何 君 劉明慧 祁 忠

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智能變電站網(wǎng)絡(luò)分析與故障錄波一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何 君 劉明慧 祁 忠

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

通過分析智能變電站網(wǎng)絡(luò)分析裝置和故障錄波裝置發(fā)展現(xiàn)狀，提出了一種適用于網(wǎng)絡(luò)分析和故障錄波應(yīng)用場(chǎng)景的一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由管理單元和采集單元組成，文中闡述了系統(tǒng)信息采集方案和數(shù)據(jù)處理流程，并分別論述了管理單元和采集單元的軟件實(shí)現(xiàn)方案，解釋了管理單元和采集單元總體功能定義和各應(yīng)用模塊組成架構(gòu)。通過實(shí)例對(duì)比分析，指出了一體化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，總結(jié)了設(shè)計(jì)方案的實(shí)用性和有效性。

智能變電站；網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析；故障錄波；一體化設(shè)計(jì)；IEC 61850

智能變電站采用IEC 61850“三層兩網(wǎng)”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，站內(nèi)智能電子設(shè)備之間通過傳輸不同協(xié)議報(bào)文進(jìn)行通信[1]。網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置和故障錄波裝置作為智能變電站二次監(jiān)視重要設(shè)備，二者都需進(jìn)行站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的采集、分析和存儲(chǔ)[2-3]，單獨(dú)配置占用站內(nèi)交換機(jī)資源。對(duì)智能變電站中網(wǎng)絡(luò)記錄分析單元和故障錄波單元進(jìn)行數(shù)據(jù)流分析，簡(jiǎn)化合并同類應(yīng)用，對(duì)提高智能變電站的運(yùn)行可靠性、降低總體造價(jià)、加速智能變電站的普及和推廣有重要作用。

文獻(xiàn)[4-7]對(duì)智能變電站網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置相關(guān)功能和技術(shù)進(jìn)行了概述。文獻(xiàn)[8]分析了智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信異常原因。文獻(xiàn)[9-10]分析了數(shù)字化錄波器與傳統(tǒng)錄波器在設(shè)計(jì)中的異同點(diǎn)。文獻(xiàn)[11-12]設(shè)計(jì)了一種集網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析記錄和故障錄波功能一體的單裝置。文獻(xiàn)[13]提出管理單元和前置采集單元的一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)，系統(tǒng)內(nèi)部使用站控層MMS網(wǎng)絡(luò)通信。文獻(xiàn)[14]提出“分散采集+集中分析”的思想，同樣基于管理單元和采集單元架構(gòu)，采集單元負(fù)責(zé)采集網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，管理單元實(shí)時(shí)分析和記錄。上述文獻(xiàn)基于單裝置的設(shè)計(jì)不能滿足不同規(guī)模數(shù)據(jù)流量和組網(wǎng)方式情況下網(wǎng)絡(luò)報(bào)文數(shù)據(jù)的采集要求。基于采集單元和管理單元的系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采集單元和管理單元功能定位不夠合理，“分散采集+集中分析”對(duì)管理單元實(shí)時(shí)性能要求較高，未充分發(fā)揮采集單元的作用，采集單元和管理單元采用站內(nèi)MMS網(wǎng)絡(luò)通信不適應(yīng)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)于網(wǎng)絡(luò)分析記錄裝置的要求。

本文基于“分散采集分析+集中配置展示”思路，提出一種新的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析和故障錄波一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由多（單）臺(tái)套采集單元和一臺(tái)管理單元組成，采集單元實(shí)現(xiàn)報(bào)文實(shí)時(shí)采集分析和故障錄波功能，管理單元負(fù)責(zé)系統(tǒng)配置及分析結(jié)果的展示。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)分報(bào)文分析與故障錄波一體化系統(tǒng)采其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

為適應(yīng)不同電壓等級(jí)和不同組網(wǎng)方式智能變電站的報(bào)文采集需求，系統(tǒng)基于分散采集分析和集中展示的思路，采集單元完成報(bào)文采集、記錄、分析以及故障錄波功能，管理單元承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析及故障錄波后臺(tái)功能。

采集單元通過高速采集口采集過程層網(wǎng)絡(luò)、站控層網(wǎng)絡(luò)和站內(nèi)調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，廣播報(bào)文或GOOSE、SV等組播報(bào)文直接將交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)范圍內(nèi)的某端口接入采集端口，MMS、104等單播報(bào)文需要在交換機(jī)上做鏡像，然后將鏡像端口接入采集端口。采集單元對(duì)采集報(bào)文進(jìn)行記錄并實(shí)時(shí)分析，將分析結(jié)果上傳給管理單元。管理單元提供系統(tǒng)配置、分析結(jié)果顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢以及報(bào)文和波形的離線分析功能。管理單元和采集單通過網(wǎng)口直連的方式或使用獨(dú)立交換機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。管理單元和采集單元分別提供對(duì)外通信功能，適應(yīng)各地區(qū)主子站通信的要求。

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)功能靈活配置，形成獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析裝置、獨(dú)立故障錄波器以及一體化系統(tǒng)三種產(chǎn)品，適應(yīng)不同地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用需求。

2 信息采集方案

由于過程層和站控層的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文流量巨大，同時(shí)存在大量的冗余與其他協(xié)議報(bào)文，對(duì)采集單元實(shí)時(shí)采集和分析造成很大的壓力，為實(shí)現(xiàn)快速有效的分析與診斷，采集單元需要預(yù)先配置數(shù)據(jù)模型以便對(duì)實(shí)時(shí)報(bào)文進(jìn)行篩選和分析結(jié)果的關(guān)聯(lián)。

通過分析變電站配置（SCD）文件，可獲取IED設(shè)備信息、GOOSE配置、SV配置、數(shù)據(jù)集（dataset）和數(shù)據(jù)項(xiàng)（fcda）信息，同時(shí)建立數(shù)據(jù)之間的層際關(guān)系。MMS、104協(xié)議客戶端和服務(wù)端IP和端口需要根據(jù)站內(nèi)實(shí)際情況人工配置。錄波開關(guān)量通道和模擬通道從解析后的數(shù)據(jù)項(xiàng)中挑選，同時(shí)配置錄波間隔、定值信息。管理單元保留全站數(shù)據(jù)模型，采集單元僅需配置其采集范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)模型，對(duì)不在其分析范圍內(nèi)的報(bào)文數(shù)據(jù)產(chǎn)生未知鏈路告警，基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，管理單元可方便的對(duì)采集單元分析結(jié)果進(jìn)行集中展示。

系統(tǒng)內(nèi)部管理單元和采集單元之間的通信采用輪詢加突發(fā)結(jié)合的方式，對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的突發(fā)告警和交互命令類數(shù)據(jù)使用內(nèi)部協(xié)議進(jìn)行通信，對(duì)實(shí)時(shí)性較低的監(jiān)視類數(shù)據(jù)采用輪詢方式定時(shí)刷新，提高系統(tǒng)響應(yīng)效率，系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖2所示。為防止短時(shí)冗余告警刷屏淹沒重要告警，影響運(yùn)維人員操作，系統(tǒng)采用周期內(nèi)冗余告警達(dá)到閾值次數(shù)閉鎖和統(tǒng)計(jì)上周期內(nèi)閉鎖告警重復(fù)次數(shù)相結(jié)合的策略，在確保記錄網(wǎng)絡(luò)故障的前提下，提高系統(tǒng)的易用性。

圖2 數(shù)據(jù)流圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 管理單元軟件

管理單元主要提供各種可視化分析工具，輔助運(yùn)維人員排查網(wǎng)絡(luò)故障和電力系統(tǒng)故障，包含系統(tǒng)配置、在線監(jiān)視、離線分析、對(duì)外通信4個(gè)主要功能模塊，軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 管理單元軟件架構(gòu)

1）系統(tǒng)配置模塊提供以下功能：解析SCD文件，將SCD文件描述的半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，生成全站采集對(duì)象模型；配置采集單元運(yùn)行參數(shù)，如采集單元運(yùn)行方式，可選網(wǎng)絡(luò)分析儀、故障錄波器和網(wǎng)分故錄一體化運(yùn)行方式；管理單元和采集單元IEC61850建模。

2）在線監(jiān)視模塊實(shí)時(shí)展示各種監(jiān)測(cè)信息，包括網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測(cè)、各協(xié)議報(bào)文監(jiān)視、故障錄波在線監(jiān)測(cè)，報(bào)文監(jiān)視具備實(shí)時(shí)報(bào)文結(jié)構(gòu)展示、SV 9-2實(shí)時(shí)波形和離散度統(tǒng)計(jì)功能，同時(shí)提供管理單元和采集單元運(yùn)行期采集模型校驗(yàn)。

3）離線分析軟件可輸入pcap格式報(bào)文文件和錄波波形文件，進(jìn)行 GOOSE、SV、MMS和104報(bào)文詳細(xì)分析和電力系統(tǒng)故障分析，具備故障波形和報(bào)文文件關(guān)聯(lián)分析功能，通過選取某一時(shí)刻錄波采樣點(diǎn)可快速關(guān)聯(lián)該時(shí)刻的GOOSE、SV報(bào)文。

4）對(duì)外通信模塊負(fù)責(zé)與主站通信，提供IEC61850文件服務(wù)、IEC61850報(bào)告服務(wù)、IEC61850控制服務(wù)。

3.2 采集單元軟件

集單元硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，全密閉無風(fēng)扇，側(cè)壁散熱，雙SATA 接口，支持SSD或HDD，最多4個(gè)硬盤模塊。CPU采用Cavium C6645 10核1.1G帶硬壓縮協(xié)處理器，4G內(nèi)存，最大可配8個(gè)獨(dú)立MAC的100M/1000Mbps采集網(wǎng)口。采集單元軟件平臺(tái)選用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)Linux，采集單元軟件架構(gòu)如圖4所示，由以下功能模塊組成。

圖4 采集單元軟件架構(gòu)

1）數(shù)據(jù)庫模塊存儲(chǔ)采集單元參數(shù)配置、運(yùn)行實(shí)時(shí)分結(jié)果和歷史報(bào)文波形數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)庫采用MySQL Memory引擎實(shí)現(xiàn)內(nèi)存級(jí)讀寫速率。

2）報(bào)文采集模塊負(fù)責(zé)接收各采集端口數(shù)據(jù)包，由CPU自帶時(shí)標(biāo)機(jī)制通過相對(duì)時(shí)間轉(zhuǎn)換為絕對(duì)時(shí)間，時(shí)間戳精度10ns，然后將報(bào)文指針傳給分析模塊進(jìn)行分析，當(dāng)報(bào)文積累到一定大小或超過固定時(shí)間后，通知壓縮存盤模塊進(jìn)行壓縮存盤處理。

3）報(bào)文分析模塊識(shí)別報(bào)文類型調(diào)用各協(xié)議分析子模塊分析報(bào)文內(nèi)容，分析結(jié)果更新實(shí)時(shí)庫，然后調(diào)用壓縮模塊壓縮存儲(chǔ)。

4）錄波模塊訪問GOOSE、SV報(bào)文解析結(jié)果共享內(nèi)存，提取開關(guān)量和模擬量通道信息，實(shí)現(xiàn)錄波實(shí)時(shí)值計(jì)算、故障判據(jù)起動(dòng)錄波、穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)波形文件生成等完整錄波功能。

5）壓縮存盤模塊接收?qǐng)?bào)文采集模塊、報(bào)文分析模塊、錄波模塊數(shù)據(jù)，進(jìn)行原始報(bào)文文件和故障波形文件的壓縮存儲(chǔ)，同時(shí)將文件記錄寫入歷史庫。

6）通信模塊實(shí)現(xiàn)采集單元IEC 61850通信功能。

采集單元功能模塊均采用單進(jìn)程或者多進(jìn)程設(shè)計(jì)，通過指定處理器mask指定模塊使用的內(nèi)核范圍，各模塊占用核數(shù)見表1，可根據(jù)實(shí)際負(fù)載率調(diào)整。

表1 采集單元內(nèi)核分配

4 實(shí)例分析

網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析與故障錄波一體化應(yīng)用以220kV熙悅站為例，過程層采用GOOSE、SV共網(wǎng)方式，考慮站控層數(shù)據(jù)接入和故障錄波需求，方案1）采用網(wǎng)絡(luò)記錄分析和故障錄波分析獨(dú)立配置，方案2）采用本文一體化系統(tǒng)，兩種方案對(duì)比見表2。

表2 獨(dú)立設(shè)計(jì)和一體化設(shè)計(jì)對(duì)比

通過比較可以看出，網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析與故障錄波一體化系統(tǒng)具備巨大優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試報(bào)文實(shí)時(shí)分析處理能力超過600Mbps，正常擾動(dòng)報(bào)文壓縮比可達(dá)7∶1，在預(yù)定流量和硬盤大小情況下，連續(xù)存儲(chǔ)周期超過10天。該系統(tǒng)經(jīng)過設(shè)置運(yùn)行參數(shù)實(shí)現(xiàn)功能模塊投退，已分別在220kV莫合泉站和110kV太平水庫站作為獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析設(shè)備和獨(dú)立故障錄波器投入運(yùn)行。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析和故障錄波一體化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，能夠滿足各種電壓等級(jí)、組網(wǎng)方式以及不同應(yīng)用場(chǎng)景的智能變電站的對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析和故障診斷設(shè)備的實(shí)際需求，具備高效的采集、分析功能，完善的對(duì)外通信功能，可擴(kuò)展性搞，適應(yīng)智能變電站的發(fā)展趨勢(shì)，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。

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Design and implementation of network analysis and fault recording integrated system for smart substation

He Jun Liu Minghui Qi Zhong

(Nanjing NARI-relays Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

The development status of smart substation network analysis device and fault recording device is briefly described, an integrated system design scheme is proposed, which is suitable for network analysis and fault recording application scene. The system structure is composed of management unit and collection unit, the system information collection scheme and data processing procedure are expounded. The software implementation of management unit and collection unit are discussed respectively. The overall function definition of management unit and acquisition unit and the architecture of each application module are explained. Through comparative analysis of examples, the advantages of integrated design are pointed out, and the practicability and effectiveness of the design scheme are summarized.

smart substation; network analysis; fault recording; integrated design; IEC 61850

2018-05-17

何 君（1984-），男，江蘇省如東縣人，研究生，工程師，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化相關(guān)研究工作。