广域保护系统中通讯设备状态监测

田 伟，刘 更，郑浩野，张海彬，邢智辉，曾兵元

(1.黑龙江省电力有限公司，哈尔滨 150090;2.江苏金智科技股份有限公司，南京 211100)

现代化通讯设备在电力系统中的广泛应用，实现了变电站之间高带宽、低延迟、稳定可靠的数据通讯，近几年智能电网技术的突飞猛进发展，也为实现基于实时采样信息的广域保护带来了机遇[1]。广域保护系统显著特点是能够实现实时采样、就地跳合闸、集中保护决策，而这一切依赖的基础就是各个变电站之间的实时数据通讯。广域保护的数据通道应具有足够的带宽，以保证数据不会丢失;数据的传输延迟要尽可能小，以满足保护动作的时间需求[2]。

目前国内220 kV及以上电压等级重要变电站基本上实现了光纤SDH环网，带宽、延迟和稳定性都大幅提高。带宽多为2.5 Gbps，很多地区已经开始铺设第二套数据通讯网，带宽可达到10 Gbps，码率也大大降低[3]。广域保护系统发生通讯中断的概率比变电站系统大[4];主要是由于广域保护系统设备分散，通讯相关环节多，涉及的技术门类多样，而且都是串行化处理，所以需要监视的对象繁多[5]。通过对数据的连续监测、积累和分析，可以依据设备的特性，对设备的故障做出预判，为设备的维护提供依据，从而减少突发故障，增强系统的可靠运行。

1 总体方案

广域保护系统的通讯主要涉及变电站内通讯、站间通讯(SDH网络)和主控制室内通讯[6]。变电站内通讯主要包括合并单元通讯元件、智能终端通讯元件、工业交换机、站内对时同步装置、站内EOS(Ethernet over SDH)设备;站间通讯主要是指SDH设备，其状态通过SNMP协议从SDH设备上获得;主控室设备包括EOS、交换机、GPS对时主钟、主保护设备。对时状态监测是广域保护通讯状态监测的特点之一，由于影响到同步采样，监视的对时状态主要包括:各个设备的对时精度、各个通讯段的延迟、各个透明通讯设备的驻留时间(包括交换机)、各个通讯元件的频率偏移、对时过程中的错误率和错误分类、各个设备的对时状态(守时、对时)。从系统结构上来讲，广域保护通讯状态监测系统主要由监测主站和监测子站构成，系统的架构如图1所示。

图1 通讯状态监视架构示意图

2 系统设计

2.1 网络传输可靠性

广域保护通讯状态监测系统采用的通道有别于数据通道，采用了专用的2 M通道来传递监测数据[7]，由监测主站和子站通过专用网络接口直接连到SDH网络上。

2.2 通讯监测内容

1)合并单元、智能终端。作为广域保护系统的终端设备，其通讯状态应该被纳入广域保护通讯状态监测系统中，这些终端设备的光纤运行情况是状态监测的重点。光纤收发器及与之相连接的光纤是否正常，直接关系到采样数据的发送以及保护动作的执行。

终端设备和交换机的光纤发送和接收功率可通过电路检测，将相关数据传送到监测子站，监测子站根据拓扑结构进行关联配对，并计算出每一个链路上的光纤发送功率PnTx、接收功率PnRx、功率余度PnMargin等参数。合并单元及智能终端的对时精度依赖于与之向连接的交换机通过IEEE-1588协议计算，交换机可将每一个接口相连接的设备对时精度PnPoffset计算出来后，将数据送给监测子站。

2)交换机。交换机的状态监测主要集中在数据流量PnUti、数据交换延迟PnDelay、端口的误码率PnErr、交换机的端口传输延迟 PnPdelay(对时)、PnPTime交换机的驻留时间(对时)等，以及交换机自身的参数:温度SnTemp、供电电流SnI等与其正常工作相关的数据。在交换机的监测中，数据流量反映的是端口上单位时间内流过的实际数据量。这个流量通常是不会变化的，但在判定某一路模拟量是否正常发送时，具有很好的参考作用。端口误码率(PnErr)是辅助判定某个光纤连接质量的判断依据，通常一个光纤连接异常时，除了接收功率出现变化外，误码率(包括丢包率)都会显著增加。PnPdelay和PnPTime是判断交换机作为透明设备，对网络对时报文处理能力的很好判断，通常，当交换机处理能力下降时，PnPTime会显著增加，从而导致系统对时异常。这是导致系统对时混乱的重要因素。

3)EOS设备。EOS设备将以太网数据转换到SDH网络上，这个转换过程会导致延迟，更为重要的是会导致延迟抖动。这个抖动应该在网络精确对时中扣除，否则会引起网络精确对时精度降低。EOS设备可以外置，也可以和交换机放在一起，但是作为需要处理网络精确对时的广域保护系统，应该集成到交换机中，以便在处理网络精确对时中，将前面提到的对时抖动去除。为了方便从功能上区分，将EOS设备作为一个单独的监测元件。

4)对时同步装置。在系统中将对时同步装置和通讯监测子站合在一个装置里，但功能上是分开的。监测子站同样会采集对时同步装置的状态数据，并且记录在数据库中。对时同步装置监测的主要是对时状态PnPstatus及对时精度。对时状态主要指对时同步装置处于“外部对时”还是“内部守时”状态。对时精度主要是指对时同步装置和控制中心GPS对时主钟的时间偏差，这个偏差是网络精确对时的关键指标，也是衡量系统同步特性的重要指标。

5)SDH网络监视。SDH网络的状态主要通过SDH设备获得，通过SNMP协议，获取相关通道状态，以及通道数据流量、误码率等数据。通道状态主要反映数据传输的通道以及监视数据传输的通道是否发生切换，以及切换路径。这些状态和控制中心与变电站的数据传输延迟突变相对应。SDH通道数据流量是反映通道通讯正常的重要参数。在实际运行中，通过监视SDH数据流量，可以判断通道的通断。SDH通道误码率也是衡量通道质量的一个指标，误码率不仅仅由光缆造成，同时光纤收发器本身以及尾纤都会导致数据丢失。

3 软件实现

广域保护通讯监测系统在软件实现上采用分层处理的方式。在变电站级由监测子站负责数据采集、分类、入库以及对上级通讯。主站负责收集各子站数据，同时将这些数据分类、存储、分析以及上传给SCADA系统。SCADA系统主要负责显示、设置以及高级应用[8]。

监测子站的软件主要包括对下数据采集、实时数据库、对上输出通讯。对下数据采集由各个通讯元件(合并单元、智能终端、交换机等)定时主动上送，或者事件触发上送。数据的匹配归类以设备、连接作为归类依据，对仅和设备相关的状态归类到设备项目中，比如设备健康状态、设备温度、对时精度等;对和连接相关的数据归类到连接项目中，比如光纤连接状态，以及与之相对应的光纤发送功率、接收功率、连接链路的数据流量、误码率等。子站实时数据库用于归类存储这些状态数据，按照IEC61850的数据模型对数据建模，同时根据模型将相应的数据归类到相应的模型中。上通讯主要采用IEC61850通讯协议，这样有利于与各不同厂家的系统互联。IEC61850为变电站自动化系统定义了数据模型、通信服务、工程配置以及一致性测试规范，可以实现不同厂家的设备互操作。目前，IEC61850已经被国内外主要设备供应商所采用。将IEC61850作为站间监测数据的通讯规约，再作必要的扩充，如图2所示。

图2 子站软件模块图

监测主站的软件设计基于数据集中、数据存储两大功能。监测主站配备了大容量磁盘，用于存放历史数据。监测主站内形成两个数据库:实时数据库和历史数据库。从各个子站上传的数据先按照相应的项目(设备或者连接)存储于实时数据库，便于SCADA系统显示，同时这些数据也会存储到监测主站中的历史数据库，历史数据库不仅以项目归档，同时以时间顺序存储这些历史数据。历史数据可以用于查看、分析、归档以及状态预估等。历史数据库对于查看设备的运行趋势、老化趋势以及事故追溯具有很好的作用。主站软件中还包含了对下的IEC61850通讯，以及对上SCADA系统的通讯，如图3所示。

图3 主站软件模块图

由于历史数据和实时数据全部存储在监测主站，SCADA软件作为系统的后台软件完全根据需求实现。简单的应用包括拓扑管理、状态监视、异常告警、历史状态查询等。复杂的高级应用根据系统的扩大显得尤其必要，如数据流量的对比，设备寿命预估等，对于简化维护、减少事故非常有用。

4 数据模型

在设计系统软件时，需要重点考虑监测数据的拓扑关系，数据的拓扑关系依赖于物理网络的拓扑关系，并与之相对应。在监测数据的命名、数据库的存储、后台软件的显示都遵循了这样的数据拓扑关系。这种数据拓扑关系类似于“高速公路”系统，控制中心为“首都”，各个变电站为“中心城市”，站内的设备为“城市”，通过“数据通讯网络”将这些“城市”串起来。而整个系统就是以这些“高速公路”、“城市”作为监测对象，收集、归纳、存储、显示数据，数据拓扑关系示意如图4所示。

图4 拓扑关系图

在设计IEC61850的模型时，依据上述的分类和命名方法，在设备集合中包含多个设备的逻辑节点，每一个逻辑节点有包含自己的数据集;通过这样的分层描述，将整个广域保护系统中涉及通讯的设备详尽地表述出来。同样，将每一个连接也作为一个逻辑节点，在这个逻辑节点中包含的数据集也包含了所有与这个连接相关的监视数据。

5 系统实例

广域保护系统研究是国家电网公司和黑龙江省电力有限公司的重点科技项目，所以，为了保障该项目工作正常进行，在设计和实践的过程中，从整个广域保护系统的可靠性、实用性以及推广的需求出发，又研发了一套广域保护通讯监测系统。实践表明，该系统在广域保护系统设备调试过程中，实现了预计目的，极大地降低了调试工作量，加快了工程进度。同时在整套系统试运行期间，对故障定位、故障排除、设备维护也起到了很大作用。

[1]李碧君，许剑冰.大电网安全稳定综合协调防御的工程应用[J].电力系统自动化，2008，32(6):25-30.

[2]易俊，周孝信.电力系统广域保护与控制综述[J].电网技术，2006，30(8):7-12，30.

[3]赵曼勇，周红阳.基于IEC 61850标准的广域一体化保护方案[J].电力系统自动化，2010，34(6):58-60.

[4]李斌，薄志谦.面向智能电网的保护控制系统[J].电力系统自动化，2009，33(20):7-12.

[5]吕颖，张伯明，吴文传.基于增广状态估计的广域继电保护算法[J].电力系统自动化，2008，32(12):12-16.

[6]丛伟，潘贞存.基于电流差动原理的广域继电保护系统[J].电网技术，2006，30(5):91-95.

[7]IEC 61588.precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems[S].2004.

[8]赵上林，胡敏强.基于IEEE 1588的数字化变电站时钟同步技术研究[J].电网技术，2008，32(21):97-102.