數字化變電站智能設備及網絡狀態監測系統體系構建

汪 彥 金乃正 章堅民 張 亮

1.南京拓為電力科技發展有限公司；2.紹興電力局；3。杭州電子科技大學電氣工程系；4.吉林大學

引言

數字化變電站中，模擬量通過采樣值（SV）報文傳輸，狀態量和跳閘等信息通過通用面向對象變電站時間（GOOSE）報文傳輸，間隔層的聯閉鎖也通過GOOSE 方式實現；數字化變電站采用網絡通信，各設備間的交互更為頻繁、數據之間配合更為嚴密，因此通信報文的正確性、參數的合法性、時序的合理性等更為重要，因此出現了兩類相關的產品。

（1）網絡記錄儀

該類裝置主要實現對變電站網絡通信過程的偵聽、監視與記錄，用于真實記錄網絡所有可能的信號，能夠通過報文回放測試設備的功能、網絡的性能，并能復現問題。

（2）網絡通信在線故障診斷系統

對網絡記錄儀在線實時偵聽和記錄，對網絡背景類故障和應用類故障進行實時分析和告警。

本文討論面向數字化變電站智能設備及網絡狀態監測系統的體系建立。另外，無論是網絡記錄儀，還是網絡故障分析系統中必須在數字化變電站側的裝置，原則上要符合IEC61850 規范，因此本文在其信息建模和通信建模進行初步分析。

數字化變電站智能設備及網絡狀態監視系統組成及架構

系統組成

數字化變電站智能設備及網絡狀態監測系統1；從構成上講，分為變電站側智能設備及網絡狀態監測裝置和調度側的主站系統。

數字化變電站中需要狀態監測的智能設備包括MU、智能終端、保護裝置、測控裝置、數字化電能表、網絡交換機等。

從實時監視的角度，擬在主站側建立基于61850 的實時播發儀，實現與其他系統交互的界面，以及進行數據庫存儲及歷史分析的分析系統。

需要狀態監測的變電站智能設備及網絡

過程設備：（1）MU；（2）智能終端。

間隔設備：（1）保護裝置；（2）測控裝置；（3）數字化電能表。

通信設備：（1）網絡交換機。

站控設備：（1）RTU；（2）保護信息子站。

以上設備進一步抽象為（1）E-IED；（2）C-IED；（3）A-IED

智能設備及網絡狀態監測裝置

分為偵聽記錄裝置與分析轉發裝置。

偵聽記錄裝置：

該裝置以記錄所接入網絡的所有報文，并對這些報文進行：

（1）網絡正常狀態的監測：包括各IED 的語法檢測、語義檢測。

（2）網絡異常狀態的監測。

數字化變電站智能設備及網絡狀態監視的內容及功能設計

國際標準化組織（ISO）定義的開放系統互連參考模型（OSI-RM）在功能上把計算機網絡劃分成七層，通信只能發生在對等層之間，而各層采用的通信協議是各不相同的，即使是在同一層，不同的功能要求也可能采用不同的通信協議。如目前應用很廣的TCP/IP 協議棧（協議族）共分四層，即數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。

本文將其歸納為網絡支撐異常及應用異常兩種狀態；數字化變電站，按其應用報文劃分，可虛擬化為MMS網絡、GOOSE 網絡、SV 網絡；首先要進行網絡的背景層通信的異常與故障監視，在此基礎上，實現對設備通信的應用層故障診斷與排除。

所謂網絡背景層的異常與故障監視，是指網絡在變電站運行控制中的支撐作用，主要包括鏈路層、網絡背景等的故障；只有在網絡背景支撐正常的前提下，才可能有網絡的應用正常。

網絡背景層的異常情況狀態監視

1.MMS 網絡背景層異常與故障

對TCP/IP 鏈路建立與中斷、通信超時、網絡流量突變等進行監視，如TCP 握手信息、中斷時結束信息是否正確；異常中斷分析，包括窗口尺寸、確認號等。可以提出相關的指標，并按表1 進行判斷。

表1 MMS 網絡背景層異常與故障

2.GOOSE 網絡異常

在變電站配置文件中，對2 個IED 的GOOSE 傳輸存在最短傳輸時間minTime 和穩定傳輸時間maxTime 的給定值，則

表2 GOOSE 網絡背景層異常與故障

3.SV 網絡異常

對SV 網絡異常，主要根據采樣頻率計算報文流量，異常時告警。

網絡正常情況的智能設備及網絡狀態監視

（1）MMS 故障

1）通過IP 與智能設備實現關聯；

2）主要故障現象：

重點監視現象為：初始化過程中服務、數據屬性、選擇區域、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、應用層通信過程不完整、通信中斷、報文與標準通信協議不符合。

（2）GOOSE 故障

1）通過MAC 地址與智能設備實現關聯；

2）主要故障現象

重點監視現象為：保護動作事件，心跳報文中斷、初始化與SCD 文件設置通信組播不一致、記錄文件的字節數發生突變等。

（3）判別方法

1）GOOSE 報文與SCD 文件不一致；2、GOOSE 報文的符合性判斷，按IEC61850-7-2 的狀態號StNum 和序列號SqNum 分為3 種情況，檢查是否符合規律。

（4）SV 故障：

1）通過MAC 地址與智能設備實現關聯；

2）主要故障現象：

對于采用IEC61850-9-1 協議，重點分析組播地址、APPID、邏輯設備名、采樣頻率是否與配置文件一致，報文中狀態字是否異常、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，報文中計數器是否正常、發送時延是否一致等。

從以上分析，可以看出，變電站無論是網絡背景故障，還是網絡應用故障，數字變電站配置文件SCD 是作為一個主要參考，起到關鍵作用。因此，SCD 的合格性、完整性至關重要。

偵聽記錄裝置與分析轉發裝置信息建模和通信建模

從上所述，偵聽記錄裝置提供基本信息給分析轉發裝置，而分析轉發裝置與主站進行通信。

IEC 61850 是所有變電站IED 的設計規范，以滿足IED 的信息規范化和通信規范化。因此從嚴格的要求，分析轉發裝置應該IEC61850 化，即其信息模型和通信模型應遵循IEC61850 要求。

圖1 分析轉發裝置的IEC61850 信息模型和通信模型

分析轉發裝置的通信建模

IEC 61850 的IED 為服務器設計，具有客戶/服務器（C/S）和訂閱/發布（B/S）2 種模式；按照表1、表2的設計，可通過遠方建立數據集和報告模式，實現預警和告警功能。如圖1，其與主站的通信主要通過在分析轉發裝置的報告模型實現。

分析轉發裝置的信息建模

為實現分析轉發裝置的報告模型，以及為實現第2 節的功能，需要在分析轉發裝置上實現三種報文或三類生數據（RD，RAW DATA）的分析，同時對該三類生數據的解包分析，即獲取四類熟數據（CD，COOKED DATA）標準協議符合度檢測，并為告警報告提取必須的數據。

必須為6 類報告提供必須的報告模型設計，即其數據集、定值集、報告觸發機制等設計。

偵聽記錄裝置的信息建模與通信建模

偵聽記錄裝置，主要實現對網絡通信過程的偵聽和記錄，作為分析轉發裝置的數據采集前置，因此其信息建模可相對簡單，主要以MMS、GOOSE、SV 方式建立，然后通過以太轉發到分析轉發裝置。

與調度側通信與功能

現行變電站和調度通信方式還是采用IEC 60870-103和IEC 60870-104 方式，但雙端必須進行數據項的約定擴展，才能將分析轉發裝置的告警值上送調度；無法實現主站的自由配置。

將主站前置機作為客戶端實現對變電站側的分析轉發裝置的配置，可實現對分析轉發裝置進行包括數據集和報告方式的定義，可實現遠方調度側的自由配置。

調度側主站功能主要對告警信息進行分類進行詳細的分析展現，并且實現統計和報表。

結束語

上述系統的開發與建設有助于實現智能變電站自動化系統通信環節的在線智能診斷，該系統在浙江紹興電力局投運以來，對提高當前智能變電站運維水平起到了顯著作用。