可自動(dòng)配置的智能變電站通信設(shè)備應(yīng)用與研究

王國(guó)海 宋源淵

摘要：近年來(lái)，智能變電站建設(shè)實(shí)現(xiàn)了智能一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備之間的信息共享和互操作，從而使得通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)劇增，管理和配置數(shù)據(jù)愈發(fā)復(fù)雜和重要，一定程度上增加了工程部署和運(yùn)維的工作難度。為解決通信網(wǎng)絡(luò)配置復(fù)雜、管理不透明的問(wèn)題，文章提出一種可自動(dòng)配置的通信設(shè)備，利用該設(shè)備能夠自動(dòng)規(guī)劃通信信道，提供可靠的業(yè)務(wù)流管理。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明了該方案的有效性和可行性，能夠提高智能變電站的運(yùn)行靈活性和管理可靠性。

關(guān)鍵詞：智能變電站;自動(dòng)化配置;IEC61850;電力專用交換機(jī)

中圖分類號(hào)：TM63;TM76 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1672-9129（2018）15-0072-02

Abstract： in recent years， the construction of intelligent substation has realized the information sharing and interoperability between intelligent primary equipment and networked equipment， which makes the business of communication network increase sharply， the management and configuration data become more complex and important， and to some extent increases the difficulty of project deployment and operation. In order to solve the problems of complex configuration and opaque management of communication network， this paper proposes an automatic configuration communication device， which can automatically plan communication channel and provide reliable traffic management. The experimental results show that the scheme is effective and feasible， and can improve the operation flexibility and management reliability of intelligent substation.

Keywords： intelligent substation; automatic configuration; IEC61850; power

引言：通信設(shè)備在智能變電站中承擔(dān)著關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾巧珔s游離于整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)體系之外，導(dǎo)致通信設(shè)備的工作信息以及承載的網(wǎng)絡(luò)工況不能有效集成到自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)。針對(duì)這種情況，本文提出對(duì)基于變電站配置描述（Substation Configuration Description，SCD）文件自動(dòng)化配置通信設(shè)備在智能變電站中的應(yīng)用進(jìn)行研究，遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，為智能變電站的通信系統(tǒng)提供良好的時(shí)間同步性能、自動(dòng)化應(yīng)用感知和智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）建模等功能，構(gòu)建實(shí)時(shí)、互動(dòng)、開(kāi)放、靈活的通信網(wǎng)絡(luò)，提高智能變電站和智能電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平。

1 智能變電站通信現(xiàn)狀分析

目前網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備主要具備以下3種技術(shù)：直通交換方式、碎片隔離方式和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式，其中存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式是網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域使用最為廣泛的技術(shù)。智能變電站繼電保護(hù)網(wǎng)絡(luò)通信信息轉(zhuǎn)發(fā)多采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)通過(guò)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式實(shí)現(xiàn)信息的交互。但由于交換機(jī)采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸機(jī)制，從理論上來(lái)說(shuō)存在傳輸延時(shí)的不確定性，同時(shí)考慮到交換機(jī)在電力工業(yè)環(huán)境下的可靠性問(wèn)題，因此在智能變電站網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵業(yè)務(wù)采用直采直跳的方式;通過(guò)廣播風(fēng)暴抑制措施能夠很大程度上避免廣播風(fēng)暴所帶來(lái)的危害，但在一些特定情況下依然會(huì)導(dǎo)致廣播風(fēng)暴的出現(xiàn)，給智能變電站帶來(lái)安全隱患。隨著新一代智能變電站“三層一網(wǎng)”、“共網(wǎng)共口”應(yīng)用的提出，傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)面臨新的挑戰(zhàn)。

1）傳輸路徑模糊。傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換方式，通過(guò)廣播洪泛建立數(shù)據(jù)通信路徑，業(yè)務(wù)傳輸過(guò)程未知且不可控。

2）依賴外部數(shù)據(jù)同步。采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式的傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)交換時(shí)延不確定，在網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的情況下可能會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)延遲嚴(yán)重甚至不可用。

3）管理維護(hù)復(fù)雜。需要進(jìn)行間隔劃分和虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network，VLAN）配置，工作量大，可靠性低。

4）服務(wù)能力不足。無(wú)法區(qū)分業(yè)務(wù)，QoS服務(wù)是基于端口的粗略服務(wù)，單業(yè)務(wù)故障將會(huì)影響全端口。

2 自動(dòng)配置應(yīng)用基礎(chǔ)

SCD文件是符合變電站配置語(yǔ)言 （Substation Configuration Language，SCL）規(guī)范的全站唯一的系統(tǒng)配置文件，描述了智能變電站內(nèi)所有智能設(shè)備（IED）的實(shí)例配置和通信參數(shù)、IED設(shè)備之間的通信配置以及變電站一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、信號(hào)聯(lián)系信息等，因此該文件對(duì)于智能變電站業(yè)務(wù)管理和配置具有全局的指導(dǎo)意義。通過(guò)解析SCD文件，可以提取出智能變電站中的業(yè)務(wù)通信和保護(hù)設(shè)備、智能終端的信息路徑以及業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系。

智能變電站中面向通用對(duì)象的變電站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）、采樣值（Sampled Measurement Value，SMV）是智能變電站中最重要的通信數(shù)據(jù)，無(wú)論是GOOSE業(yè)務(wù)還是SMV業(yè)務(wù)，其應(yīng)用標(biāo)識(shí)（APPID）是唯一的，從SCD文件中提取GOOSE和SMV數(shù)據(jù)集，可分析各個(gè)IED設(shè)備之間的通信屬性，并將業(yè)務(wù)的APPID和設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)。當(dāng)IED設(shè)備與具有自動(dòng)化配置的通信設(shè)備通信時(shí)，通信設(shè)備通過(guò)檢測(cè)包頭中APPID信息即可感知IED設(shè)備的通信狀態(tài)，并通過(guò)SCD文件中該業(yè)務(wù)的通信路徑邏輯，自動(dòng)為該信息分配合適的轉(zhuǎn)發(fā)策略，并將該信息通過(guò)相應(yīng)的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1SCD文件的解析和提取。SCD文件描述了變電站各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)流向，特別是IEC61850—2009對(duì)變電站通信設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)有了更詳細(xì)的擴(kuò)充，使得基于SCD的全站通信狀態(tài)監(jiān)控和配置具備可操作性。通過(guò)解析SCD文件（見(jiàn)圖1），分析出智能變電站中各個(gè)間隔IED設(shè)備信息，通過(guò)IED設(shè)備通信能力描述，提取出變電站通信網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓?fù)浜蛯?duì)應(yīng)關(guān)系，以服務(wù)的方式監(jiān)聽(tīng)變電站全站智能設(shè)備的上線信息。當(dāng)智能設(shè)備首次上線并與具有自動(dòng)化配置的通信設(shè)備通信后，通信設(shè)備就可以根據(jù)智能設(shè)備攜帶的設(shè)備描述信息，查找在SCD文件中對(duì)應(yīng)的通信線路對(duì)應(yīng)關(guān)系，自動(dòng)為該智能設(shè)備分配通信路徑，并能夠根據(jù)SCD文件中的業(yè)務(wù)描述信息，自動(dòng)配置規(guī)劃VLAN等信息并給予該業(yè)務(wù)合適的帶寬和優(yōu)先級(jí)保障。

SCD文件描述了變電站內(nèi)所有繼電保護(hù)相關(guān)對(duì)象（合并單元、智能單元、保護(hù)元件）的重要外部特征，其中包括開(kāi)入和開(kāi)出信息，以及這些對(duì)象間開(kāi)入/開(kāi)出信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即虛擬二次回路。

通過(guò)分析SCD文件中GOOSE/SMV的“發(fā)布—訂閱”關(guān)系，可得到變電站的虛擬二次連線。具有自動(dòng)化配置能力的通信設(shè)備通過(guò)專用管理軟件對(duì)SCD文件進(jìn)行解析，形成業(yè)務(wù)和端口的通信映射表，通過(guò)CPU將該映射表下發(fā)并存放于通信設(shè)備的內(nèi)存中，在業(yè)務(wù)進(jìn)行通信時(shí)候，CPU將進(jìn)行查表對(duì)比，自動(dòng)分配業(yè)務(wù)通信路徑。通信路徑自動(dòng)生成如圖2所示。

通過(guò)對(duì)SCD文件進(jìn)行解析，可以得到業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系表，可以預(yù)知每個(gè)IED設(shè)備的發(fā)送/接收?qǐng)?bào)文的通信流量、網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文的種類和每種報(bào)文的流量、報(bào)文之間的優(yōu)先級(jí)關(guān)系、每種報(bào)文的正常流量以及突發(fā)流量和異常流量等重要信息。通過(guò)應(yīng)用異常報(bào)文及流量的識(shí)別與控制技術(shù)，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)可以有效隔離并定位故障設(shè)備，確保某一虛擬回路上的設(shè)備故障不會(huì)影響其他回路，同樣也可通過(guò)對(duì)特定虛擬回路網(wǎng)絡(luò)通信狀況的監(jiān)測(cè)快速定位故障設(shè)備。最后，研究繼電保護(hù)網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用方式下的報(bào)文傳輸延時(shí)、鏈路質(zhì)量、流量異常、同步狀態(tài)等的監(jiān)測(cè)及告警技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況的可視化監(jiān)控。

3.2業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)表的生成。具有自動(dòng)化配置能力的通信設(shè)備通過(guò)SCD文件解析到業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系表后，以服務(wù)的方式檢測(cè)通過(guò)設(shè)備的業(yè)務(wù)，當(dāng)檢測(cè)到發(fā)布的業(yè)務(wù)和訂閱設(shè)備消息后，以虛擬二次回路的形式建立發(fā)布/訂閱關(guān)系的通信鏈路，完成業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)，后續(xù)該業(yè)務(wù)消息的轉(zhuǎn)發(fā)持續(xù)維持該通信路徑，直至該通信路徑因設(shè)備端口接入位置改變。在智能變電站繼電保護(hù)IED設(shè)備物理端口接入位置發(fā)生改變后，通信設(shè)備將重新檢測(cè)發(fā)布的業(yè)務(wù)和訂閱設(shè)備的信息，當(dāng)再次檢測(cè)到發(fā)布的業(yè)務(wù)和訂閱設(shè)備消息后，重新以虛擬二次回路的形式建立發(fā)布/訂閱關(guān)系的通信鏈路，完成業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)。建立虛擬二次回路如圖3所示。

4 應(yīng)用測(cè)試

4.1測(cè)試內(nèi)容。

1）交換機(jī)SCD文件解析正確性測(cè)試。進(jìn)行交換機(jī)SCD文件解析正確性測(cè)試，交換機(jī)可正確解析SCD文件，并按IED提取虛端子連線。

2）報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)路徑正確性測(cè)試。報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)路徑如圖7所示， PRS7789L1設(shè)備訂閱了3條GOOSE業(yè)務(wù)1002、1003、101B。通過(guò)鏡像PRS7789L1設(shè)備的接收數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)分析儀掃描收到了2條GOOSE報(bào)文1002和1003，因線路測(cè)控裝置實(shí)際未接入，故沒(méi)有收到101B，說(shuō)明報(bào)文按照SCD規(guī)定的路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。

3）通信路徑管理測(cè)試。SV業(yè)務(wù)4004的轉(zhuǎn)發(fā)路徑是從交換機(jī)SW1的端口FE1/4進(jìn)入，從交換機(jī)SW1的端口FE1/3轉(zhuǎn)出。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)繼電保護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息配置存在的問(wèn)題，本文基于SCD文件自動(dòng)化配置通信設(shè)備，既考慮到了保護(hù)對(duì)信息交互的實(shí)時(shí)性、可靠性嚴(yán)格要求，同時(shí)兼顧虛擬二次回路的智能化特征，實(shí)現(xiàn)虛擬連線自動(dòng)配置和虛擬回路在線監(jiān)測(cè)，解決了目前智能變電站虛擬二次回路的配置、修改依賴手工方式的被動(dòng)局面，促進(jìn)了保護(hù)二次系統(tǒng)向二次智能運(yùn)維的轉(zhuǎn)變，從目前的定檢方式轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)自診斷和狀態(tài)檢修模式，實(shí)現(xiàn)二次系統(tǒng)故障或隱患的快速定位和消缺，從而極大提高了電網(wǎng)的運(yùn)行靈活性、供電可靠性，能夠?yàn)槲覈?guó)智能變電站網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推廣應(yīng)用提供支撐，提升電力技術(shù)領(lǐng)域的整體水平。

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