員可采用網(wǎng)絡(luò)分析儀等裝置抓取報文查找故障。本文分析了智能變電站兩種典型通信故障的產(chǎn)生原因和危害，提出了解決方案和應(yīng)對措施，給智能變電站的運(yùn)行和維護(hù)提供了思路。

［1］曹團(tuán)結(jié)，黃國方. 智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)與應(yīng)用［M］. 北京：中國電力出版社，2013.

［2］國家電網(wǎng)公司. Q/GDW 441—2010. 智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范［M］. 北京：中國電力出版社，2010.

［3］王同文，謝民，孫月琴，等. 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析［J］. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43（6）：58-66.

［4］許潔，陸劍云，王崢. 智能變電站運(yùn)行過程中若干問題的探討［J］. 華東電力，2014，42（12）：2644-2647.

［5］李國平，王江艷，延建志. 智能變電站二次設(shè)備運(yùn)行維護(hù)分析［J］. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（30）：179.

Analysis of the Network Communication Faluts for Smart Substation

Hao Changduan Liu Yu Chen Shuguo
（Power Supply company of Xinyang，xinyang，He’nan 464000）

The network structure for smart substation can be divided into substation control layer、bay level and Process Level. Monitoring and protection of the substation may be lost when its network communication interrupts. This passage analyzes two typical problems of the substation network，summarizes the causes and provides solution methods to give

for daily work of operation and maintenance.

smart substation； network structure； MMS； GOOSE； SV

郝長端（1987-），男，碩士，工程師，從事變電運(yùn)行與維護(hù)工作。