袁龍, 安琪,王建樹(shù),高龍,楊立波,馬斌
(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司, 石家莊 050000; 2.國(guó)網(wǎng)邢臺(tái)供電公司, 河北 邢臺(tái) 054001;3.國(guó)網(wǎng)保定供電公司, 河北 保定 071000)
變電站現(xiàn)有運(yùn)行方式為“無(wú)人值班、遠(yuǎn)方集中監(jiān)控”模式。智能變電站站內(nèi)信息點(diǎn)一般達(dá)數(shù)萬(wàn)個(gè)之多,而調(diào)度主站業(yè)務(wù)并不需要其全部(一般每站幾千個(gè)),設(shè)計(jì)人員將選取站內(nèi)的一個(gè)或幾個(gè)信息點(diǎn),作一對(duì)一或多對(duì)一合并后形成主站需監(jiān)控的信息點(diǎn),并用唯一主站信息對(duì)象地址進(jìn)行標(biāo)識(shí),所有的監(jiān)控信息點(diǎn)匯總后形成監(jiān)控信息點(diǎn)表[1-3]。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),需根據(jù)調(diào)度主站給定的信息點(diǎn)表挑選站內(nèi)信息點(diǎn),而后由技術(shù)人員完成數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)信息配置。設(shè)備運(yùn)行中,數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)接收站內(nèi)設(shè)備動(dòng)作信息,并將與點(diǎn)表配置一致的信息點(diǎn)上送調(diào)度主站。因此,數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)表配置是否正確,直接關(guān)系到調(diào)度監(jiān)視和故障分析,是變電站投運(yùn)前必須驗(yàn)證的工作。而現(xiàn)有的核對(duì)驗(yàn)證方式以人工方式為主,這極大地降低了工作效率,探索新的核對(duì)方式成為實(shí)際工程中亟待解決的問(wèn)題。
智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)采用“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu),“三層”結(jié)構(gòu)中過(guò)程層包括合并單元、智能終端等設(shè)備,間隔層包括測(cè)控、保護(hù)等設(shè)備,站控層包括監(jiān)控后臺(tái)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)等設(shè)備,“兩網(wǎng)”指用于連接過(guò)程層和間隔層的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)、連接間隔層和站控層的站控層網(wǎng)絡(luò),站內(nèi)通信采用IEC 61850通信協(xié)議,其中間隔層設(shè)備過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)以GOOSE、SV報(bào)文交互,站控層網(wǎng)絡(luò)以MMS報(bào)文交互[4-6]。
智能變電站以智能變電站配置描述(Substation- Configuration Description,簡(jiǎn)稱SCD)文件描述站內(nèi)所有智能電子設(shè)備(Intelligent Electronic Device,簡(jiǎn)稱IED)的模型、參數(shù)配置及各IED間的信息連接關(guān)系。
變電站設(shè)備信息的上送過(guò)程為:過(guò)程層設(shè)備-過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)-間隔層設(shè)備-站控層網(wǎng)絡(luò)-站控層設(shè)備,由監(jiān)控后臺(tái)實(shí)現(xiàn)變電站站內(nèi)信息監(jiān)控,由數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)經(jīng)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(連接調(diào)度主站和變電站的專用網(wǎng)絡(luò))上送至調(diào)度主站控制系統(tǒng)(D 5000系統(tǒng)),調(diào)度主站下發(fā)控制指令的過(guò)程與此相反。220 kV智能變電站典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 智能變電站典型結(jié)構(gòu)圖
數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)以MMS報(bào)文采集間隔層(測(cè)控、保護(hù))設(shè)備信息報(bào)文,主站以104規(guī)約報(bào)文格式接收網(wǎng)關(guān)機(jī)上傳的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)、遙控和遙調(diào)(“四遙”)四類功能。104規(guī)約報(bào)文以數(shù)字編號(hào)方式來(lái)表達(dá)信息對(duì)象,工程中須檢查數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)發(fā)送的信息編號(hào)與實(shí)際設(shè)備的對(duì)應(yīng)關(guān)系是否與設(shè)計(jì)約定一致,即開(kāi)展遠(yuǎn)動(dòng)信息核對(duì)工作。雖然已有IEC 61850和IEC 61970模型間的對(duì)應(yīng)研究,借以實(shí)現(xiàn)模型信息的源端維護(hù)問(wèn)題,但都未達(dá)到廣泛應(yīng)用程度?,F(xiàn)階段基于104規(guī)約報(bào)文方式的研究和應(yīng)用仍具有現(xiàn)實(shí)意義[7-9]。
以“四遙”中遙信為例,傳統(tǒng)的調(diào)度信息驗(yàn)證方式為:變電站和調(diào)度主站工作人員到位后,變電站工作人員按照調(diào)度下發(fā)的信息點(diǎn)表就地“發(fā)出”一個(gè)信號(hào),調(diào)度主站接收并顯示網(wǎng)關(guān)機(jī)上送的104動(dòng)作報(bào)文,調(diào)度主站和變電站工作人員通過(guò)電話方式,利用信號(hào)在特定時(shí)間內(nèi)“由0到1”(信號(hào)動(dòng)作)或“由1到0”(信號(hào)復(fù)歸)變化,判斷變電站實(shí)際動(dòng)作的信號(hào)與調(diào)度主站接收的信號(hào)是否一致。傳統(tǒng)方式下,數(shù)以千計(jì)的信息點(diǎn)需變電站和主站兩側(cè)人員逐個(gè)人工核對(duì),以確保信息的正確性,這種方式極大降低了人員工作效率,以一座新建220 kV變電站為例,信息點(diǎn)約2 000個(gè),通常需要5~6人工作5天。在實(shí)際工程中,由于停電方式和通信光纜架設(shè)進(jìn)度的影響,調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通道的建立也往往成為制約信息核對(duì)的關(guān)鍵因素。
為解決傳統(tǒng)調(diào)試方式存在的問(wèn)題,提出基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的變電站監(jiān)控信息自動(dòng)調(diào)試方法,實(shí)現(xiàn)變電站信息點(diǎn)自動(dòng)核對(duì),利用無(wú)線技術(shù)打破調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的制約[10-11]。變電站監(jiān)控信息自動(dòng)調(diào)試系統(tǒng)包括調(diào)度主站部分、變電站部分和網(wǎng)絡(luò)部分,系統(tǒng)總體物理架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。如何搭建安全穩(wěn)定的無(wú)線傳輸通道,以及主子站間協(xié)議的建立成為系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。
圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖
在調(diào)度主站搭建調(diào)試控制平臺(tái),主要實(shí)現(xiàn)調(diào)度主站控制系統(tǒng)(D5000)功能模擬、主子站信息下發(fā)和自動(dòng)比對(duì)、模型分析等功能。河北電力調(diào)控中心調(diào)度控制云計(jì)算平臺(tái)位于安全I(xiàn)II區(qū),已完成IaaS層基礎(chǔ)設(shè)施、PaaS層平臺(tái)服務(wù)、SaaS層應(yīng)用功能的建設(shè),實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)的集中維護(hù)和存儲(chǔ)管理,調(diào)度主站系統(tǒng)利用調(diào)控云平臺(tái)資源為基礎(chǔ)搭建。
D5000測(cè)試系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)調(diào)度主站控制系統(tǒng)功能模擬,與現(xiàn)有正式運(yùn)行的生產(chǎn)控制系統(tǒng)(安全I(xiàn)區(qū))具有相同的數(shù)據(jù)采集、模型建立、告警分析等功能,能夠接收變電站上傳的信息并進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
調(diào)試控制平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)變電站信息傳動(dòng)指令下發(fā)、信息核對(duì)等功能,根據(jù)變電站信息點(diǎn)表下發(fā)指令給站端模擬終端,模擬終端根據(jù)指令發(fā)送需要核對(duì)的信息點(diǎn)至數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī),經(jīng)網(wǎng)關(guān)機(jī)上送主站D5000測(cè)試系統(tǒng),最后根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)送的信息判斷信息是否正確,并輸出調(diào)試報(bào)告??刂破脚_(tái)的功能開(kāi)發(fā)、各部分之間的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約為主站部分重點(diǎn)開(kāi)發(fā)內(nèi)容。
數(shù)據(jù)同步功能用于將經(jīng)D5000測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證無(wú)誤的變電站信息同步至正式運(yùn)行的D5000系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)由試驗(yàn)態(tài)至運(yùn)行態(tài)的轉(zhuǎn)變。
智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)主要包括監(jiān)控后臺(tái)、測(cè)控裝置、保護(hù)裝置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通信網(wǎng)關(guān)機(jī)等設(shè)備,采用“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu),以智能變電站配置描述(Substation Configuration Description,簡(jiǎn)稱SCD)文件定義通信網(wǎng)絡(luò)功能參數(shù)和滿足IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備模型,以遠(yuǎn)動(dòng)配置描述(Remote Configuration Description,簡(jiǎn)稱 RCD)文件定義數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)不同通道的網(wǎng)絡(luò)功能參數(shù)和與調(diào)度主站交互的信息[12-13]。
RCD文件命名規(guī)則為:[變電站名]_[通道名]_[序號(hào)].rcd。包括基本信息、版本信息、合并信號(hào)信息、遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)信息、遙信轉(zhuǎn)發(fā)信息、遙控轉(zhuǎn)發(fā)信息及遙調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)信息等內(nèi)容,并滿足每個(gè)遠(yuǎn)動(dòng)通道對(duì)應(yīng)一個(gè)RCD文件、同一變電站的RCD文件引用的SCD文件版本一致、合并計(jì)算參與量及合并計(jì)算生成量信息應(yīng)一致的要求。以遙信為例,RCD文件中信息點(diǎn)格式為:sn yk_no reference des alias type negative timeTag private,各字段含義如表1所示。其中reference為信息點(diǎn)IEC 61850路徑名,能夠唯一標(biāo)識(shí)站內(nèi)信息點(diǎn)。
表1 RCD文件中遙信結(jié)構(gòu)
模擬終端能夠完成SCD、RCD文件解析,可模擬調(diào)度主站接收數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)發(fā)送的信息,也可模擬變電站間隔層設(shè)備發(fā)送信息至數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī),能夠接收調(diào)度主站的控制指令。通信架構(gòu)采用C/S模式,模擬終端為服務(wù)器端,控制端為客戶端,數(shù)據(jù)傳輸采用TCP協(xié)議通信。模擬終端的各項(xiàng)功能和與調(diào)度主站的數(shù)據(jù)接口為重點(diǎn)開(kāi)發(fā)內(nèi)容。
無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全接入服務(wù)主要是實(shí)現(xiàn)調(diào)度主站和變電站設(shè)備通過(guò)無(wú)線方式互聯(lián)互通。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為移動(dòng)終端層、網(wǎng)絡(luò)安全通道層、安全接入設(shè)備層和業(yè)務(wù)系統(tǒng)層,利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商VPDN(Virtual Private Dial Network,虛擬專有撥號(hào)網(wǎng)絡(luò))業(yè)務(wù)搭建安全可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通道[14]。
VPDN業(yè)務(wù)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上開(kāi)通的基于撥號(hào)方式的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。VPDN平臺(tái)采用一條VPDN專線連接調(diào)度主站與變電站的分組網(wǎng)PDSN(Packet Data Serving Node,分組數(shù)據(jù)服務(wù)節(jié)點(diǎn))設(shè)備。VPDN采用專用的網(wǎng)絡(luò)加密通信協(xié)議在公共網(wǎng)絡(luò)上為電力建立安全的虛擬專網(wǎng),變電站可從遠(yuǎn)程經(jīng)由公共網(wǎng)絡(luò)通過(guò)虛擬加密隧道實(shí)現(xiàn)和調(diào)度主站之間的網(wǎng)絡(luò)連接,而公共網(wǎng)絡(luò)上其它用戶則無(wú)法穿過(guò)虛擬隧道訪問(wèn)調(diào)度主站。
如圖3所示,在調(diào)度主站部署兩臺(tái)路由器,一臺(tái)為L(zhǎng)2TP(Layer2 Tunneling Protocol,第二層隧道協(xié)議)路由器,是用于建立調(diào)度主站和變電站之間的通道,中間使用硬件防火墻實(shí)現(xiàn)安全防護(hù);一臺(tái)為4G路由器,用于和變電站設(shè)備對(duì)接。在變電站側(cè)部署一臺(tái)4G路由器,用于和調(diào)度主站設(shè)備對(duì)接。兩臺(tái)4G路由器插入物聯(lián)網(wǎng)卡,利用現(xiàn)有的專線通道和L2TP路由器搭建一條虛擬鏈路,實(shí)現(xiàn)調(diào)度主站和變電站之間的網(wǎng)絡(luò)通信。
圖3 網(wǎng)絡(luò)接入圖
實(shí)現(xiàn)VPDN業(yè)務(wù)的主要步驟為:
(1)身份認(rèn)證。通常使用用戶域名做身份認(rèn)證,企業(yè)需要在運(yùn)營(yíng)商處登記域名和賬號(hào)。用戶撥號(hào)時(shí),輸入企業(yè)的域名后,運(yùn)營(yíng)商的服務(wù)器根據(jù)域名和賬號(hào)確認(rèn)該用戶是否為VPDN用戶。如果是VPDN用戶,則找到企業(yè)的LNS(L2TP Network Server,L2TP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器),建立隧道,并由LNS完成用戶的身份認(rèn)證;
(2)建立L2TP協(xié)議設(shè)置的隧道。在無(wú)線傳輸方面,除了承載4G無(wú)線業(yè)務(wù)的PDSN(Packet Switched Data Network,分組交換數(shù)據(jù)網(wǎng))網(wǎng)絡(luò)本身就是區(qū)別于互聯(lián)網(wǎng)的專網(wǎng)(PDSN專網(wǎng)本身就具備比互聯(lián)網(wǎng)更高的安全級(jí)別),本方案使用的無(wú)線傳輸通道采用“4G+VPDN”技術(shù),進(jìn)一步加強(qiáng)了整個(gè)無(wú)線傳輸通道在傳輸鏈路層面上的安全性。
一旦在PDSN專網(wǎng)上建立L2TP隧道,整個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸通道實(shí)現(xiàn)了在數(shù)據(jù)鏈路層面的安全隔離,所有的數(shù)據(jù)都是在該隧道內(nèi)進(jìn)行傳輸,大大地提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院捅C苄訹15]。
變電站數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)和調(diào)度主站D5000系統(tǒng)均完成信息數(shù)據(jù)庫(kù)配置[16],變電站模擬終端導(dǎo)入SCD文件后,變電站與調(diào)度主站調(diào)試方案為:
(1)首先登錄路由器,檢查無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)正常。
輸入display interface Eth-channel1/0: 0,檢查無(wú)線路由器鏈路接口狀態(tài)。
輸入display ip interface查看路由器撥號(hào)狀態(tài)。
輸入display L2TP seesion查看建立的L2TP會(huì)話狀態(tài)。
(2)網(wǎng)絡(luò)通信正常后,由調(diào)試控制平臺(tái)通過(guò)無(wú)線通道發(fā)送需要核對(duì)的遙測(cè)、遙信等變位指令給站端模擬終端,需要核對(duì)的信息可人工選擇全部或其中一部分。下發(fā)指令數(shù)據(jù)包格式如表2所示。
表2 指令數(shù)據(jù)包格式
應(yīng)用數(shù)據(jù)playload報(bào)文格式如下:
{
“type”:10,
“cells”:[
{
“ref”:” CT2202CTRL/GSGGIO2$ST$SPCSO1$st Val”,
“pos”:”on”
}
]
}
其中,type為數(shù)據(jù)類型,“10”為遙信,“20”為遙測(cè)。cells里每個(gè)對(duì)象數(shù)組元素表示一個(gè)遙信觸發(fā)點(diǎn),可以包含一個(gè)或者多個(gè)遙信點(diǎn)。ref為信息點(diǎn)reference路徑。pos為發(fā)送的遙信值,“on”為合位,“off”為分位。
(3)模擬終端收到指令后,根據(jù)選定的信息點(diǎn)模擬相應(yīng)保護(hù)、測(cè)控等間隔層設(shè)備,以MMS報(bào)文發(fā)送變位信息至數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)。
(4)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)收到變位信息后觸發(fā)遙信變位,通過(guò)無(wú)線通道以104規(guī)約上送變位信息至調(diào)度主站D5000測(cè)試系統(tǒng)。
(5)調(diào)度主站D5000測(cè)試系統(tǒng)收到報(bào)文后解析點(diǎn)號(hào)、值以及reference路徑,并通過(guò)kafka消息總線發(fā)送給調(diào)試控制平臺(tái)。
result消息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如表3所示。
表3 Result消息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義
其中datalist數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如表4所示。
表4 Datalist數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義
以開(kāi)關(guān)變位為例,消息數(shù)據(jù)為:
{
"Results":
[
{
"Type":1,
"HavaData":"true",
"dataList":
[
{"ReferenceId ":" CT2202CTRL/GSGGIO3$ST$SPCSO2$stVal"," Name ":"1011斷路器分合狀態(tài)",""Status":64," MeasureIndex ":1, "Value":"1",},
],
"time":"2019-01-01 13:30:00"
},
]
}
(6)調(diào)試控制平臺(tái)比對(duì)發(fā)送的指令和收到的消息內(nèi)容,得到試驗(yàn)結(jié)果,并生成測(cè)試報(bào)告。
(7)根據(jù)測(cè)試結(jié)果修改有問(wèn)題的信息點(diǎn)直至全部正確后,將測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步至運(yùn)行系統(tǒng),完成核對(duì)試驗(yàn),如圖4所示。
圖4 調(diào)試流程圖
以河北某新建220 kV變電站為例進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試,調(diào)度監(jiān)控點(diǎn)表配置開(kāi)關(guān)位置、保護(hù)動(dòng)作、壓板信息等常用遙信點(diǎn)300個(gè)。
在調(diào)試控制平臺(tái)人工選擇遙信全量測(cè)試,設(shè)置信息點(diǎn)發(fā)送間隔為1 s,在網(wǎng)絡(luò)正常的情況下,單個(gè)信息點(diǎn)發(fā)送15 s后未收到變位報(bào)文,判定該點(diǎn)核對(duì)失敗。全部完成測(cè)試后得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
圖5 測(cè)試結(jié)果
由試驗(yàn)結(jié)果可看出,完成600個(gè)遙信點(diǎn)測(cè)試耗時(shí)20 min 9 s 188 ms,600個(gè)點(diǎn)中成功576,失敗24個(gè)。
查看試驗(yàn)結(jié)果詳細(xì)報(bào)告如表5所示(由于數(shù)量較多,僅列出部分結(jié)果)。由試驗(yàn)詳情可看出,失敗的24個(gè)點(diǎn)(對(duì)應(yīng)12個(gè)遙信)為各間隔“停用重合閘硬壓板”信號(hào)。
表5 試驗(yàn)結(jié)果詳情
根據(jù)全面測(cè)試的試驗(yàn)報(bào)告,修改錯(cuò)誤信息配置后,可根據(jù)需要重新測(cè)試修改后的信息點(diǎn),如4.1中測(cè)試失敗的12個(gè)遙信點(diǎn),可人工挑選進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)試,試驗(yàn)流程與全面測(cè)試相同,保證了試驗(yàn)效率。
由試驗(yàn)結(jié)果可看出,核對(duì)300個(gè)遙信點(diǎn)耗時(shí)約20 min,通常220 kV智能變電站監(jiān)控信息點(diǎn)約為2 000~3 000個(gè),每個(gè)點(diǎn)發(fā)送間隔為1 s,正常情況下單點(diǎn)測(cè)試時(shí)間為2 s(變位和復(fù)歸各一次),全部信息進(jìn)行測(cè)試時(shí)間約2 h~4 h,且僅需1人操作平臺(tái)指令,自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告。該方法較傳統(tǒng)試驗(yàn)方式的需要5~6人工作5天的工作效率,最高可提升3000%,同時(shí)在經(jīng)濟(jì)效益上最高可節(jié)約人員工時(shí)、補(bǔ)助等費(fèi)用80%,從根本上提高了智能變電站監(jiān)控信息核對(duì)的效率,保障了電網(wǎng)設(shè)備投產(chǎn)運(yùn)行的及時(shí)性和可靠性。
目前系統(tǒng)已根據(jù)河北電力公司實(shí)際需求完成搭建,在兩座新建變電站進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用,并在不同廠商變電站監(jiān)控系統(tǒng)完成測(cè)試,驗(yàn)證了方案的通用性。提供了一種更為高效的調(diào)度監(jiān)控信息核對(duì)手段,能夠?qū)⑿陆ㄗ冸娬就哆\(yùn)前調(diào)試傳動(dòng)工作時(shí)間降低至小時(shí)級(jí),為電力生產(chǎn)提供保障。