王國海 宋源淵

摘要：近年來，智能變電站建設(shè)實現(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、管理不透明的問題，文章提出一種可自動配置的通信設(shè)備，利用該設(shè)備能夠自動規(guī)劃通信信道，提供可靠的業(yè)務(wù)流管理。并通過實驗測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行靈活性和管理可靠性。

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

中圖分類號：TM63;TM76 ? 文獻標(biāo)識碼：A ? 文章編號：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?，但卻游離于整個自動化系統(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化系統(tǒng)內(nèi)。針對這種情況，本文提出對基于變電站配置描述（Substation Configuration Description，SCD）文件自動化配置通信設(shè)備在智能變電站中的應(yīng)用進行研究，遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，為智能變電站的通信系統(tǒng)提供良好的時間同步性能、自動化應(yīng)用感知和智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）建模等功能，構(gòu)建實時、互動、開放、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轉(zhuǎn)發(fā)方式，其中存儲轉(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，傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機通過存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式實現(xiàn)信息的交互。但由于交換機采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸機制，從理論上來說存在傳輸延時的不確定性，同時考慮到交換機在電力工業(yè)環(huán)境下的可靠性問題，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)暴所帶來的危害，但在一些特定情況下依然會導(dǎo)致廣播風(fēng)暴的出現(xiàn)，給智能變電站帶來安全隱患。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)交換機采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式，通過廣播洪泛建立數(shù)據(jù)通信路徑，業(yè)務(wù)傳輸過程未知且不可控。

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

3）管理維護復(fù)雜。需要進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)故障將會影響全端口。

2 自動配置應(yīng)用基礎(chǔ)

SCD文件是符合變電站配置語言 （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)、信號聯(lián)系信息等，因此該文件對于智能變電站業(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)，無論是GOOSE業(yè)務(wù)還是SMV業(yè)務(wù)，其應(yīng)用標(biāo)識（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IED設(shè)備之間的通信屬性，并將業(yè)務(wù)的APPID和設(shè)備進行關(guān)聯(lián)。當(dāng)IED設(shè)備與具有自動化配置的通信設(shè)備通信時，通信設(shè)備通過檢測包頭中APPID信息即可感知IED設(shè)備的通信狀態(tài)，并通過SCD文件中該業(yè)務(wù)的通信路徑邏輯，自動為該信息分配合適的轉(zhuǎn)發(fā)策略，并將該信息通過相應(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通信節(jié)點的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)流向，特別是IEC61850—2009對變電站通信設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)有了更詳細的擴充，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。通過解析SCD文件（見圖1），分析出智能變電站中各個間隔IED設(shè)備信息，通過IED設(shè)備通信能力描述，提取出變電站通信網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓撲和對應(yīng)關(guān)系，以服務(wù)的方式監(jiān)聽變電站全站智能設(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文件中對應(yīng)的通信線路對應(yīng)關(guān)系，自動為該智能設(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)先級保障。

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

通過分析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。具有自動化配置能力的通信設(shè)備通過專用管理軟件對SCD文件進行解析，形成業(yè)務(wù)和端口的通信映射表，通過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)進行通信時候，CPU將進行查表對比，自動分配業(yè)務(wù)通信路徑。通信路徑自動生成如圖2所示。

通過對SCD文件進行解析，可以得到業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系表，可以預(yù)知每個IED設(shè)備的發(fā)送/接收報文的通信流量、網(wǎng)絡(luò)中報文的種類和每種報文的流量、報文之間的優(yōu)先級關(guān)系、每種報文的正常流量以及突發(fā)流量和異常流量等重要信息。通過應(yīng)用異常報文及流量的識別與控制技術(shù)，發(fā)現(xiàn)異常時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)備故障不會影響其他回路，同樣也可通過對特定虛擬回路網(wǎng)絡(luò)通信狀況的監(jiān)測快速定位故障設(shè)備。最后，研究繼電保護網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用方式下的報文傳輸延時、鏈路質(zhì)量、流量異常、同步狀態(tài)等的監(jiān)測及告警技術(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運行狀況的可視化監(jiān)控。

3.2業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)表的生成。具有自動化配置能力的通信設(shè)備通過SCD文件解析到業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系表后，以服務(wù)的方式檢測通過設(shè)備的業(yè)務(wù)，當(dāng)檢測到發(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)備將重新檢測發(fā)布的業(yè)務(wù)和訂閱設(shè)備的信息，當(dāng)再次檢測到發(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)用測試

4.1測試內(nèi)容。

1）交換機SCD文件解析正確性測試。進行交換機SCD文件解析正確性測試，交換機可正確解析SCD文件，并按IED提取虛端子連線。

2）報文轉(zhuǎn)發(fā)路徑正確性測試。報文轉(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報文1002和1003，因線路測控裝置實際未接入，故沒有收到101B，說明報文按照SCD規(guī)定的路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。

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

5 結(jié)語

針對繼電保護網(wǎng)絡(luò)信息配置存在的問題，本文基于SCD文件自動化配置通信設(shè)備，既考慮到了保護對信息交互的實時性、可靠性嚴格要求，同時兼顧虛擬二次回路的智能化特征，實現(xiàn)虛擬連線自動配置和虛擬回路在線監(jiān)測，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局面，促進了保護二次系統(tǒng)向二次智能運維的轉(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)的運行靈活性、供電可靠性，能夠為我國智能變電站網(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。

參考文獻：

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