鄭 翔，杜奇?zhèn)?，王海園

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司衢州供電公司，浙江 衢州 324100；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

隨著以IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)為核心的智能變電站的推廣應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置已經(jīng)成為智能變電站的標(biāo)準(zhǔn)配置，用于記錄分析變電站過程層、間隔層和站控層IED（智能電子設(shè)備）間及IED 與站控系統(tǒng)之間的通信過程，以獲取表征變電站網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的參數(shù)，并作為故障錄波裝置獲取電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)[1]。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置也能應(yīng)用在常規(guī)變電站，記錄分析二次設(shè)備通信報(bào)文，分析變電站二次設(shè)備數(shù)據(jù)質(zhì)量問題[2-3]。

電網(wǎng)運(yùn)行模式的變革以及設(shè)備在線分析管控的需要，推動了如何將分布在各變電站的網(wǎng)絡(luò)分析裝置進(jìn)行系統(tǒng)集成的需求。

（1）二次設(shè)備在線監(jiān)測診斷的需要。智能變電站對二次設(shè)備在線監(jiān)測、智能診斷很大程度上依賴于網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析，特別是智能設(shè)備的通信過程[4]，通過集成分布在各變電站的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置，可以為二次設(shè)備在線監(jiān)測與診斷主站提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。

（2）全過程通信故障分析的需要。特別是進(jìn)行數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)通信故障分析時(shí)，可通過對比分析變電站站控層報(bào)文、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)報(bào)文及EMS（能量管理系統(tǒng)）前置報(bào)文準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，為快速故障定位和修復(fù)提供依據(jù)[5]。

（3）電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析的需要。網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置可分別獲取過程層、站控層網(wǎng)絡(luò)的通信報(bào)文和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)上送通信報(bào)文，提取通信特征參數(shù)，解析獲取電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對同一數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行多數(shù)據(jù)源比對，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。

主要有兩種集成策略可實(shí)現(xiàn)分布式部署的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置在控制中心層面的集成。

第一種思路：構(gòu)建變電站設(shè)備在線檢測主站系統(tǒng)，即將所需信息全部集中到主站系統(tǒng)統(tǒng)一分析[6]。這種方式可以滿足部分業(yè)務(wù)需求，由于需要對網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置的所有信息進(jìn)行匯集，對于通信報(bào)文這樣的海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)文歷史記錄，以及數(shù)據(jù)多源比對涉及的全模型數(shù)據(jù)，集中架構(gòu)會顯著增加系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)資源、存儲資源和計(jì)算資源的消耗，成本較高、維護(hù)工作量大。

第二種思路：采用分布式架構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置與控制中心作為一個(gè)整體構(gòu)建分布式架構(gòu)。將分布在各變電站的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，提供滿足業(yè)務(wù)需求的服務(wù)，控制中心實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分布式透明訪問控制及應(yīng)用功能。這種架構(gòu)成本低且易于擴(kuò)展維護(hù)。

本文采用第二種思路，分析了構(gòu)建分布式架構(gòu)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置組網(wǎng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，并基于IEC 61970 CIS 接口規(guī)范，通過合并和擴(kuò)展的方式，設(shè)計(jì)了一套分布式信息服務(wù)接口規(guī)范及信息集成平臺。

1 關(guān)鍵技術(shù)

分布式架構(gòu)組網(wǎng)技術(shù)層次如圖1 所示，主要涉及3 個(gè)方面的系統(tǒng)集成技術(shù)。

圖1 組網(wǎng)技術(shù)層次

（1）通信集成技術(shù)：目標(biāo)是提供統(tǒng)一訪問接口和通信服務(wù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文遠(yuǎn)方調(diào)閱。

（2）模型數(shù)據(jù)集成技術(shù)：目標(biāo)是采用統(tǒng)一的信息建模規(guī)范和數(shù)據(jù)規(guī)范，管理來自多個(gè)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置的數(shù)據(jù)信息。

（3）應(yīng)用集成技術(shù)：目標(biāo)是開發(fā)統(tǒng)一的應(yīng)用訪問入口，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置信息的遠(yuǎn)程瀏覽和業(yè)務(wù)應(yīng)用。

1.1 通信集成技術(shù)

通信集成技術(shù)主要采用統(tǒng)一訪問接口和通信服務(wù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文遠(yuǎn)程調(diào)閱，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。目前主要有IEC 60870-5-104 規(guī)約[7]、IEC 61850 MMS 規(guī)約[8]和IEC 61970 CIS[9]規(guī)范。

采用IEC 60870-5-104 規(guī)約是目前電力系統(tǒng)遠(yuǎn)方通信最成熟通行的方法，因其對非結(jié)構(gòu)化信息處理能力和構(gòu)建分布式系統(tǒng)能力弱，需要大量對點(diǎn)工作，不適合網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置的組網(wǎng)。

采用IEC 61850 MMS 作為遠(yuǎn)方通信規(guī)約，目前有較多的研究和應(yīng)用，如文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]。采用IEC 61850 MMS 作為遠(yuǎn)方通信規(guī)約比較容易適應(yīng)那些采用IEC 61850 通信協(xié)議的變電站側(cè)二次設(shè)備或系統(tǒng)，但需要在主站側(cè)實(shí)現(xiàn)IEC 61850模型與IEC 61970 CIM 模型的融合[12]，并擴(kuò)展IEC 61850 模型以支撐網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)備產(chǎn)生的通信報(bào)文等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的建模。由于智能變電站網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)備本身不具備遠(yuǎn)程組網(wǎng)能力，如果采用IEC 61850，不但需要升級智能變電站網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置，使其支持基于IEC 61850 MMS 協(xié)議，提供網(wǎng)絡(luò)分析服務(wù)，還需要在主站開發(fā)支持IEC 61850 MMS 協(xié)議的應(yīng)用軟件，并實(shí)現(xiàn)與主站其他應(yīng)用功能的集成。

雖然采用IEC 61970 CIS 規(guī)范作為遠(yuǎn)方通信的相關(guān)研究工作較少，但因其適用于在不同應(yīng)用系統(tǒng)和設(shè)備間集成和共享模型數(shù)據(jù)及運(yùn)行數(shù)據(jù)，不但提供GDA（通用數(shù)據(jù)訪問）和HSDA（高速數(shù)據(jù)訪問）等能力，同時(shí)也具備TSDA（時(shí)間序列數(shù)據(jù)訪問）、通用事件和GES（訂閱服務(wù)）等功能，對結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的適應(yīng)性好，實(shí)現(xiàn)相對簡單，因此本文采用基于IEC 61970 CIS 接口來實(shí)現(xiàn)通信集成。

1.2 模型數(shù)據(jù)集成技術(shù)

目前網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置已實(shí)現(xiàn)模型標(biāo)準(zhǔn)化，但如何實(shí)現(xiàn)變電站網(wǎng)絡(luò)通信報(bào)文、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)通信報(bào)文與IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)中定義的IED模 型、IEC 61970 CIM 中 的RemoteUnit 模型關(guān)聯(lián)，是模型數(shù)據(jù)集成的關(guān)鍵。

本文在充分研究變電站網(wǎng)絡(luò)通信IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)體系和能源管理系統(tǒng)IEC 61970 標(biāo)準(zhǔn)體系的基 礎(chǔ)上，采用IEC 61970 CIM 建模方法，以IEC 61970 CIM 為基礎(chǔ)，采用CIM 建模規(guī)范，將IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)定義的IED 模型映射到IEC 61970 CIM模型，通過這種建模方式實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一信息模型建模，來滿足網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置的模型數(shù)據(jù)集成技術(shù)要求。

1.3 應(yīng)用集成技術(shù)

應(yīng)用集成的目標(biāo)是開發(fā)統(tǒng)一的應(yīng)用訪問入口，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置信息的遠(yuǎn)程調(diào)用和基于網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析的業(yè)務(wù)應(yīng)用，這是網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置組網(wǎng)的根本目的。

以業(yè)務(wù)為中心的應(yīng)用集成技術(shù)是基于業(yè)務(wù)流程實(shí)現(xiàn)的，通過建立業(yè)務(wù)流程，整合系統(tǒng)功能，開發(fā)集成應(yīng)用。由于網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置組網(wǎng)的核心目的是為智能變電站二次設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)提供遠(yuǎn)程監(jiān)控和運(yùn)維支持，所涉及的業(yè)務(wù)流程相對比較分散。因此，基于業(yè)務(wù)流程進(jìn)行功能整合不應(yīng)成為網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)備集成的重點(diǎn)，而開發(fā)統(tǒng)一通用的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析工具，利用多源網(wǎng)絡(luò)報(bào)文進(jìn)行綜合分析，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級別的應(yīng)用才是關(guān)鍵。

為此，網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置組網(wǎng)集成技術(shù)研究應(yīng)聚焦在兩個(gè)重點(diǎn)方向，一是研究適合網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置集成應(yīng)用開發(fā)的技術(shù)平臺，二是挖掘包括網(wǎng)絡(luò)通信報(bào)文在內(nèi)的電力二次系統(tǒng)大數(shù)據(jù)價(jià)值[13]，為EMS 和變電站監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)維提供有效支持。IEC 61970 標(biāo)準(zhǔn)體系定義了電網(wǎng)EMS的API（應(yīng)用程序接口），為控制中心各類應(yīng)用提供一個(gè)公共的應(yīng)用集成框架，可以用于網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置組網(wǎng)應(yīng)用集成，作為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用開發(fā)平臺的基礎(chǔ)框架。

2 集成平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置組網(wǎng)集成技術(shù)平臺（以下簡稱“集成平臺”）的邏輯技術(shù)架構(gòu)如圖2 所示，分為終端層、通信集成層、數(shù)據(jù)集成層和應(yīng)用層。其中，終端層為集成的對象，如網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置及其他在線監(jiān)測設(shè)備；通信集成層主要包含接口適配層和傳輸網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)集成層主要包含數(shù)據(jù)總線、平臺管理以及CIM 模型管理等；應(yīng)用層包含網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置集成平臺主要業(yè)務(wù)應(yīng)用，如設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控HMI（人機(jī)交互）、電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析、通信故障診斷等。

圖2 集成平臺邏輯架構(gòu)

與標(biāo)準(zhǔn)的IEC 61970 CIS 規(guī)范定義的集成框架不同的是，本文將數(shù)據(jù)訪問接口延伸到終端層（數(shù)據(jù)提供者），在數(shù)據(jù)集成層僅提供平臺管理和模型管理所需要的數(shù)據(jù)，在集成平臺層取消了傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)庫。在傳統(tǒng)的主站系統(tǒng)中，需要建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，用于集中存儲來自各個(gè)站點(diǎn)的量測數(shù)據(jù)，并為主站系統(tǒng)應(yīng)用提供實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)服務(wù)。而本文提出的分布式架構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置產(chǎn)生的量測數(shù)據(jù)和抓取到的網(wǎng)絡(luò)通信報(bào)文數(shù)據(jù)全部就地存儲，應(yīng)用層只在需要時(shí)遠(yuǎn)程調(diào)看某個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)“分布存儲，按需調(diào)取”的服務(wù)模式，構(gòu)建一種全新的分布式信息集成架構(gòu)。

2.1 統(tǒng)一信息建模和管理

為了支撐這種全分布式集成架構(gòu)，在數(shù)據(jù)集成層面平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一建模和集中管理。一方面為應(yīng)用層提供模式一致的數(shù)據(jù)源，便于開發(fā)統(tǒng)一的API；另一方面為終端層通信集成提供統(tǒng)一的信息交換模型，便于定義一致的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換模型。通過信息模型的標(biāo)準(zhǔn)化和集中管理，為數(shù)據(jù)服務(wù)及訪問接口標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)建了一致的信息交換模型和接口，也為數(shù)據(jù)集成應(yīng)用提供了統(tǒng)一的信息模型。

集成平臺使用IEC 61970 CIM 建模規(guī)范，并借鑒文獻(xiàn)[12]的模型協(xié)調(diào)方法融合IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了如圖3 所示的集成平臺統(tǒng)一信息模型。

圖3 集成平臺統(tǒng)一信息模型

集成平臺統(tǒng)一信息模型與IEC 61970 標(biāo)準(zhǔn)CIM 相比，主要進(jìn)行了以下3 個(gè)方面的處理：

（1）除了將IEC 61850 的IED 模型映射到IEC 61970 CIM 外，還將“Subnetwork”映射到IEC 61970 CIM 中，以表達(dá)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置的主要分析對象之一“變電站通信網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)動通信網(wǎng)絡(luò)”。

（2）更改了IEC 61970 CIM 中定義的類RemoteUnit，使其從IED 類導(dǎo)出，并基于IED 類定義了一個(gè)新類FEPUnit（前置通信單元）。一方面，利用RemoteUnit 類對網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置進(jìn)行建模；另一方面，通過FEPUnit 類覆蓋智能變電站網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置的處理對象，包括智能設(shè)備、遠(yuǎn)動通信裝置和前置通信單元。

（3）基于Measurents 類，擴(kuò)展出非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)類型——Traffic 類（通信報(bào)文），這類數(shù)據(jù)是一類特殊的“量測”，可以與普通的“量測”一樣與IED 關(guān)聯(lián)。

2.2 分布式訪問接口適配和安全控制

以CIM 建模為基礎(chǔ)，采用IEC 61970 CIS 規(guī)范作為集成平臺信息交換接口規(guī)范，并針對集成平臺的業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行了適合全分布式部署的技術(shù)處理。

由于集成平臺業(yè)務(wù)應(yīng)用對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訪問沒有全面集中的需求，而是按需訪問，如在進(jìn)行人機(jī)界面展示時(shí)，需要持續(xù)訪問特定人機(jī)界面關(guān)聯(lián)的量測實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，當(dāng)相關(guān)人機(jī)界面關(guān)閉時(shí)，對這種數(shù)據(jù)的訂閱將自動取消，因此，在分布式接口適配中，針對CIS 規(guī)范定義的HSDA/GES 接口，保留實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的訂閱/發(fā)布機(jī)制，為了提高訂閱的效率和減少對通信帶寬的占用，對相關(guān)的訂閱/發(fā)布接口進(jìn)行合并，形成了適合分布式接口部署的HSDA+和GES+接口。

以GES 訪問接口為例，CIS 規(guī)范GES 接口原接口定義[12]如下：

經(jīng)過合并后，演變成如下所示接口。接口數(shù)據(jù)類型定義比原接口大大簡化，更適合遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

針對歷史數(shù)據(jù)訪問、通信報(bào)文瀏覽訪問等，依照上述同樣的方法，分別進(jìn)行接口合并和擴(kuò)展定義，形成適合分布式部署的CIS 接口適配。

接口分布式部署后，應(yīng)用客戶端可以直接訪問分散部署在各變電站的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置，如果采用IP 認(rèn)證模式的安全控制機(jī)制，系統(tǒng)將無法實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用客戶端訪問不同數(shù)據(jù)的細(xì)分授權(quán)訪問控制要求，而且增加應(yīng)用客戶端，需要對分布式部署的每個(gè)接口服務(wù)進(jìn)行IP 配置授權(quán)，不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。為此，系統(tǒng)集成平臺利用基于角色的授權(quán)訪問機(jī)制，構(gòu)建了CIS 接口級別的安全授權(quán)機(jī)制，如圖4 所示。

圖4 接口級別的安全訪問控制原理

通過接口級別的安全訪問機(jī)制，配合企業(yè)的CA 基礎(chǔ)設(shè)施，可以實(shí)現(xiàn)對各類應(yīng)用細(xì)分的數(shù)據(jù)訪問控制機(jī)制，確保數(shù)據(jù)的私密性以及操作的安全性。

3 結(jié)語

隨著新一代變電站二次系統(tǒng)建設(shè)和電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求，網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析將在變電站二次設(shè)備智能運(yùn)維、通信故障分析診斷、電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析中發(fā)揮越來越重要的作用。本文重點(diǎn)分析了網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置組網(wǎng)應(yīng)用中涉及的分布式架構(gòu)選擇、信息建模和接口設(shè)計(jì)問題，重點(diǎn)解決了如何擴(kuò)展IEC 61970 CIS 接口規(guī)范以滿足數(shù)據(jù)共享和集成應(yīng)用問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了主要的關(guān)鍵技術(shù)。針對目前智能變電站已部署的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置，可通過外掛一個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)，利用與廠商的私有協(xié)議接口獲取原裝置的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)實(shí)現(xiàn)本文提出的CIS 擴(kuò)展接口，從而實(shí)現(xiàn)既有網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置的無縫集成。