一種數(shù)字化繼電保護(hù)裝置即插即用系統(tǒng)的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

張瑩，李穎毅，盛海華，方天宇，白云，凌特利

（1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.浙江省電力公司，杭州 310007）

0 引 言

近年來(lái)，國(guó)家在智能變電站建設(shè)的投資規(guī)模不斷增加，智能變電站的數(shù)字化保護(hù)裝置快速增加，數(shù)以千計(jì)的智能變電站完成建設(shè)并投入運(yùn)行，不可避免的問(wèn)題是，智能設(shè)備的配置差異性也很大，這在一定程度上增加了智能變電站智能設(shè)備工程維護(hù)的工作量。另一方面，智能設(shè)備插件內(nèi)部目標(biāo)程序、工程配置和定值參數(shù)等多種數(shù)據(jù)信息同時(shí)并存，每個(gè)插件由硬件、固件（類(lèi)似于操作系統(tǒng)+保護(hù)程序）、配置文件（描述虛擬二次回路）等三層構(gòu)成，特別是CID、CCD等配置文件對(duì)應(yīng)于每個(gè)裝置實(shí)例而言具有很大差異性，多模塊之間需要相互配合才能實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的正常工作，正所謂牽一發(fā)而動(dòng)全身。多樣化的組成和配合給智能變電站運(yùn)維帶來(lái)了前所未有的困難，而運(yùn)維人員的經(jīng)驗(yàn)水平參差不齊，由配置整定錯(cuò)誤影響保護(hù)正確動(dòng)作的事情時(shí)有發(fā)生，給電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重隱患［1］。

如何在插件更換時(shí)提供一種簡(jiǎn)單可靠的運(yùn)維方法，是一個(gè)亟待解決的難題［2］。

針對(duì)數(shù)字化繼電保護(hù)裝置文件配置復(fù)雜，插件更換困難的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種由配置管理主站和手持部署終端組成的智能變電站繼電保護(hù)裝置即插即用系統(tǒng)。用于數(shù)字化繼電保護(hù)裝置運(yùn)維的即插即用系統(tǒng)。即插即用系統(tǒng)依托于裝置PNP文件構(gòu)建技術(shù)、一鍵自動(dòng)備份/恢復(fù)技術(shù)、配置管理主站的備份管理技術(shù)和數(shù)據(jù)一致性校驗(yàn)技術(shù)，在智能變電站運(yùn)維中實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化繼電保護(hù)裝置插件更換的即插即用，簡(jiǎn)化了運(yùn)維手段，提高了運(yùn)維效率，保證了運(yùn)維質(zhì)量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，即插即用系統(tǒng)由配置管理主站、Web終端、手持部署終端和繼電保護(hù)裝置共同組成。

圖1 即插即用系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 Structure diagram of plug and play system

即插即用系統(tǒng)工作步驟如下：

（1）首先面向智能變電站在配置管理主站上構(gòu)造全站繼電保護(hù)裝置的實(shí)例，明確每個(gè)繼電保護(hù)裝置所屬的間隔、產(chǎn)品型號(hào)和設(shè)備身份代碼，形成智能變電站工程配置文件；

（2）在智能變電站完成調(diào)試準(zhǔn)備投運(yùn)時(shí)，使用手持部署終端，對(duì)全站的繼電保護(hù)裝置逐一進(jìn)行整箱數(shù)據(jù)備份，具體方法是先掃描裝置上的設(shè)備身份代碼電子標(biāo)簽，結(jié)合全站工程配置文件，確定裝置型號(hào)和裝置實(shí)例，然后通過(guò)以太網(wǎng)連接裝置調(diào)試口，對(duì)部署在裝置各插件中的目標(biāo)程序、工程配置以及定值參數(shù)進(jìn)行一鍵自動(dòng)備份，整個(gè)備份過(guò)程是直觀可見(jiàn)的，生成備份文件時(shí)同步計(jì)算其MD5碼，作為備份文件一致性的依據(jù)；

（3）在完成全站裝置的整箱數(shù)據(jù)備份后，將全站裝置的備份文件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)一并提交到配置主站進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。如圖1第2步，運(yùn)維人員可以通過(guò)Web方式登錄配置主站，對(duì)全站裝置的備份文件進(jìn)行查看和管理，例如查看每個(gè)備份文件的提交時(shí)間、所含內(nèi)容、軟件版本、定值參數(shù)等信息，確保裝置備份文件對(duì)運(yùn)維人員是透明的?？煽氐模鐖D1第3步；

（4）當(dāng)裝置發(fā)生故障需要進(jìn)行插件更換時(shí)，運(yùn)維人員先使用手持部署終端，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)從配置管理主站下載全站的備份文件，到達(dá)變電站現(xiàn)場(chǎng)后，先用同型號(hào)的備用插件更換掉故障插件，系統(tǒng)自動(dòng)選擇故障裝置的備份文件，做到備份文件的選擇防誤；并對(duì)選擇的裝置備份文件再次進(jìn)行MD5計(jì)算，與備份文件自帶的MD5碼進(jìn)行一致性比對(duì)［3］，確保裝置備份文件是安全可靠的。完成一致性比對(duì)后，連接裝置調(diào)試口，依據(jù)備份文件中的目錄清單，對(duì)裝置進(jìn)行整箱數(shù)據(jù)恢復(fù)，也可以選擇只恢復(fù)故障插件的數(shù)據(jù)。在恢復(fù)過(guò)程中，每完成一個(gè)數(shù)據(jù)模塊的寫(xiě)入，都要對(duì)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行一致性校驗(yàn)，確保每個(gè)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)模塊是正確的，在完成裝置所有數(shù)據(jù)模塊的恢復(fù)寫(xiě)入后，更換插件后的裝置數(shù)據(jù)與裝置投運(yùn)前的數(shù)據(jù)就完全一致了，重新上電后，裝置即可投入使用，無(wú)需重新實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而達(dá)到裝置插件更換的即插即用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

整個(gè)即插即用系統(tǒng)主要包括四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：PNP文件目錄庫(kù)的建立、數(shù)據(jù)無(wú)損校驗(yàn)技術(shù)、裝置的通信控制連接和信息作業(yè)流程處理。下面逐一進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 PNP文件目錄庫(kù)的建立方法

手持終端對(duì)裝置文件進(jìn)行解析，其基于物理裝置--＞插件--＞文件--＞配置的層次結(jié)構(gòu)建立樹(shù)形視圖，最終形成一個(gè)包含裝置內(nèi)各項(xiàng)軟件信息的文件包。文件包可以將屬于單塊插件的程序和配置文件通過(guò)特定的目錄結(jié)構(gòu)組織進(jìn)行安全壓縮［4］。文件結(jié)構(gòu)如圖2所示，裝置以插件分層，插件信息欄下包含了本插件所有信息數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中所含的數(shù)據(jù)特征描述信息包括文件名稱(chēng)、文件大小、最后備份時(shí)間、文件存在標(biāo)識(shí)、讀取數(shù)據(jù)用戶(hù)名、讀取數(shù)據(jù)用戶(hù)密碼和文件md5校驗(yàn)碼，另外還可通過(guò)數(shù)據(jù)特征描述信息確定文件的存取讀取路徑和裝置身份識(shí)別認(rèn)證［5］。軟件包將每個(gè)插件進(jìn)行關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)的方式形成一個(gè)層次化的數(shù)據(jù)管理文件，該文件可用于條件查詢(xún)、提交、分發(fā)等功能，例如當(dāng)需要讀寫(xiě)該數(shù)據(jù)時(shí)，可通過(guò)數(shù)據(jù)特征描述信息查看其讀寫(xiě)方式是Ftp、MMS或者是其他規(guī)約，通過(guò)該種目錄構(gòu)造可更方便的實(shí)現(xiàn)裝置信息讀取或存儲(chǔ)［6-7］。當(dāng)裝置或者插件信息損壞需要更換時(shí)，手持部署終端通過(guò)文件包內(nèi)的身份識(shí)別標(biāo)識(shí)在管理服務(wù)器中找到正確的軟件配置信息包并一鍵傳輸?shù)窖b置中。

2.2 數(shù)據(jù)無(wú)損校驗(yàn)

即插即用系統(tǒng)在備份/恢復(fù)的操作過(guò)程中保證裝置文件不會(huì)被破壞是即插即用系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)。為保障裝置PNP文件目錄的完整性和正確性，配置管理系統(tǒng)采用物理隔離和冗余備份，確保全站智能設(shè)備的PNP文件不會(huì)被破壞。系統(tǒng)通過(guò)四重校驗(yàn)保證數(shù)據(jù)無(wú)損性。

圖2 手持部署終端系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖Fig.2 Logic structure diagram of handheld terminal deployment system

（1）在一鍵備份過(guò)程中，手持部署終端加載裝置的PNP文件目錄，依據(jù)文件目錄中描述的數(shù)據(jù)模塊及其特征信息，通過(guò)裝置調(diào)試口逐個(gè)讀取裝置的數(shù)據(jù)模塊。每讀取完一個(gè)數(shù)據(jù)模塊，都要計(jì)算其MD5校驗(yàn)碼，并與裝置中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)模塊的MD5校驗(yàn)碼進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)一致方能認(rèn)為該數(shù)據(jù)模塊讀取成功，并將該MD5碼作為特征信息記入PNP文件目錄中。加載MD5校驗(yàn)碼算法示意圖如圖3所示，其本質(zhì)是將數(shù)據(jù)組合成128位的二進(jìn)制代碼；

圖3 MD5算法示意圖Fig.3 Schematic diagram of MD5 algorithm

（2）在逐個(gè)插件、逐個(gè)模塊完成數(shù)據(jù)讀取后，再依據(jù)PNP文件目錄對(duì)讀取到的全部數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行完整性檢查，確保沒(méi)有數(shù)據(jù)模塊被遺漏；

（3）所有讀取到數(shù)據(jù)模塊以及PNP文件目錄進(jìn)行壓縮打包的過(guò)程中，系統(tǒng)進(jìn)行算法加密，以確保打包后的PNP文件不會(huì)輕易地被破壞；

（4）當(dāng)同型號(hào)的備用裝置更壞掉故障裝置時(shí)，將選擇的裝置備份文件再次進(jìn)行MD5碼計(jì)算，與備份文件自帶的MD5碼進(jìn)行一致性比對(duì)，正確無(wú)誤后才連接裝置調(diào)試口進(jìn)行文件恢復(fù)。這樣整箱恢復(fù)后的智能設(shè)備不需要重新配置和試驗(yàn)，即可投入運(yùn)行，做到即插即用。

通過(guò)以上四重加密校驗(yàn)，保證了裝置PNP文件在配置管理系統(tǒng)中的無(wú)損電子流轉(zhuǎn)。

2.3 系統(tǒng)通信控制連接

在即插即用系統(tǒng)中，繼電保護(hù)裝置提供數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的通信傳輸方式、特征信息、并在數(shù)據(jù)目錄清單中說(shuō)明，例如以103規(guī)約通用分類(lèi)傳輸；CID文件以ftp傳輸，清單中說(shuō)明文件的位置、大小、用戶(hù)等特征信息［8-10］。為了適應(yīng)繼電保護(hù)裝置的接口多樣化，即插即用系統(tǒng)應(yīng)具備多種通信能力，因此對(duì)手持部署終端的設(shè)計(jì)應(yīng)全面支持目前主流廠家生產(chǎn)的繼電保護(hù)裝置通訊連接，其應(yīng)能夠廣泛兼容智能設(shè)備的通信組件，如光纖、以太網(wǎng)、RS232、RS485、USB、CANBUS等通信模塊。如圖4所示為手持部署終端系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖。

圖4 智能設(shè)備文件目錄構(gòu)架圖Fig.4 Structure diagram of intelligent device file directory

手持終端以安卓4.0為操作系統(tǒng)，基于操作方便、過(guò)程透明、安全可靠的設(shè)計(jì)原則，面向智能設(shè)備整箱數(shù)據(jù)部署進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。另外由于手持部署終端用于現(xiàn)場(chǎng)操作，人機(jī)交互的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量便于工作人員攜帶操作，手持部署終端的人機(jī)顯示界面主要分為通用功能顯示、數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)視顯示、業(yè)務(wù)調(diào)度信息顯示三部分。由于菜單模式僅適用于桌面PC而非手持設(shè)備，因此部署終端采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行界面展示。

2.4 信息作業(yè)流程處理

即插即用系統(tǒng)中首要任務(wù)便是加載解析智能設(shè)備的文件目錄，能夠自動(dòng)批量地讀取智能設(shè)備部署在各插件中的數(shù)據(jù)模塊，并在讀取過(guò)程中同步進(jìn)行數(shù)據(jù)一致性校驗(yàn)，待完成所有模塊的讀取后，將讀取到的數(shù)據(jù)內(nèi)容打包生成一個(gè)備份文件，完成智能設(shè)備的“一鍵自動(dòng)備份”，在智能設(shè)備生產(chǎn)調(diào)試或插件更換時(shí)，手持部署終端通過(guò)加載智能設(shè)備的備份文件，將備份文件中的所有數(shù)據(jù)模塊自動(dòng)恢復(fù)到智能設(shè)備各插件的指定位置，在逐一寫(xiě)入數(shù)據(jù)模塊的過(guò)程中同步進(jìn)行數(shù)據(jù)一致性校驗(yàn)，確保寫(xiě)入的數(shù)據(jù)內(nèi)容與備份文件完全一致，完成智能設(shè)備的“一鍵自動(dòng)恢復(fù)”，備份和恢復(fù)的流程如圖5所示。

圖5 即插即用系統(tǒng)一鍵備份/恢復(fù)流程圖Fig.5 Flow chart of backup/restore process in plug and play system

在數(shù)據(jù)恢復(fù)過(guò)程中需要注意的是，對(duì)恢復(fù)完成的判斷是進(jìn)行差異化對(duì)比，若有差異時(shí)系統(tǒng)判斷數(shù)據(jù)沒(méi)有下裝成功，此時(shí)進(jìn)行差異化文件逐個(gè)比對(duì)重新下裝，一致性比對(duì)完全一致時(shí)才能判斷部署結(jié)束。

3 工程實(shí)現(xiàn)

面向廠站建立即插即用工程管理及應(yīng)用流程如圖6所示。

圖6 工程管理示圖Fig.6 Schematic diagram of engineering management

首先需要面向全站保護(hù)裝置類(lèi)型定義文件目錄清單，并且面向廠站定義配置管理工程示例。該示例可對(duì)PNP文件內(nèi)容瀏覽版本、定值、文件。智能設(shè)備目錄文件如圖7所示。

圖7 PNP目錄文件Fig.7 PNP catalog file

從圖7中可看到裝置中按照板卡將所有文件進(jìn)行層次化處理，并可看到每個(gè)文件的相關(guān)信息。

當(dāng)所有裝置全部調(diào)試好后實(shí)驗(yàn)人員逐個(gè)克隆裝置信息并生成PNP文件并提交全站智能設(shè)備PNP文件到配置主站。更換新裝置時(shí)選擇下載智能設(shè)備PNP文件、更換故障插件、恢復(fù)裝置數(shù)據(jù)信息到新更換插件上?；謴?fù)過(guò)程中既可以選擇整裝置恢復(fù)，也可以選擇單項(xiàng)板卡恢復(fù)，整個(gè)恢復(fù)過(guò)程可從手持部署終端上看到，如圖8中進(jìn)行高壓線路保護(hù)裝置數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)，裝置分為人機(jī)接口板卡、數(shù)字接口板卡和保護(hù)板三個(gè)板卡，可選擇數(shù)字接口單板卡數(shù)據(jù)文件恢復(fù)。另外實(shí)驗(yàn)人員也可通過(guò)手持部署終端對(duì)裝置定值參數(shù)進(jìn)行查閱修改，進(jìn)一步提高檢修效率。定值修改界面如圖9所示。

圖8 可視化恢復(fù)過(guò)程視圖Fig.8 Visual recovery process view

圖9 手持部署終端定值修改界面Fig.9 Change interface of fixed value in handheld deployment terminals

考慮到每個(gè)智能變電站有數(shù)十個(gè)數(shù)字化繼電保護(hù)裝置，每個(gè)運(yùn)維單位又同時(shí)管理著數(shù)十個(gè)變電站，因此在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)置獨(dú)立的PNP文件服務(wù)器，按照變電站、間隔、裝置的層次結(jié)構(gòu)對(duì)裝置的PNP文件進(jìn)行管理。智能變電站投運(yùn)前備份的裝置PNP文件，應(yīng)上傳到服務(wù)器進(jìn)行管理［11-12］。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化繼電保護(hù)裝置因插件故障引起的運(yùn)維消缺中，即插即用系統(tǒng)使用了裝置PNP文件目錄構(gòu)造技術(shù)、一鍵自動(dòng)備份恢復(fù)技術(shù)和數(shù)據(jù)一致性校驗(yàn)技術(shù)的即插即用方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)繼電保護(hù)保護(hù)裝置復(fù)雜配置的一鍵自動(dòng)備份和恢復(fù)，達(dá)到了故障插件更換的即插即用。這不僅簡(jiǎn)化了運(yùn)維手段，還提高了運(yùn)維的質(zhì)量和效率。