黃 昕，楊 寧，孟 楠，任雁銘，唐 喜，高 銳

基于DL/T860協(xié)議的通信模擬裝置在智能變電站檢修和擴(kuò)建中的應(yīng)用

黃 昕1，楊 寧2，孟 楠2，任雁銘1，唐 喜1，高 銳1

(1.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192)

智能變電站內(nèi)二次工作的一大難題是站控層及以下通信系統(tǒng)的維護(hù)，包括MMS、GOOSE、SV等DL/T860通信部分。由于維護(hù)人員專業(yè)技能提高的滯后性，通信技術(shù)的快速推廣帶來了一些維護(hù)上的困難，通信系統(tǒng)維護(hù)工作中“牽一發(fā)而動全身”成為普遍現(xiàn)象。為克服實(shí)際工作中不敢檢修的現(xiàn)狀，提出了通信模擬裝置的方案，在保證不出現(xiàn)通信中斷的條件下，維護(hù)人員可實(shí)現(xiàn)檢修設(shè)備和運(yùn)行設(shè)備的物理隔離，大大提高了檢修工作的安全性。在變電站擴(kuò)建時(shí)，被擴(kuò)建間隔的通信調(diào)試需要和變電站運(yùn)行部分配合，通信模擬裝置的使用可大幅減少調(diào)試過程中對運(yùn)行部分的影響，減輕了維護(hù)人員的工作壓力。

智能變電站；檢修；擴(kuò)建；隔離；通信模擬裝置；DL/T860

0 引言

隨著DL/T860標(biāo)準(zhǔn)的快速普及，國內(nèi)智能變電站已投運(yùn)近千座，密如蛛網(wǎng)的銅質(zhì)二次信號電纜被光纖取代，變電站二次回路的物理結(jié)構(gòu)得到了一定的簡化。在技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，變電站二次檢修和維護(hù)的難題暴露出來。智能變電站內(nèi)二次物理回路得到簡化，但虛擬二次回路的復(fù)雜性沒有降低。由于虛擬二次回路的不可見性和陌生性，智能變電站的二次檢修和維護(hù)工作變得更加困難，實(shí)際工作中往往是不敢檢修二次通信部分[1-3]。

以母線保護(hù)的模擬量回路為例，常規(guī)保護(hù)檢修時(shí)可以采用退出硬壓板、封電流回路的方式保證安全[4]，維護(hù)人員可控制檢修風(fēng)險(xiǎn)。在智能化條件下，模擬量通過光纖傳輸，簡單的斷開光纖會造成母線保護(hù)通信中斷，通信中斷后的風(fēng)險(xiǎn)控制全部由設(shè)備實(shí)現(xiàn)，檢修人員無法直觀的控制。采用軟壓板隔離檢修設(shè)備和運(yùn)行設(shè)備時(shí)，檢修設(shè)備仍然對運(yùn)行設(shè)備有影響，例如大流量檢修報(bào)文的沖擊會影響運(yùn)行設(shè)備的報(bào)文吞吐能力。

在檢修工作中，物理隔離的方式最為直觀和可靠[5]，為避免物理隔離時(shí)產(chǎn)生的通信中斷，可使用通信模擬裝置替代被檢修的設(shè)備，從而保證運(yùn)行設(shè)備正常運(yùn)行。通信模擬裝置是現(xiàn)有軟壓板檢修方式的一個(gè)補(bǔ)充，解決了檢修時(shí)的物理隔離問題。

同樣的問題還出現(xiàn)在了變電站的擴(kuò)建工作中。擴(kuò)建間隔中新的虛擬二次回路需要和運(yùn)行部分聯(lián)合調(diào)試，擴(kuò)建工作對運(yùn)行變電站的影響難以避免。在實(shí)際工作中，用戶往往采取沿用同一廠家設(shè)備的方式來降低風(fēng)險(xiǎn)，但仍然面臨設(shè)備停產(chǎn)等現(xiàn)實(shí)問題。為減小擴(kuò)建工作帶來的影響，可使用通信模擬裝置替代真實(shí)的變電站運(yùn)行環(huán)境，從而減輕擴(kuò)建工作對變電站運(yùn)行部分的影響，充分發(fā)揮出DL/T860協(xié)議的互操作性。

1 通信模擬裝置

通信模擬裝置的實(shí)現(xiàn)主要依賴于DL/T860協(xié)議的互操作性和以太網(wǎng)二層 VLAN協(xié)議。在全站的SCD配置文件中，包含了通信雙方的全部配置信息，理論上只要解析了SCD文件，就可以模擬出站內(nèi)任意一臺裝置的通信報(bào)文[6]。二次設(shè)備廠家的MMS、GOOSE、SV功能軟件一般都是通用模塊，在解析了不同的模型文件后，可實(shí)現(xiàn)不同的設(shè)備功能，例如線路保護(hù)和變壓器保護(hù)的GOOSE插件軟件版本是一樣的，通過下載不同的CID配置文件，可分別實(shí)現(xiàn)線路保護(hù) GOOSE接口和變壓器保護(hù)GOOSE接口。將這些通用軟件模塊集成在通信模擬裝置中，即可完全模擬實(shí)際運(yùn)行的二次設(shè)備。在硬件資源足夠強(qiáng)大的條件下，通過解析SCD文件可以同時(shí)模擬出全站的通信行為，這為從物理上實(shí)現(xiàn)裝置級或系統(tǒng)級的“取代”創(chuàng)造了條件[7]。

通信模擬裝置不僅需要模擬出實(shí)際運(yùn)行的報(bào)文，還需要按照變電站通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對通信報(bào)文進(jìn)行組合，使報(bào)文按照實(shí)際運(yùn)行情況分布在不同的端口中。VLAN協(xié)議是MAC層的交換協(xié)議，對于一個(gè)N端口的交換機(jī)，可以通過N×N的交換矩陣實(shí)現(xiàn)報(bào)文在端口上的任意分布。由于采用了靜態(tài)硬件交換的方式，VLAN協(xié)議具有延時(shí)固定、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定的特點(diǎn)，十分適合于傳輸GOOSE、SV等實(shí)時(shí)性要求高的報(bào)文[8]。使用了支持VLAN協(xié)議的交換機(jī)后，可以很好地解決不同變電站通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)差異大的問題。如圖1所示，不同性質(zhì)的報(bào)文在通信模擬裝置各端口可任意組合，真實(shí)模擬變電站交換機(jī)端口上的報(bào)文。

圖1 通信模擬裝置報(bào)文映射示意圖Fig. 1 Frame mapping of communication simulator

通信模擬裝置的主要功能是模擬智能變電站裝置的通信行為，從檢修邊界上的以太網(wǎng)端口看過去，通信模擬裝置的行為和被模擬的設(shè)備完全一致，以線路間隔檢修說明通信模擬裝置的功能。

如圖2所示，運(yùn)行部分和檢修部分存在網(wǎng)絡(luò)通信關(guān)系。線路間隔檢修時(shí)，如果使用通信模擬裝置替代線路間隔設(shè)備，通信模擬裝置需要實(shí)現(xiàn) MMS服務(wù)器功能、GOOSE收發(fā)功能、SV發(fā)布功能，從而完全模擬間隔內(nèi)的線路保護(hù)、合并單元、智能終端，和運(yùn)行部分設(shè)備通信；如果使用通信模擬裝置替代變電站運(yùn)行部分設(shè)備，通信模擬裝置需要實(shí)現(xiàn)MMS客戶端、GOOSE收發(fā)功能、SV訂閱功能，從而替代變電站運(yùn)行部分，和被檢修的線路間隔進(jìn)行模擬通信。

圖2 線路間隔檢修邊界示意圖Fig. 2 Maintenance margin of line bay

通信模擬裝置在模擬 MMS服務(wù)器時(shí)，由于MMS定時(shí)上送和總召的周期都比較長，被模擬的裝置數(shù)量僅受限于通信模擬裝置的內(nèi)存容量；工程中GOOSE通信中斷的判斷延時(shí)一般為5~20 s，通信模擬裝置在GOOSE模擬時(shí)容量基本不受CPU處理能力限制。在模擬SV報(bào)文時(shí)，由于沒有實(shí)際的采樣保持和AD轉(zhuǎn)換過程，SV報(bào)文的等間隔精度優(yōu)于實(shí)際的合并單元，SV報(bào)文模擬的數(shù)量受到FPGA容量的限制，一般不超過5個(gè)合并單元，這對于大多數(shù)間隔已完全夠用。

2 檢修方案

常規(guī)變電站檢修時(shí)的安全措施一般采用斷開電纜回路的方式，例如斷開操作電源、斷開出口壓板等，這種方法具有安全可靠的優(yōu)點(diǎn)[9]。智能變電站中采用軟壓板和檢修壓板的方式實(shí)現(xiàn)安全隔離，依靠裝置中的軟件功能保證安全[10]。常規(guī)站和智能站安全隔離方式對比見圖3。

圖3 常規(guī)站和智能站檢修方式示意圖Fig. 3 Different maintenance between common substation and smart substation

在使用軟壓板方式實(shí)現(xiàn)檢修的安全隔離時(shí)，被檢設(shè)備和運(yùn)行設(shè)備仍然有通信交互關(guān)系，在檢修中出現(xiàn)異常工況時(shí)，被檢設(shè)備會對運(yùn)行設(shè)備造成一定的沖擊。例如智能終端檢修時(shí)，如果出現(xiàn)斷路器跳躍的情況，智能終端將集中發(fā)送大量GOOSE變位報(bào)文，對運(yùn)行設(shè)備造成影響。又例如更換間隔交換機(jī)時(shí)，如果形成了以太網(wǎng)邏輯環(huán)路并觸發(fā)廣播風(fēng)暴，檢修間隔內(nèi)的組播報(bào)文將以很大的流量沖擊運(yùn)行設(shè)備。由于無法安全可靠的設(shè)定檢修邊界，現(xiàn)有智能變電站一般采取整站檢修或不檢修方式，這給供電安全帶來了隱患。

為降低被檢設(shè)備和運(yùn)行設(shè)備的相互影響，可采用斷開物理回路或鏈路的方式設(shè)定檢修邊界。為減小斷開物理回路或鏈路對運(yùn)行設(shè)備的影響，在檢修中使用了通信模擬裝置。通信模擬裝置具備多種類型的通信接口，可以模擬單個(gè)間隔內(nèi)的全部通信行為。通過讀取間隔內(nèi)設(shè)備的CID文件，通信模擬裝置可以準(zhǔn)確模擬單個(gè)間隔裝置的通信行為。通信模擬裝置的功能和配置見圖4。

圖4 檢修條件下通信模擬裝置功能和配置示意圖Fig. 4 Configuration of communication simulator under testing

以圖5 220 kV智能變電站線路間隔停電檢修為例說明這種檢修方式，線路間隔中母線刀閘外的一次部分均屬于檢修范圍，檢修時(shí)需要停運(yùn)的二次設(shè)備包括線路保護(hù)裝置、線路合并單元、線路智能終端。

圖5 一次設(shè)備檢修范圍示意圖Fig. 5 Primary testing scope

典型的220 kV智能變電站線路保護(hù)裝置、線路間隔交換機(jī)布置一面屏，母線保護(hù)、中央交換機(jī)布置一面屏，線路合并單元、線路智能終端就地安裝在戶外柜內(nèi)。線路保護(hù)采用“直采直跳”方式和線路合并單元、線路智能終端配合，保護(hù)間信息通過網(wǎng)絡(luò)方式傳輸，其通信結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 220 kV線路間隔網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig. 6 Topology of 220 kV line bay

在線路間隔停電檢修條件下，檢修設(shè)備包括線路保護(hù)裝置、線路間隔交換機(jī)、線路合并單元、線路智能終端，母線保護(hù)仍然處于運(yùn)行狀態(tài)。在母線保護(hù)上退出線路電流，并將刀閘固定在強(qiáng)制狀態(tài)。在線路交換機(jī)上拔出和中央交換機(jī)連接的光纖，并插入到通信模擬裝置A上，在戶外柜拔出和母線保護(hù)連接的SV、GOOSE光纖，并插入到通信模擬裝置B上。通信模擬裝置A、B中已下載了線路間隔的CID文件，可和母線保護(hù)裝置直接通信。通信模擬裝置A可模擬線路保護(hù)裝置收發(fā)GOOSE報(bào)文，為運(yùn)行中的母線保護(hù)裝置提供狀態(tài)信息，維持通信鏈路有效，避免母線保護(hù)裝置出現(xiàn)通信中斷告警；通信模擬裝置B可模擬線路間隔的合并單元和智能終端收發(fā)GOOSE、SV報(bào)文，過程層的開關(guān)量、模擬量信號可在檢修前按照運(yùn)行要求設(shè)置，例如斷路器設(shè)置為分閘狀態(tài)，間隔電流設(shè)置為零，通信模擬裝置B將設(shè)置好的狀態(tài)發(fā)送給母線保護(hù)裝置，保證母線保護(hù)裝置可正常運(yùn)行。由于母線保護(hù)退出了線路間隔的電流，并把刀閘設(shè)置在強(qiáng)制狀態(tài)，線路間隔的通信中斷告警在檢修條件下不應(yīng)影響其他間隔的母線保護(hù)功能。通信模擬裝置A、B實(shí)際是從物理上取代了線路間隔的全部設(shè)備，接入后也屬于運(yùn)行設(shè)備，應(yīng)按照運(yùn)行設(shè)備要求管理。接入通信模擬裝置后以太網(wǎng)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 接入通信模擬裝置后以太網(wǎng)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig. 7 Topology of communication after linking simulator devices

通信模擬裝置的配置文件在變電站投運(yùn)時(shí)已完成校核，在檢修時(shí)無需再次重新配置，直接下載已驗(yàn)證的配置即可。為保證通信模擬裝置完全模擬線路間隔內(nèi)的報(bào)文，在接入通信模擬裝置前，可使用報(bào)文分析儀獲得線路間隔的運(yùn)行報(bào)文和通信模擬裝置的模擬報(bào)文，并作格式對比確認(rèn)兩者一致。使用了通信模擬裝置后，檢修設(shè)備和運(yùn)行設(shè)備物理上完全隔離，安全性較軟壓板方式更好。

如果在檢修過程中對間隔內(nèi)的裝置進(jìn)行了升級或更換，可通過對比通信模擬裝置和檢修后設(shè)備發(fā)出報(bào)文的方式確認(rèn)升級或更換成功，而無需通過對比配置文本文件的方式檢查新配置的合法性。對比配置文本文件的方式僅適用于同廠家設(shè)備的更換，且依賴于更換后的設(shè)備軟件的正確性；對比報(bào)文的方式可直接檢查配置后的結(jié)果，更加直接和可靠，適用于不同廠家、不同型號設(shè)備的升級或更換。

3 擴(kuò)建方案

與變電站的檢修工作相比，在擴(kuò)建時(shí)，主要的困難不僅包含安全隔離措施，還包含已運(yùn)行設(shè)備和未投運(yùn)設(shè)備的聯(lián)合調(diào)試。在擴(kuò)建調(diào)試時(shí)，安全隔離措施可參考檢修工作的方案，但已運(yùn)行設(shè)備的配置修改需要專門的方法和流程。例如擴(kuò)建一個(gè)線路間隔時(shí)，擴(kuò)建線路間隔的信號需要和已運(yùn)行的母線保護(hù)聯(lián)合調(diào)試，直接在運(yùn)行設(shè)備內(nèi)下載新配置并調(diào)試十分危險(xiǎn)，容易影響其他間隔的保護(hù)功能。擴(kuò)建中的通信配置工作見圖8。

圖8 擴(kuò)建線路間隔的配置工作Fig. 8 Communication configuration in line bay expansion

為減少操作已運(yùn)行設(shè)備的次數(shù)，可使用通信模擬裝置替代運(yùn)行設(shè)備和新間隔設(shè)備調(diào)試，通信模擬裝置下載了站內(nèi)SCD配置文件，可模擬站內(nèi)通信環(huán)境，為新間隔的調(diào)試提供一個(gè)仿真環(huán)境。和模擬單個(gè)間隔通信不同的是，此時(shí)下載到裝置內(nèi)部的是全站的SCD文件，而不是單個(gè)間隔的CID文件，新擴(kuò)建間隔的配置也包含在下載的SCD文件中。擴(kuò)建條件下通信模擬裝置功能和配置見圖9。

在通信模擬裝置上可頻繁修改 SCD配置文件而不對運(yùn)行設(shè)備造成影響。在擴(kuò)建多個(gè)間隔時(shí)，這種使用通信模擬裝置替代運(yùn)行設(shè)備的方式可顯著降低操作運(yùn)行設(shè)備的次數(shù)。

圖9 擴(kuò)建條件下通信模擬裝置功能和配置示意圖Fig. 9 Configuration of communication simulator under expansion

以 220 kV智能變電站擴(kuò)建線路間隔為例說明這種擴(kuò)建方式。按照典型的 220 kV智能變電站設(shè)計(jì)，需要擴(kuò)建的設(shè)備包括一面線路保護(hù)屏柜和一面就地安裝的線路戶外柜，線路保護(hù)屏柜中包含線路保護(hù)、線路間隔交換機(jī)，線路戶外柜包含合并單元、智能終端。

完成線路保護(hù)柜、線路戶外柜的光纖施工后，可在運(yùn)行的母線保護(hù)柜處將擴(kuò)建間隔的光纖接入通信模擬裝置。為實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行設(shè)備的通信，需要修改全站SCD配置文件，新生成的過程層工程文件可下載到通信模擬裝置中，通信模擬裝置將按照新的SCD配置文件模擬母線保護(hù)等裝置收發(fā)報(bào)文，和擴(kuò)建間隔的線路保護(hù)裝置、合并單元、智能終端通信。例如通信模擬裝置可發(fā)送母線保護(hù)跳閘報(bào)文，配合線路智能終端調(diào)試。從線路間隔向變電站看過去，通信模擬裝置扮演的是擴(kuò)建條件下整個(gè)變電站的角色，通信模擬裝置從物理上取代了變電站的已投運(yùn)部分。通信模擬裝置此時(shí)屬于檢修設(shè)備，按照檢修要求管理即可。在過程層工程文件格式統(tǒng)一后，通信模擬裝置將具備一定的通用性，使用一臺通信模擬裝置可對多廠家的設(shè)備進(jìn)行模擬調(diào)試。接入通信模擬裝置后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 接入通信模擬裝置后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig. 10 Structure after linking communication simulator devices

擴(kuò)建間隔在調(diào)試時(shí)主要和通信模擬裝置配合，調(diào)試期間修改配置或工程文件均無需操作運(yùn)行的母線保護(hù)，這大大降低了調(diào)試時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)。在完成通信調(diào)試后，將通信模擬設(shè)備中的工程文件下載到運(yùn)行的母線保護(hù)中，母線保護(hù)即可按照調(diào)試完畢的配置進(jìn)行通信。通過對比報(bào)文的方式可確認(rèn)母線保護(hù)發(fā)布配置無誤，為檢測母線保護(hù)訂閱報(bào)文的配置無誤，需要對運(yùn)行的各間隔輪流檢修測試，這部分工作是擴(kuò)建時(shí)對變電站運(yùn)行的主要影響。

與傳統(tǒng)母線保護(hù)擴(kuò)建工作相比，智能變電站在擴(kuò)建時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)主要是由改變運(yùn)行裝置配置引入的。在現(xiàn)階段可通過增量配置的方式減小更新配置的風(fēng)險(xiǎn)，即將擴(kuò)建相關(guān)的設(shè)備模型配置到一個(gè)新的二期工程SCD中，二期工程SCD模型文件導(dǎo)出的過程層工程文件屬于增量部分。對于新擴(kuò)建的間隔內(nèi)裝置，例如線路保護(hù)，增量部分工程文件包含了運(yùn)行所需的全部配置；對于母線保護(hù)，增量部分工程文件僅包含和擴(kuò)建間隔的配合關(guān)系。為減小操作風(fēng)險(xiǎn)，母線保護(hù)裝置可在下載增量配置的同時(shí)保持原有配置，新舊配置可同時(shí)運(yùn)行在母線保護(hù)內(nèi)部，從而降低對已投運(yùn)間隔的影響。

增量配置方式雖然可以最大程度上減小對運(yùn)行間隔的影響，但其增加了管理的復(fù)雜程度，裝置的配置文件由一個(gè)變成了多個(gè)。對比傳統(tǒng)母線保護(hù)應(yīng)對擴(kuò)建的方法可以看出，在變電站新建階段就應(yīng)將擴(kuò)建問題考慮進(jìn)去。傳統(tǒng)母線保護(hù)裝置對外的電纜接口含義明確且具有通用性，在變電站新建時(shí)就預(yù)留了足夠的電纜接口，在智能變電站中也可采用這種思路。智能變電站在新建時(shí)就完成備用擴(kuò)建間隔的通信配置和測試工作，這需要統(tǒng)一過程層裝置對外模型接口作為技術(shù)支撐。在過程層對外模型接口統(tǒng)一后，可在新建變電站時(shí)完成全站終期的通信配置，甚至可在變電站的設(shè)計(jì)階段完成過程層信息流的規(guī)劃，從而推動過程層裝置向“即插即用”方向發(fā)展。為避免備用訂閱端口出現(xiàn)通信中斷告警，可通過間隔投退壓板屏蔽備用訂閱端口通信告警邏輯。

4 結(jié)論

智能變電站的維護(hù)工作不僅要解決新建站的問題，還要解決存量站的問題。在充分發(fā)揮DL/T860互操作性優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，配合使用靈活、可靠的VLAN交換技術(shù)，通信模擬裝置可以實(shí)現(xiàn)裝置級和系統(tǒng)級的物理取代?，F(xiàn)有檢修手段采用軟件方式實(shí)現(xiàn)安全隔離，安全性較差。使用了通信模擬裝置后，可實(shí)現(xiàn)檢修設(shè)備的物理隔離。在變電站擴(kuò)建工作中，使用通信模擬裝置可以減少操作運(yùn)行裝置的次數(shù)，但對于跨間隔的設(shè)備仍然有一定的影響。采用增量配置的方式可以降低跨間隔設(shè)備在擴(kuò)建中的配置風(fēng)險(xiǎn)。

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(編輯 葛艷娜)

Application of communication simulator based on DL/T860 in smart substation maintenance and expansion

HUANG Xin1, YANG Ning2, MENG Nan2, REN Yanming1, TANG Xi1, GAO Rui1
(1. Beijing Sifang Automation Co., Ltd., Beijing 100085, China; 2.China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

The communication maintenance in smart substation is a tough task when performing secondary work related to MMS, GOOSE and SV frames based on DL/T860. The technical capability of the utilities cannot develop as fast as the manufacturer. Some maintenance difficulties came out in newly-built smart substation. The maintenance work in one bay may affect the function of the whole substation. In some area, the risk of maintenance is not under control of the utilities. Communication simulator is mentioned for the safety of secondary testing work. Running part and testing part of substation is separated physically. No communication error warning will appear due to the use of communication simulator. The risk of secondary maintenance is reduced. In the expansion of the substation, the new bay under construction will communicate with the running part, the use of communication simulator will reduce the effect of the new bay to the substation. The working pressure of the utilities drops dramatically.

smart substation; testing; expansion; separation; communication simulator; DL/T860

2016-05-27；

2016-08-29

黃 昕(1979-)，男，碩士，高級工程師，主要從事電力一次設(shè)備智能化及在線監(jiān)測方面的研究工作；E-mail: huangxin@sf-auto.com

楊 寧(1983-)，男，碩士，工程師，主要從事電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷方面的研究工作；E-mail: yangning@ epri.sgcc.com.cn

孟 楠(1985-)，男，本科，工程師，主要從事電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷方面的研究工作，E-mail: mengnan@ epri.sgcc.com.cn

10.7667/PSPC161151