基于無線網絡的智能變電站監控信息自動核對新方法

袁龍, 安琪，王建樹，高龍，楊立波，馬斌

(1.國網河北省電力有限公司， 石家莊 050000； 2.國網邢臺供電公司， 河北 邢臺 054001；3.國網保定供電公司， 河北 保定 071000)

0 引 言

變電站現有運行方式為“無人值班、遠方集中監控”模式。智能變電站站內信息點一般達數萬個之多，而調度主站業務并不需要其全部(一般每站幾千個)，設計人員將選取站內的一個或幾個信息點，作一對一或多對一合并后形成主站需監控的信息點，并用唯一主站信息對象地址進行標識，所有的監控信息點匯總后形成監控信息點表[1-3]。簡單來說，需根據調度主站給定的信息點表挑選站內信息點，而后由技術人員完成數據通信網關機的數據庫信息配置。設備運行中，數據通信網關機接收站內設備動作信息，并將與點表配置一致的信息點上送調度主站。因此，數據通信網關機數據庫點表配置是否正確，直接關系到調度監視和故障分析，是變電站投運前必須驗證的工作。而現有的核對驗證方式以人工方式為主，這極大地降低了工作效率，探索新的核對方式成為實際工程中亟待解決的問題。

1 技術現狀

1.1 智能變電站通信方式

智能變電站監控系統采用“三層兩網”結構，“三層”結構中過程層包括合并單元、智能終端等設備，間隔層包括測控、保護等設備，站控層包括監控后臺、數據通信網關機等設備，“兩網”指用于連接過程層和間隔層的過程層網絡、連接間隔層和站控層的站控層網絡，站內通信采用IEC 61850通信協議，其中間隔層設備過程層網絡以GOOSE、SV報文交互，站控層網絡以MMS報文交互[4-6]。

智能變電站以智能變電站配置描述(Substation- Configuration Description，簡稱SCD)文件描述站內所有智能電子設備(Intelligent Electronic Device，簡稱IED)的模型、參數配置及各IED間的信息連接關系。

變電站設備信息的上送過程為：過程層設備-過程層網絡-間隔層設備-站控層網絡-站控層設備，由監控后臺實現變電站站內信息監控，由數據通信網關機經調度數據網絡(連接調度主站和變電站的專用網絡)上送至調度主站控制系統(D 5000系統)，調度主站下發控制指令的過程與此相反。220 kV智能變電站典型結構如圖1所示。

圖1 智能變電站典型結構圖

數據通信網關機以MMS報文采集間隔層(測控、保護)設備信息報文，主站以104規約報文格式接收網關機上傳的數據，實現遙信、遙測、遙控和遙調(“四遙”)四類功能。104規約報文以數字編號方式來表達信息對象，工程中須檢查數據通信網關機發送的信息編號與實際設備的對應關系是否與設計約定一致，即開展遠動信息核對工作。雖然已有IEC 61850和IEC 61970模型間的對應研究，借以實現模型信息的源端維護問題，但都未達到廣泛應用程度。現階段基于104規約報文方式的研究和應用仍具有現實意義[7-9]。

1.2 傳統調試方式及存在問題

以“四遙”中遙信為例，傳統的調度信息驗證方式為：變電站和調度主站工作人員到位后，變電站工作人員按照調度下發的信息點表就地“發出”一個信號，調度主站接收并顯示網關機上送的104動作報文，調度主站和變電站工作人員通過電話方式，利用信號在特定時間內“由0到1”(信號動作)或“由1到0”(信號復歸)變化，判斷變電站實際動作的信號與調度主站接收的信號是否一致。傳統方式下，數以千計的信息點需變電站和主站兩側人員逐個人工核對，以確保信息的正確性，這種方式極大降低了人員工作效率，以一座新建220 kV變電站為例，信息點約2 000個，通常需要5～6人工作5天。在實際工程中，由于停電方式和通信光纜架設進度的影響，調度數據網絡通道的建立也往往成為制約信息核對的關鍵因素。

2 基于無線網絡的智能變電站監控信息自動調試系統架構設計和搭建方案

為解決傳統調試方式存在的問題，提出基于無線網絡技術的變電站監控信息自動調試方法，實現變電站信息點自動核對，利用無線技術打破調度數據網絡的制約[10-11]。變電站監控信息自動調試系統包括調度主站部分、變電站部分和網絡部分，系統總體物理架構設計如圖2所示。如何搭建安全穩定的無線傳輸通道，以及主子站間協議的建立成為系統的關鍵因素。

圖2 系統總體架構圖

2.1 調度主站部分

在調度主站搭建調試控制平臺，主要實現調度主站控制系統(D5000)功能模擬、主子站信息下發和自動比對、模型分析等功能。河北電力調控中心調度控制云計算平臺位于安全III區，已完成IaaS層基礎設施、PaaS層平臺服務、SaaS層應用功能的建設，實現電網模型數據的集中維護和存儲管理，調度主站系統利用調控云平臺資源為基礎搭建。

D5000測試系統主要實現調度主站控制系統功能模擬，與現有正式運行的生產控制系統(安全I區)具有相同的數據采集、模型建立、告警分析等功能，能夠接收變電站上傳的信息并進行轉發。

調試控制平臺主要實現變電站信息傳動指令下發、信息核對等功能，根據變電站信息點表下發指令給站端模擬終端，模擬終端根據指令發送需要核對的信息點至數據通信網關機，經網關機上送主站D5000測試系統，最后根據測試系統發送的信息判斷信息是否正確，并輸出調試報告。控制平臺的功能開發、各部分之間的數據傳輸規約為主站部分重點開發內容。

數據同步功能用于將經D5000測試系統驗證無誤的變電站信息同步至正式運行的D5000系統，實現由試驗態至運行態的轉變。

2.2 變電站部分

智能變電站監控系統主要包括監控后臺、測控裝置、保護裝置、網絡設備、通信網關機等設備，采用“三層兩網”結構，以智能變電站配置描述(Substation Configuration Description，簡稱SCD)文件定義通信網絡功能參數和滿足IEC 61850標準的設備模型，以遠動配置描述(Remote Configuration Description，簡稱 RCD)文件定義數據通信網關機不同通道的網絡功能參數和與調度主站交互的信息[12-13]。

RCD文件命名規則為：[變電站名]_[通道名]_[序號].rcd。包括基本信息、版本信息、合并信號信息、遙測轉發信息、遙信轉發信息、遙控轉發信息及遙調轉發信息等內容，并滿足每個遠動通道對應一個RCD文件、同一變電站的RCD文件引用的SCD文件版本一致、合并計算參與量及合并計算生成量信息應一致的要求。以遙信為例，RCD文件中信息點格式為：sn yk_no reference des alias type negative timeTag private，各字段含義如表1所示。其中reference為信息點IEC 61850路徑名，能夠唯一標識站內信息點。

表1 RCD文件中遙信結構

模擬終端能夠完成SCD、RCD文件解析，可模擬調度主站接收數據通信網關機發送的信息，也可模擬變電站間隔層設備發送信息至數據通信網關機，能夠接收調度主站的控制指令。通信架構采用C/S模式，模擬終端為服務器端，控制端為客戶端，數據傳輸采用TCP協議通信。模擬終端的各項功能和與調度主站的數據接口為重點開發內容。

2.3 網絡部分

無線網絡安全接入服務主要是實現調度主站和變電站設備通過無線方式互聯互通。網絡系統結構設計分為移動終端層、網絡安全通道層、安全接入設備層和業務系統層，利用移動網絡運營商VPDN(Virtual Private Dial Network，虛擬專有撥號網絡)業務搭建安全可靠的無線網絡通道[14]。

VPDN業務是在計算機互聯網基礎上開通的基于撥號方式的虛擬專用網絡業務。VPDN平臺采用一條VPDN專線連接調度主站與變電站的分組網PDSN(Packet Data Serving Node，分組數據服務節點)設備。VPDN采用專用的網絡加密通信協議在公共網絡上為電力建立安全的虛擬專網，變電站可從遠程經由公共網絡通過虛擬加密隧道實現和調度主站之間的網絡連接，而公共網絡上其它用戶則無法穿過虛擬隧道訪問調度主站。

如圖3所示，在調度主站部署兩臺路由器，一臺為L2TP(Layer2 Tunneling Protocol，第二層隧道協議)路由器，是用于建立調度主站和變電站之間的通道，中間使用硬件防火墻實現安全防護；一臺為4G路由器，用于和變電站設備對接。在變電站側部署一臺4G路由器，用于和調度主站設備對接。兩臺4G路由器插入物聯網卡，利用現有的專線通道和L2TP路由器搭建一條虛擬鏈路，實現調度主站和變電站之間的網絡通信。

圖3 網絡接入圖

實現VPDN業務的主要步驟為：

(1)身份認證。通常使用用戶域名做身份認證，企業需要在運營商處登記域名和賬號。用戶撥號時，輸入企業的域名后，運營商的服務器根據域名和賬號確認該用戶是否為VPDN用戶。如果是VPDN用戶，則找到企業的LNS(L2TP Network Server，L2TP網絡服務器)，建立隧道，并由LNS完成用戶的身份認證;

(2)建立L2TP協議設置的隧道。在無線傳輸方面，除了承載4G無線業務的PDSN(Packet Switched Data Network，分組交換數據網)網絡本身就是區別于互聯網的專網(PDSN專網本身就具備比互聯網更高的安全級別)，本方案使用的無線傳輸通道采用“4G+VPDN”技術，進一步加強了整個無線傳輸通道在傳輸鏈路層面上的安全性。

一旦在PDSN專網上建立L2TP隧道，整個無線數據傳輸通道實現了在數據鏈路層面的安全隔離，所有的數據都是在該隧道內進行傳輸，大大地提升了數據傳輸的安全性和保密性[15]。

3 調度主站與變電站監控信息調試過程

變電站數據通信網關機和調度主站D5000系統均完成信息數據庫配置[16]，變電站模擬終端導入SCD文件后，變電站與調度主站調試方案為：

(1)首先登錄路由器，檢查無線網絡通信狀態正常。

輸入display interface Eth-channel1/0: 0，檢查無線路由器鏈路接口狀態。

輸入display ip interface查看路由器撥號狀態。

輸入display L2TP seesion查看建立的L2TP會話狀態。

(2)網絡通信正常后，由調試控制平臺通過無線通道發送需要核對的遙測、遙信等變位指令給站端模擬終端，需要核對的信息可人工選擇全部或其中一部分。下發指令數據包格式如表2所示。

表2 指令數據包格式

應用數據playload報文格式如下：

{

“type”:10,

“cells”:[

{

“ref”:” CT2202CTRL/GSGGIO2$ST$SPCSO1$st Val”,

“pos”:”on”

}

]

}

其中，type為數據類型，“10”為遙信，“20”為遙測。cells里每個對象數組元素表示一個遙信觸發點，可以包含一個或者多個遙信點。ref為信息點reference路徑。pos為發送的遙信值，“on”為合位，“off”為分位。

(3)模擬終端收到指令后，根據選定的信息點模擬相應保護、測控等間隔層設備，以MMS報文發送變位信息至數據通信網關機。

(4)數據通信網關機收到變位信息后觸發遙信變位，通過無線通道以104規約上送變位信息至調度主站D5000測試系統。

(5)調度主站D5000測試系統收到報文后解析點號、值以及reference路徑，并通過kafka消息總線發送給調試控制平臺。

result消息數據結構定義如表3所示。

表3 Result消息數據結構定義

其中datalist數據結構定義如表4所示。

表4 Datalist數據結構定義

以開關變位為例，消息數據為：

{

"Results":

[

{

"Type":1,

"HavaData":"true",

"dataList":

[

{"ReferenceId ":" CT2202CTRL/GSGGIO3$ST$SPCSO2$stVal"," Name ":"1011斷路器分合狀態",""Status":64," MeasureIndex ":1, "Value":"1",},

],

"time":"2019-01-01 13:30:00"

},

]

}

(6)調試控制平臺比對發送的指令和收到的消息內容，得到試驗結果，并生成測試報告。

(7)根據測試結果修改有問題的信息點直至全部正確后，將測試系統數據同步至運行系統，完成核對試驗，如圖4所示。

圖4 調試流程圖

4 工程應用

以河北某新建220 kV變電站為例進行系統測試，調度監控點表配置開關位置、保護動作、壓板信息等常用遙信點300個。

4.1 全面測試

在調試控制平臺人工選擇遙信全量測試，設置信息點發送間隔為1 s，在網絡正常的情況下，單個信息點發送15 s后未收到變位報文，判定該點核對失敗。全部完成測試后得到的試驗結果如圖5所示。

圖5 測試結果

由試驗結果可看出，完成600個遙信點測試耗時20 min 9 s 188 ms，600個點中成功576，失敗24個。

查看試驗結果詳細報告如表5所示(由于數量較多，僅列出部分結果)。由試驗詳情可看出，失敗的24個點(對應12個遙信)為各間隔“停用重合閘硬壓板”信號。

表5 試驗結果詳情

4.2 單點測試

根據全面測試的試驗報告，修改錯誤信息配置后，可根據需要重新測試修改后的信息點，如4.1中測試失敗的12個遙信點，可人工挑選進行定點測試，試驗流程與全面測試相同，保證了試驗效率。

4.3 試驗結論

由試驗結果可看出，核對300個遙信點耗時約20 min，通常220 kV智能變電站監控信息點約為2 000～3 000個，每個點發送間隔為1 s，正常情況下單點測試時間為2 s(變位和復歸各一次)，全部信息進行測試時間約2 h～4 h，且僅需1人操作平臺指令，自動生成測試報告。該方法較傳統試驗方式的需要5～6人工作5天的工作效率，最高可提升3000%，同時在經濟效益上最高可節約人員工時、補助等費用80%，從根本上提高了智能變電站監控信息核對的效率，保障了電網設備投產運行的及時性和可靠性。

5 結束語

目前系統已根據河北電力公司實際需求完成搭建，在兩座新建變電站進行實際應用，并在不同廠商變電站監控系統完成測試，驗證了方案的通用性。提供了一種更為高效的調度監控信息核對手段，能夠將新建變電站投運前調試傳動工作時間降低至小時級，為電力生產提供保障。