一種基于交換機的智能變電站過程層監(jiān)測系統(tǒng)

白晶石 張 威 李海龍

(1. 中國能源建設(shè)集團遼寧電力勘測設(shè)計院有限公司 沈陽 110179； 2. 國網(wǎng)錦州供電公司 錦州 121000； 3. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 沈陽 110004)

1 引言

隨著社會的發(fā)展，城市建筑以及公共區(qū)域的基礎(chǔ)設(shè)施增加，人們對我國電力的需求越來越高，電力系統(tǒng)的規(guī)模也越來越大。目前我國已經(jīng)進入了第三代電網(wǎng)時代[1]，工業(yè)交換機在智能變電站過程層中得到了廣泛的應(yīng)用，工業(yè)交換機組成的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對智能變電站的可靠性和安全性具有重要的作用[2-3]。

由于電網(wǎng)規(guī)模大，電力管理員對智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)的大數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和分析需要耗費大量的精力和時間[4-6]。當某個網(wǎng)路異?；蚬收蠒r，可能造成多個相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)出異常信號，管理員要從大量的數(shù)據(jù)中分析故障原因，工作量大，效率低，無法及時排除故障[7-8]?，F(xiàn)有的智能變電站監(jiān)測系統(tǒng)無法通過平臺顯示網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，在監(jiān)測過程層交換機運行過程中，管理員無法看到其工作狀態(tài)，不能及時排查故障發(fā)出指令[9-10]。

基于上述問題，本文將交換機應(yīng)用于智能變電站監(jiān)測系統(tǒng)，進而實現(xiàn)對變電站過程層交換機網(wǎng)絡(luò)拓撲進行分析，監(jiān)測交換機運行狀態(tài)，實現(xiàn)了實時監(jiān)測和故障定位，克服了變電站監(jiān)測系統(tǒng)的弊端，對監(jiān)測點系統(tǒng)的研究具有重要的作用[11]。

2 智能變電站監(jiān)測系統(tǒng)需求

對智能變電站的基本要求是通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、全站信息數(shù)字化，為了適應(yīng)智能化變電站的發(fā)展并滿足這些基本要求，降低繼電保護系統(tǒng)的運維工作量，提高工作效率，保證過程層通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集、信息交互和程序處理的可靠性、實時性和安全性，需要選擇一個適合智能變電站過程層交換機的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)[12-13]。

承載過程層通信網(wǎng)絡(luò)的預(yù)先配置完成的數(shù)據(jù)內(nèi)容和通信關(guān)系的報文可封裝于全站系統(tǒng)配置文件(System configuration description，SCD)中，智能變電站監(jiān)測系統(tǒng)需要通過SCD 獲取預(yù)置的過程層網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，以便用于校驗，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和故障定位。在一種簡單的監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)中，主要由主站系統(tǒng)和交換機系統(tǒng)兩部分組成，如圖1 所示。監(jiān)測系統(tǒng)的功能是利用計算機的軟件顯示主站系統(tǒng)運行狀態(tài)，通過網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(Simple network management protocol，SNMP)獲取過程層網(wǎng)絡(luò)交換機的工作狀態(tài)并進行分析判斷，發(fā)出警告信號，從而實現(xiàn)對過程層網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測和故障定位，保障變電站安全[14-15]。

下面對圖1 中的主要結(jié)構(gòu)進行說明，在主站系統(tǒng)中，智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一般由兩部分組成，一個是智能電力監(jiān)測裝置(Intelligent electronic device，IED)，監(jiān)測對象一般指的是智能終端、合并單元、保護測控裝置等。其中過程層網(wǎng)絡(luò)交換機工作狀態(tài)主要由兩個報文組成，一是面向通向?qū)ο蟮淖冸娬臼录?Generic object oriented substation event，GOOSE)報文，二是采樣值(Sampled value，SV)報文。主站系統(tǒng)有預(yù)置、實際、判斷三個功能。預(yù)置功能主要通過SCD文件中的預(yù)先配置完成的過程層網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，其目的是為了對交換機的工作狀態(tài)進行校驗；在應(yīng)用時，能夠通過交換機的訪問控制列表(Access control list，ACL)按照過程層網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行；判斷功能通過實際的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和預(yù)置的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行對比，對GOOSE、SV 報文進行分析，結(jié)合交換機的工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測和故障定位[16]。

在交換機應(yīng)用中，過程層主要包括智能終端、合并單元兩個設(shè)備，過程層網(wǎng)絡(luò)交換機主要負責(zé)獲取并分析一定的GOOSE 報文、SV 報文，獲取通信鏈路狀態(tài)、各種報文流量、介質(zhì)訪問控制(Medium、access control，MAC)地址，并通過SNMP 獲取交換機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

3 交換機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

3.1 解析網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

基于上述需求分析，智能變電站的SCD 模型具備完整的過程層網(wǎng)絡(luò)拓撲模型，通過對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)模型進行分析，發(fā)現(xiàn)里面有兩種不同層面的不同結(jié)構(gòu)，分別是整體結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)[17]。

(1) 整體結(jié)構(gòu)。

整體結(jié)構(gòu)指的是交換機與交換機之間的分層級聯(lián)結(jié)構(gòu)，由于交換機之間存在著“一對多”關(guān)系的數(shù)據(jù)，利用樹形層次結(jié)構(gòu)圖布局可通過主站系統(tǒng)展示交換機整體結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

在這種結(jié)構(gòu)中，交換機以發(fā)散式的方式進行，變電站節(jié)點通過不同等級的交換機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

(2) 局部結(jié)構(gòu)。

局部結(jié)構(gòu)指的是交換機與IED 之間的連接結(jié)構(gòu)，根據(jù)相對位置關(guān)系不同，有三種不同的結(jié)構(gòu)圖，分別是上雁性、下雁行和雙雁行。該結(jié)構(gòu)簡單，易于走線，如圖3 所示。

通過這種關(guān)系，也能夠?qū)崿F(xiàn)交換機的智能變電站監(jiān)測，不同之處在于，呈現(xiàn)的交換機架構(gòu)、狀態(tài)和監(jiān)控變電站的方式不同。

3.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖的生成過程流程

基于上述分析，對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖的生成過程進行說明，通過將不同布局關(guān)系的交換機應(yīng)用到拓撲結(jié)構(gòu)圖中，構(gòu)建出智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖。其過程示意圖如圖4 所示，步驟如下。

(1) 制圖。首先需要樣式模板，用來創(chuàng)建或修改過程層網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖，以便于可視化。其次是命名樣式參數(shù)，每個過程層網(wǎng)絡(luò)都按照電壓等級和A/B 網(wǎng)絡(luò)劃分，因此過程層網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的樣式參數(shù)按以“過程層_電壓等級_網(wǎng)絡(luò)”命名。

(2) 獲取模型。根據(jù)樣式參數(shù)，通過SCD 模型獲取交換機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)關(guān)系。

(3) 計算各層布局信息。結(jié)合整體結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)，通過深度優(yōu)先遞歸算法，計算出中心交換機-間隔交換機-IED 裝置的各層布局信息。

(4) 計算頂層交換機坐標。首先排序中心交換機，再從左到右，依次計算各個中心交換機的頂層布局，最后生成“中心交換機-中心交換機”間的物理鏈路走線。

(5) 制成繪圖對象。將設(shè)備對象(端口、二次設(shè)備、連接線)的標識號(Identity document，ID)與繪圖對象建立連接。

(6) 保存畫面，以便以后對保存過的畫面進行修改。

通過網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖的生成，能夠?qū)崿F(xiàn)基于交換機的智能變電站的可視化監(jiān)測，有利于用戶遠程對智能變電站過程層進行監(jiān)控。

4 交換機網(wǎng)絡(luò)的故障關(guān)聯(lián)性規(guī)則挖掘算法

在上述監(jiān)控過程中，由于智能變電站交換機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)繁多，當變電站中的一個網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，可能造成多個網(wǎng)絡(luò)警告信號發(fā)出，需要耗費大量時間找出故障根源，效率很低。因此需要一定的規(guī)則把根源警告的網(wǎng)絡(luò)挖掘出來，按照設(shè)備影響嚴重程度，可以將異常網(wǎng)絡(luò)依次劃分為輕度警告、中度警告、重度警告，超重警告。當異常網(wǎng)絡(luò)的警告等級超過其他異常網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)被稱為故障根源。

本文提出加權(quán)的Apriori 關(guān)聯(lián)規(guī)則算法，對過程層網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的交換機進行關(guān)聯(lián)性規(guī)則挖掘，每個網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重可由網(wǎng)絡(luò)流量、裝置連接情況、交換機CPU 利用率等屬性決定[18]。權(quán)重的大小決定了該網(wǎng)絡(luò)的警告等級。關(guān)聯(lián)性規(guī)則挖掘步驟如下。

(1) 對運行工作狀態(tài)中的交換機列表進行掃描，然后根據(jù)樣式參數(shù)的排列方式，得到所有交換機的網(wǎng)絡(luò)運行參數(shù)。

(2) 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的各屬性值，如網(wǎng)絡(luò)流量、裝置連接情況、交換機CPU 利用率等，利用層次分析法計算各網(wǎng)絡(luò)加權(quán)值。

(3) 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)加權(quán)值，計算各網(wǎng)絡(luò)警告集t 的權(quán)重值，如式(1)所示

(4) 根據(jù)各網(wǎng)絡(luò)集的權(quán)重，計算各網(wǎng)絡(luò)警告的加權(quán)支持度，如式(2)所示

根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的最小支持度閾值，產(chǎn)生加權(quán)的警告頻繁k 項集。

(5) 將警告頻繁k 項集，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)加權(quán)項目集的先驗性質(zhì)，采用優(yōu)化拼接和減枝方法，產(chǎn)生警告項目的候選(k+1)項集，計算候選警告(k+1)項集的加權(quán)支持度，產(chǎn)生加權(quán)的警告頻繁(k+1)項集。

(6) 重復(fù)步驟(4)，直到無法繼續(xù)產(chǎn)生告警頻繁項目集。

通過上述方法和步驟，能夠從海量的故障變換器數(shù)據(jù)中獲取故障信息，進而獲取發(fā)生故障的變電站數(shù)據(jù)。

5 試驗結(jié)果及分析

根據(jù)Q/GDW 1845-2012《智能變電站網(wǎng)絡(luò)交換機技術(shù)規(guī)范》的要求，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的形式下對交換機的進行監(jiān)測。在試驗時，通過采用電力專用交換機組網(wǎng)進行試驗，在組網(wǎng)系統(tǒng)中，交換機根據(jù)SV和GOOSE 中的以太網(wǎng)報文標識，進而對傳輸中的數(shù)據(jù)進行解析和隔離，再根據(jù)應(yīng)用標志(APPID)和目標介質(zhì)訪問控制(MAC)地址在應(yīng)用層進行分組和隔離，使得數(shù)據(jù)僅向需要的端口轉(zhuǎn)發(fā)，從而保證了試驗過程中精確的延時控制和補償。由于交換機在故障監(jiān)測系統(tǒng)中作為中轉(zhuǎn)單元而存在，其在組網(wǎng)測試系統(tǒng)中，能夠提高組網(wǎng)測試的精度和穩(wěn)定性。因此，在試驗過程中，根據(jù)交換機應(yīng)用到智能變電站過程層監(jiān)測系統(tǒng)的誤差精度來衡量其穩(wěn)定性，如圖5 所示。

在上述試驗過程中，利用上述算法對智能配電站點的站點進行監(jiān)控，通過采用樹形層次結(jié)構(gòu)圖布局的交換機和未采用交換機的形式進行組網(wǎng)測試，再分別采用上雁性、下雁行和雙雁行的交換機布局方式和未采用交換機的形式進行組網(wǎng)測試，分別進行對比分析變電站故障監(jiān)測情況，對比數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 對比數(shù)據(jù)表

將上述數(shù)據(jù)隨時間走向匯成誤差數(shù)據(jù)圖，如圖6所示。

試驗表明，本文設(shè)計的智能變電站監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的測量精度，在200 min 時間內(nèi)，其測量誤差不超過0.2%，這使得組網(wǎng)系統(tǒng)的故障監(jiān)測效率得以大大提高。上述試驗?zāi)軌蛑庇^、動態(tài)地反映組網(wǎng)檢測過程中網(wǎng)絡(luò)的運行情況，可以通過快速的方式，高效、準確地測量出變電站檢測的故障情況。

6 結(jié)論

文中設(shè)計了一種基于不同交換機形式的智能變電站監(jiān)測系統(tǒng)，通過構(gòu)思出不同形式的交換機組網(wǎng)方式，實現(xiàn)智能變電站的故障監(jiān)測。并且利用數(shù)據(jù)挖掘算法實現(xiàn)各種組網(wǎng)誤差數(shù)據(jù)的分析，實現(xiàn)對過程層網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的交換機進行關(guān)聯(lián)性規(guī)則挖掘等。通過數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，能夠有效地實現(xiàn)每個網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重的計算。通過實現(xiàn)對過程層網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，構(gòu)思出過程層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和故障定位系統(tǒng)，有利于推動用戶對智能變電站的故障監(jiān)測，使得用戶能夠直觀、便捷地在線監(jiān)測過程層網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)，大大提高了電力系統(tǒng)自動化運維的管理水平。