廣域保護系統(tǒng)中通訊設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測

田 偉，劉 更，鄭浩野，張海彬，邢智輝，曾兵元

(1.黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150090;2.江蘇金智科技股份有限公司，南京 211100)

現(xiàn)代化通訊設(shè)備在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)了變電站之間高帶寬、低延遲、穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)通訊，近幾年智能電網(wǎng)技術(shù)的突飛猛進發(fā)展，也為實現(xiàn)基于實時采樣信息的廣域保護帶來了機遇[1]。廣域保護系統(tǒng)顯著特點是能夠?qū)崿F(xiàn)實時采樣、就地跳合閘、集中保護決策，而這一切依賴的基礎(chǔ)就是各個變電站之間的實時數(shù)據(jù)通訊。廣域保護的數(shù)據(jù)通道應(yīng)具有足夠的帶寬，以保證數(shù)據(jù)不會丟失;數(shù)據(jù)的傳輸延遲要盡可能小，以滿足保護動作的時間需求[2]。

目前國內(nèi)220 kV及以上電壓等級重要變電站基本上實現(xiàn)了光纖SDH環(huán)網(wǎng)，帶寬、延遲和穩(wěn)定性都大幅提高。帶寬多為2.5 Gbps，很多地區(qū)已經(jīng)開始鋪設(shè)第二套數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)，帶寬可達到10 Gbps，碼率也大大降低[3]。廣域保護系統(tǒng)發(fā)生通訊中斷的概率比變電站系統(tǒng)大[4];主要是由于廣域保護系統(tǒng)設(shè)備分散，通訊相關(guān)環(huán)節(jié)多，涉及的技術(shù)門類多樣，而且都是串行化處理，所以需要監(jiān)視的對象繁多[5]。通過對數(shù)據(jù)的連續(xù)監(jiān)測、積累和分析，可以依據(jù)設(shè)備的特性，對設(shè)備的故障做出預(yù)判，為設(shè)備的維護提供依據(jù)，從而減少突發(fā)故障，增強系統(tǒng)的可靠運行。

1 總體方案

廣域保護系統(tǒng)的通訊主要涉及變電站內(nèi)通訊、站間通訊(SDH網(wǎng)絡(luò))和主控制室內(nèi)通訊[6]。變電站內(nèi)通訊主要包括合并單元通訊元件、智能終端通訊元件、工業(yè)交換機、站內(nèi)對時同步裝置、站內(nèi)EOS(Ethernet over SDH)設(shè)備;站間通訊主要是指SDH設(shè)備，其狀態(tài)通過SNMP協(xié)議從SDH設(shè)備上獲得;主控室設(shè)備包括EOS、交換機、GPS對時主鐘、主保護設(shè)備。對時狀態(tài)監(jiān)測是廣域保護通訊狀態(tài)監(jiān)測的特點之一，由于影響到同步采樣，監(jiān)視的對時狀態(tài)主要包括:各個設(shè)備的對時精度、各個通訊段的延遲、各個透明通訊設(shè)備的駐留時間(包括交換機)、各個通訊元件的頻率偏移、對時過程中的錯誤率和錯誤分類、各個設(shè)備的對時狀態(tài)(守時、對時)。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來講，廣域保護通訊狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)測主站和監(jiān)測子站構(gòu)成，系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 通訊狀態(tài)監(jiān)視架構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性

廣域保護通訊狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用的通道有別于數(shù)據(jù)通道，采用了專用的2 M通道來傳遞監(jiān)測數(shù)據(jù)[7]，由監(jiān)測主站和子站通過專用網(wǎng)絡(luò)接口直接連到SDH網(wǎng)絡(luò)上。

2.2 通訊監(jiān)測內(nèi)容

1)合并單元、智能終端。作為廣域保護系統(tǒng)的終端設(shè)備，其通訊狀態(tài)應(yīng)該被納入廣域保護通訊狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，這些終端設(shè)備的光纖運行情況是狀態(tài)監(jiān)測的重點。光纖收發(fā)器及與之相連接的光纖是否正常，直接關(guān)系到采樣數(shù)據(jù)的發(fā)送以及保護動作的執(zhí)行。

終端設(shè)備和交換機的光纖發(fā)送和接收功率可通過電路檢測，將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測子站，監(jiān)測子站根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行關(guān)聯(lián)配對，并計算出每一個鏈路上的光纖發(fā)送功率PnTx、接收功率PnRx、功率余度PnMargin等參數(shù)。合并單元及智能終端的對時精度依賴于與之向連接的交換機通過IEEE-1588協(xié)議計算，交換機可將每一個接口相連接的設(shè)備對時精度PnPoffset計算出來后，將數(shù)據(jù)送給監(jiān)測子站。

2)交換機。交換機的狀態(tài)監(jiān)測主要集中在數(shù)據(jù)流量PnUti、數(shù)據(jù)交換延遲PnDelay、端口的誤碼率PnErr、交換機的端口傳輸延遲 PnPdelay(對時)、PnPTime交換機的駐留時間(對時)等，以及交換機自身的參數(shù):溫度SnTemp、供電電流SnI等與其正常工作相關(guān)的數(shù)據(jù)。在交換機的監(jiān)測中，數(shù)據(jù)流量反映的是端口上單位時間內(nèi)流過的實際數(shù)據(jù)量。這個流量通常是不會變化的，但在判定某一路模擬量是否正常發(fā)送時，具有很好的參考作用。端口誤碼率(PnErr)是輔助判定某個光纖連接質(zhì)量的判斷依據(jù)，通常一個光纖連接異常時，除了接收功率出現(xiàn)變化外，誤碼率(包括丟包率)都會顯著增加。PnPdelay和PnPTime是判斷交換機作為透明設(shè)備，對網(wǎng)絡(luò)對時報文處理能力的很好判斷，通常，當(dāng)交換機處理能力下降時，PnPTime會顯著增加，從而導(dǎo)致系統(tǒng)對時異常。這是導(dǎo)致系統(tǒng)對時混亂的重要因素。

3)EOS設(shè)備。EOS設(shè)備將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到SDH網(wǎng)絡(luò)上，這個轉(zhuǎn)換過程會導(dǎo)致延遲，更為重要的是會導(dǎo)致延遲抖動。這個抖動應(yīng)該在網(wǎng)絡(luò)精確對時中扣除，否則會引起網(wǎng)絡(luò)精確對時精度降低。EOS設(shè)備可以外置，也可以和交換機放在一起，但是作為需要處理網(wǎng)絡(luò)精確對時的廣域保護系統(tǒng)，應(yīng)該集成到交換機中，以便在處理網(wǎng)絡(luò)精確對時中，將前面提到的對時抖動去除。為了方便從功能上區(qū)分，將EOS設(shè)備作為一個單獨的監(jiān)測元件。

4)對時同步裝置。在系統(tǒng)中將對時同步裝置和通訊監(jiān)測子站合在一個裝置里，但功能上是分開的。監(jiān)測子站同樣會采集對時同步裝置的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并且記錄在數(shù)據(jù)庫中。對時同步裝置監(jiān)測的主要是對時狀態(tài)PnPstatus及對時精度。對時狀態(tài)主要指對時同步裝置處于“外部對時”還是“內(nèi)部守時”狀態(tài)。對時精度主要是指對時同步裝置和控制中心GPS對時主鐘的時間偏差，這個偏差是網(wǎng)絡(luò)精確對時的關(guān)鍵指標(biāo)，也是衡量系統(tǒng)同步特性的重要指標(biāo)。

5)SDH網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視。SDH網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)主要通過SDH設(shè)備獲得，通過SNMP協(xié)議，獲取相關(guān)通道狀態(tài)，以及通道數(shù)據(jù)流量、誤碼率等數(shù)據(jù)。通道狀態(tài)主要反映數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ酪约氨O(jiān)視數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ朗欠癜l(fā)生切換，以及切換路徑。這些狀態(tài)和控制中心與變電站的數(shù)據(jù)傳輸延遲突變相對應(yīng)。SDH通道數(shù)據(jù)流量是反映通道通訊正常的重要參數(shù)。在實際運行中，通過監(jiān)視SDH數(shù)據(jù)流量，可以判斷通道的通斷。SDH通道誤碼率也是衡量通道質(zhì)量的一個指標(biāo)，誤碼率不僅僅由光纜造成，同時光纖收發(fā)器本身以及尾纖都會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

3 軟件實現(xiàn)

廣域保護通訊監(jiān)測系統(tǒng)在軟件實現(xiàn)上采用分層處理的方式。在變電站級由監(jiān)測子站負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、分類、入庫以及對上級通訊。主站負(fù)責(zé)收集各子站數(shù)據(jù)，同時將這些數(shù)據(jù)分類、存儲、分析以及上傳給SCADA系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)顯示、設(shè)置以及高級應(yīng)用[8]。

監(jiān)測子站的軟件主要包括對下數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)庫、對上輸出通訊。對下數(shù)據(jù)采集由各個通訊元件(合并單元、智能終端、交換機等)定時主動上送，或者事件觸發(fā)上送。數(shù)據(jù)的匹配歸類以設(shè)備、連接作為歸類依據(jù)，對僅和設(shè)備相關(guān)的狀態(tài)歸類到設(shè)備項目中，比如設(shè)備健康狀態(tài)、設(shè)備溫度、對時精度等;對和連接相關(guān)的數(shù)據(jù)歸類到連接項目中，比如光纖連接狀態(tài)，以及與之相對應(yīng)的光纖發(fā)送功率、接收功率、連接鏈路的數(shù)據(jù)流量、誤碼率等。子站實時數(shù)據(jù)庫用于歸類存儲這些狀態(tài)數(shù)據(jù)，按照IEC61850的數(shù)據(jù)模型對數(shù)據(jù)建模，同時根據(jù)模型將相應(yīng)的數(shù)據(jù)歸類到相應(yīng)的模型中。上通訊主要采用IEC61850通訊協(xié)議，這樣有利于與各不同廠家的系統(tǒng)互聯(lián)。IEC61850為變電站自動化系統(tǒng)定義了數(shù)據(jù)模型、通信服務(wù)、工程配置以及一致性測試規(guī)范，可以實現(xiàn)不同廠家的設(shè)備互操作。目前，IEC61850已經(jīng)被國內(nèi)外主要設(shè)備供應(yīng)商所采用。將IEC61850作為站間監(jiān)測數(shù)據(jù)的通訊規(guī)約，再作必要的擴充，如圖2所示。

圖2 子站軟件模塊圖

監(jiān)測主站的軟件設(shè)計基于數(shù)據(jù)集中、數(shù)據(jù)存儲兩大功能。監(jiān)測主站配備了大容量磁盤，用于存放歷史數(shù)據(jù)。監(jiān)測主站內(nèi)形成兩個數(shù)據(jù)庫:實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫。從各個子站上傳的數(shù)據(jù)先按照相應(yīng)的項目(設(shè)備或者連接)存儲于實時數(shù)據(jù)庫，便于SCADA系統(tǒng)顯示，同時這些數(shù)據(jù)也會存儲到監(jiān)測主站中的歷史數(shù)據(jù)庫，歷史數(shù)據(jù)庫不僅以項目歸檔，同時以時間順序存儲這些歷史數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)可以用于查看、分析、歸檔以及狀態(tài)預(yù)估等。歷史數(shù)據(jù)庫對于查看設(shè)備的運行趨勢、老化趨勢以及事故追溯具有很好的作用。主站軟件中還包含了對下的IEC61850通訊，以及對上SCADA系統(tǒng)的通訊，如圖3所示。

圖3 主站軟件模塊圖

由于歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)全部存儲在監(jiān)測主站，SCADA軟件作為系統(tǒng)的后臺軟件完全根據(jù)需求實現(xiàn)。簡單的應(yīng)用包括拓?fù)涔芾怼顟B(tài)監(jiān)視、異常告警、歷史狀態(tài)查詢等。復(fù)雜的高級應(yīng)用根據(jù)系統(tǒng)的擴大顯得尤其必要，如數(shù)據(jù)流量的對比，設(shè)備壽命預(yù)估等，對于簡化維護、減少事故非常有用。

4 數(shù)據(jù)模型

在設(shè)計系統(tǒng)軟件時，需要重點考慮監(jiān)測數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系，數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系依賴于物理網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)系，并與之相對應(yīng)。在監(jiān)測數(shù)據(jù)的命名、數(shù)據(jù)庫的存儲、后臺軟件的顯示都遵循了這樣的數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系。這種數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系類似于“高速公路”系統(tǒng)，控制中心為“首都”，各個變電站為“中心城市”，站內(nèi)的設(shè)備為“城市”，通過“數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)”將這些“城市”串起來。而整個系統(tǒng)就是以這些“高速公路”、“城市”作為監(jiān)測對象，收集、歸納、存儲、顯示數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系示意如圖4所示。

圖4 拓?fù)潢P(guān)系圖

在設(shè)計IEC61850的模型時，依據(jù)上述的分類和命名方法，在設(shè)備集合中包含多個設(shè)備的邏輯節(jié)點，每一個邏輯節(jié)點有包含自己的數(shù)據(jù)集;通過這樣的分層描述，將整個廣域保護系統(tǒng)中涉及通訊的設(shè)備詳盡地表述出來。同樣，將每一個連接也作為一個邏輯節(jié)點，在這個邏輯節(jié)點中包含的數(shù)據(jù)集也包含了所有與這個連接相關(guān)的監(jiān)視數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)實例

廣域保護系統(tǒng)研究是國家電網(wǎng)公司和黑龍江省電力有限公司的重點科技項目，所以，為了保障該項目工作正常進行，在設(shè)計和實踐的過程中，從整個廣域保護系統(tǒng)的可靠性、實用性以及推廣的需求出發(fā)，又研發(fā)了一套廣域保護通訊監(jiān)測系統(tǒng)。實踐表明，該系統(tǒng)在廣域保護系統(tǒng)設(shè)備調(diào)試過程中，實現(xiàn)了預(yù)計目的，極大地降低了調(diào)試工作量，加快了工程進度。同時在整套系統(tǒng)試運行期間，對故障定位、故障排除、設(shè)備維護也起到了很大作用。

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