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        數(shù)字化變電站智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系構(gòu)建

        2014-12-31 08:23:00金乃正章堅(jiān)民
        中國(guó)科技信息 2014年21期
        關(guān)鍵詞:變電站智能故障

        汪 彥 金乃正 章堅(jiān)民 張 亮

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

        引言

        數(shù)字化變電站中,模擬量通過(guò)采樣值(SV)報(bào)文傳輸,狀態(tài)量和跳閘等信息通過(guò)通用面向?qū)ο笞冸娬緯r(shí)間(GOOSE)報(bào)文傳輸,間隔層的聯(lián)閉鎖也通過(guò)GOOSE 方式實(shí)現(xiàn);數(shù)字化變電站采用網(wǎng)絡(luò)通信,各設(shè)備間的交互更為頻繁、數(shù)據(jù)之間配合更為嚴(yán)密,因此通信報(bào)文的正確性、參數(shù)的合法性、時(shí)序的合理性等更為重要,因此出現(xiàn)了兩類相關(guān)的產(chǎn)品。

        (1)網(wǎng)絡(luò)記錄儀

        該類裝置主要實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程的偵聽(tīng)、監(jiān)視與記錄,用于真實(shí)記錄網(wǎng)絡(luò)所有可能的信號(hào),能夠通過(guò)報(bào)文回放測(cè)試設(shè)備的功能、網(wǎng)絡(luò)的性能,并能復(fù)現(xiàn)問(wèn)題。

        (2)網(wǎng)絡(luò)通信在線故障診斷系統(tǒng)

        對(duì)網(wǎng)絡(luò)記錄儀在線實(shí)時(shí)偵聽(tīng)和記錄,對(duì)網(wǎng)絡(luò)背景類故障和應(yīng)用類故障進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和告警。

        本文討論面向數(shù)字化變電站智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的體系建立。另外,無(wú)論是網(wǎng)絡(luò)記錄儀,還是網(wǎng)絡(luò)故障分析系統(tǒng)中必須在數(shù)字化變電站側(cè)的裝置,原則上要符合IEC61850 規(guī)范,因此本文在其信息建模和通信建模進(jìn)行初步分析。

        數(shù)字化變電站智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)組成及架構(gòu)

        系統(tǒng)組成

        數(shù)字化變電站智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1;從構(gòu)成上講,分為變電站側(cè)智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置和調(diào)度側(cè)的主站系統(tǒng)。

        數(shù)字化變電站中需要狀態(tài)監(jiān)測(cè)的智能設(shè)備包括MU、智能終端、保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、數(shù)字化電能表、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。

        從實(shí)時(shí)監(jiān)視的角度,擬在主站側(cè)建立基于61850 的實(shí)時(shí)播發(fā)儀,實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)交互的界面,以及進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)及歷史分析的分析系統(tǒng)。

        需要狀態(tài)監(jiān)測(cè)的變電站智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)

        過(guò)程設(shè)備:(1)MU;(2)智能終端。

        間隔設(shè)備:(1)保護(hù)裝置;(2)測(cè)控裝置;(3)數(shù)字化電能表。

        通信設(shè)備:(1)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。

        站控設(shè)備:(1)RTU;(2)保護(hù)信息子站。

        以上設(shè)備進(jìn)一步抽象為(1)E-IED;(2)C-IED;(3)A-IED

        智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置

        分為偵聽(tīng)記錄裝置與分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置。

        偵聽(tīng)記錄裝置:

        該裝置以記錄所接入網(wǎng)絡(luò)的所有報(bào)文,并對(duì)這些報(bào)文進(jìn)行:

        (1)網(wǎng)絡(luò)正常狀態(tài)的監(jiān)測(cè):包括各IED 的語(yǔ)法檢測(cè)、語(yǔ)義檢測(cè)。

        (2)網(wǎng)絡(luò)異常狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

        數(shù)字化變電站智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)視的內(nèi)容及功能設(shè)計(jì)

        國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)定義的開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型(OSI-RM)在功能上把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)劃分成七層,通信只能發(fā)生在對(duì)等層之間,而各層采用的通信協(xié)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(xié)議。如目前應(yīng)用很廣的TCP/IP 協(xié)議棧(協(xié)議族)共分四層,即數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。

        本文將其歸納為網(wǎng)絡(luò)支撐異常及應(yīng)用異常兩種狀態(tài);數(shù)字化變電站,按其應(yīng)用報(bào)文劃分,可虛擬化為MMS網(wǎng)絡(luò)、GOOSE 網(wǎng)絡(luò)、SV 網(wǎng)絡(luò);首先要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的背景層通信的異常與故障監(jiān)視,在此基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備通信的應(yīng)用層故障診斷與排除。

        所謂網(wǎng)絡(luò)背景層的異常與故障監(jiān)視,是指網(wǎng)絡(luò)在變電站運(yùn)行控制中的支撐作用,主要包括鏈路層、網(wǎng)絡(luò)背景等的故障;只有在網(wǎng)絡(luò)背景支撐正常的前提下,才可能有網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用正常。

        網(wǎng)絡(luò)背景層的異常情況狀態(tài)監(jiān)視

        1.MMS 網(wǎng)絡(luò)背景層異常與故障

        對(duì)TCP/IP 鏈路建立與中斷、通信超時(shí)、網(wǎng)絡(luò)流量突變等進(jìn)行監(jiān)視,如TCP 握手信息、中斷時(shí)結(jié)束信息是否正確;異常中斷分析,包括窗口尺寸、確認(rèn)號(hào)等??梢蕴岢鱿嚓P(guān)的指標(biāo),并按表1 進(jìn)行判斷。

        表1 MMS 網(wǎng)絡(luò)背景層異常與故障

        2.GOOSE 網(wǎng)絡(luò)異常

        在變電站配置文件中,對(duì)2 個(gè)IED 的GOOSE 傳輸存在最短傳輸時(shí)間minTime 和穩(wěn)定傳輸時(shí)間maxTime 的給定值,則

        表2 GOOSE 網(wǎng)絡(luò)背景層異常與故障

        3.SV 網(wǎng)絡(luò)異常

        對(duì)SV 網(wǎng)絡(luò)異常,主要根據(jù)采樣頻率計(jì)算報(bào)文流量,異常時(shí)告警。

        網(wǎng)絡(luò)正常情況的智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)視

        (1)MMS 故障

        1)通過(guò)IP 與智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián);

        2)主要故障現(xiàn)象:

        重點(diǎn)監(jiān)視現(xiàn)象為:初始化過(guò)程中服務(wù)、數(shù)據(jù)屬性、選擇區(qū)域、完整性周期、入口判識(shí)、報(bào)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(yīng)用層通信過(guò)程不完整、通信中斷、報(bào)文與標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議不符合。

        (2)GOOSE 故障

        1)通過(guò)MAC 地址與智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián);

        2)主要故障現(xiàn)象

        重點(diǎn)監(jiān)視現(xiàn)象為:保護(hù)動(dòng)作事件,心跳報(bào)文中斷、初始化與SCD 文件設(shè)置通信組播不一致、記錄文件的字節(jié)數(shù)發(fā)生突變等。

        (3)判別方法

        1)GOOSE 報(bào)文與SCD 文件不一致;2、GOOSE 報(bào)文的符合性判斷,按IEC61850-7-2 的狀態(tài)號(hào)StNum 和序列號(hào)SqNum 分為3 種情況,檢查是否符合規(guī)律。

        (4)SV 故障:

        1)通過(guò)MAC 地址與智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián);

        2)主要故障現(xiàn)象:

        對(duì)于采用IEC61850-9-1 協(xié)議,重點(diǎn)分析組播地址、APPID、邏輯設(shè)備名、采樣頻率是否與配置文件一致,報(bào)文中狀態(tài)字是否異常、采樣計(jì)算器是否正確累加等。對(duì)于采用IEC61850-9-2 協(xié)議,重點(diǎn)分析組播地址、報(bào)文頭是否與配置文件一致,報(bào)文中計(jì)數(shù)器是否正常、發(fā)送時(shí)延是否一致等。

        從以上分析,可以看出,變電站無(wú)論是網(wǎng)絡(luò)背景故障,還是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用故障,數(shù)字變電站配置文件SCD 是作為一個(gè)主要參考,起到關(guān)鍵作用。因此,SCD 的合格性、完整性至關(guān)重要。

        偵聽(tīng)記錄裝置與分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置信息建模和通信建模

        從上所述,偵聽(tīng)記錄裝置提供基本信息給分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置,而分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置與主站進(jìn)行通信。

        IEC 61850 是所有變電站IED 的設(shè)計(jì)規(guī)范,以滿足IED 的信息規(guī)范化和通信規(guī)范化。因此從嚴(yán)格的要求,分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置應(yīng)該IEC61850 化,即其信息模型和通信模型應(yīng)遵循IEC61850 要求。

        圖1 分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置的IEC61850 信息模型和通信模型

        分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置的通信建模

        IEC 61850 的IED 為服務(wù)器設(shè)計(jì),具有客戶/服務(wù)器(C/S)和訂閱/發(fā)布(B/S)2 種模式;按照表1、表2的設(shè)計(jì),可通過(guò)遠(yuǎn)方建立數(shù)據(jù)集和報(bào)告模式,實(shí)現(xiàn)預(yù)警和告警功能。如圖1,其與主站的通信主要通過(guò)在分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置的報(bào)告模型實(shí)現(xiàn)。

        分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置的信息建模

        為實(shí)現(xiàn)分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置的報(bào)告模型,以及為實(shí)現(xiàn)第2 節(jié)的功能,需要在分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置上實(shí)現(xiàn)三種報(bào)文或三類生數(shù)據(jù)(RD,RAW DATA)的分析,同時(shí)對(duì)該三類生數(shù)據(jù)的解包分析,即獲取四類熟數(shù)據(jù)(CD,COOKED DATA)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議符合度檢測(cè),并為告警報(bào)告提取必須的數(shù)據(jù)。

        必須為6 類報(bào)告提供必須的報(bào)告模型設(shè)計(jì),即其數(shù)據(jù)集、定值集、報(bào)告觸發(fā)機(jī)制等設(shè)計(jì)。

        偵聽(tīng)記錄裝置的信息建模與通信建模

        偵聽(tīng)記錄裝置,主要實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程的偵聽(tīng)和記錄,作為分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置的數(shù)據(jù)采集前置,因此其信息建??上鄬?duì)簡(jiǎn)單,主要以MMS、GOOSE、SV 方式建立,然后通過(guò)以太轉(zhuǎn)發(fā)到分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置。

        與調(diào)度側(cè)通信與功能

        現(xiàn)行變電站和調(diào)度通信方式還是采用IEC 60870-103和IEC 60870-104 方式,但雙端必須進(jìn)行數(shù)據(jù)項(xiàng)的約定擴(kuò)展,才能將分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置的告警值上送調(diào)度;無(wú)法實(shí)現(xiàn)主站的自由配置。

        將主站前置機(jī)作為客戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站側(cè)的分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置的配置,可實(shí)現(xiàn)對(duì)分析轉(zhuǎn)發(fā)裝置進(jìn)行包括數(shù)據(jù)集和報(bào)告方式的定義,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方調(diào)度側(cè)的自由配置。

        調(diào)度側(cè)主站功能主要對(duì)告警信息進(jìn)行分類進(jìn)行詳細(xì)的分析展現(xiàn),并且實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)和報(bào)表。

        結(jié)束語(yǔ)

        上述系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與建設(shè)有助于實(shí)現(xiàn)智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)通信環(huán)節(jié)的在線智能診斷,該系統(tǒng)在浙江紹興電力局投運(yùn)以來(lái),對(duì)提高當(dāng)前智能變電站運(yùn)維水平起到了顯著作用。

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