数字化变电站智能设备及网络状态监测系统体系构建

汪 彦 金乃正 章坚民 张 亮

1.南京拓为电力科技发展有限公司；2.绍兴电力局；3。杭州电子科技大学电气工程系；4.吉林大学

引言

数字化变电站中，模拟量通过采样值（SV）报文传输，状态量和跳闸等信息通过通用面向对象变电站时间（GOOSE）报文传输，间隔层的联闭锁也通过GOOSE 方式实现；数字化变电站采用网络通信，各设备间的交互更为频繁、数据之间配合更为严密，因此通信报文的正确性、参数的合法性、时序的合理性等更为重要，因此出现了两类相关的产品。

（1）网络记录仪

该类装置主要实现对变电站网络通信过程的侦听、监视与记录，用于真实记录网络所有可能的信号，能够通过报文回放测试设备的功能、网络的性能，并能复现问题。

（2）网络通信在线故障诊断系统

对网络记录仪在线实时侦听和记录，对网络背景类故障和应用类故障进行实时分析和告警。

本文讨论面向数字化变电站智能设备及网络状态监测系统的体系建立。另外，无论是网络记录仪，还是网络故障分析系统中必须在数字化变电站侧的装置，原则上要符合IEC61850 规范，因此本文在其信息建模和通信建模进行初步分析。

数字化变电站智能设备及网络状态监视系统组成及架构

系统组成

数字化变电站智能设备及网络状态监测系统1；从构成上讲，分为变电站侧智能设备及网络状态监测装置和调度侧的主站系统。

数字化变电站中需要状态监测的智能设备包括MU、智能终端、保护装置、测控装置、数字化电能表、网络交换机等。

从实时监视的角度，拟在主站侧建立基于61850 的实时播发仪，实现与其他系统交互的界面，以及进行数据库存储及历史分析的分析系统。

需要状态监测的变电站智能设备及网络

过程设备：（1）MU；（2）智能终端。

间隔设备：（1）保护装置；（2）测控装置；（3）数字化电能表。

通信设备：（1）网络交换机。

站控设备：（1）RTU；（2）保护信息子站。

以上设备进一步抽象为（1）E-IED；（2）C-IED；（3）A-IED

智能设备及网络状态监测装置

分为侦听记录装置与分析转发装置。

侦听记录装置：

该装置以记录所接入网络的所有报文，并对这些报文进行：

（1）网络正常状态的监测：包括各IED 的语法检测、语义检测。

（2）网络异常状态的监测。

数字化变电站智能设备及网络状态监视的内容及功能设计

国际标准化组织（ISO）定义的开放系统互连参考模型（OSI-RM）在功能上把计算机网络划分成七层，通信只能发生在对等层之间，而各层采用的通信协议是各不相同的，即使是在同一层，不同的功能要求也可能采用不同的通信协议。如目前应用很广的TCP/IP 协议栈（协议族）共分四层，即数据链路层、网络层、传输层和应用层。

本文将其归纳为网络支撑异常及应用异常两种状态；数字化变电站，按其应用报文划分，可虚拟化为MMS网络、GOOSE 网络、SV 网络；首先要进行网络的背景层通信的异常与故障监视，在此基础上，实现对设备通信的应用层故障诊断与排除。

所谓网络背景层的异常与故障监视，是指网络在变电站运行控制中的支撑作用，主要包括链路层、网络背景等的故障；只有在网络背景支撑正常的前提下，才可能有网络的应用正常。

网络背景层的异常情况状态监视

1.MMS 网络背景层异常与故障

对TCP/IP 链路建立与中断、通信超时、网络流量突变等进行监视，如TCP 握手信息、中断时结束信息是否正确；异常中断分析，包括窗口尺寸、确认号等。可以提出相关的指标，并按表1 进行判断。

表1 MMS 网络背景层异常与故障

2.GOOSE 网络异常

在变电站配置文件中，对2 个IED 的GOOSE 传输存在最短传输时间minTime 和稳定传输时间maxTime 的给定值，则

表2 GOOSE 网络背景层异常与故障

3.SV 网络异常

对SV 网络异常，主要根据采样频率计算报文流量，异常时告警。

网络正常情况的智能设备及网络状态监视

（1）MMS 故障

1）通过IP 与智能设备实现关联；

2）主要故障现象：

重点监视现象为：初始化过程中服务、数据属性、选择区域、完整性周期、入口判识、报告使能、总召唤等与变电站配置描述SCD 文件中声明不一致、应用层通信过程不完整、通信中断、报文与标准通信协议不符合。

（2）GOOSE 故障

1）通过MAC 地址与智能设备实现关联；

2）主要故障现象

重点监视现象为：保护动作事件，心跳报文中断、初始化与SCD 文件设置通信组播不一致、记录文件的字节数发生突变等。

（3）判别方法

1）GOOSE 报文与SCD 文件不一致；2、GOOSE 报文的符合性判断，按IEC61850-7-2 的状态号StNum 和序列号SqNum 分为3 种情况，检查是否符合规律。

（4）SV 故障：

1）通过MAC 地址与智能设备实现关联；

2）主要故障现象：

对于采用IEC61850-9-1 协议，重点分析组播地址、APPID、逻辑设备名、采样频率是否与配置文件一致，报文中状态字是否异常、采样计算器是否正确累加等。对于采用IEC61850-9-2 协议，重点分析组播地址、报文头是否与配置文件一致，报文中计数器是否正常、发送时延是否一致等。

从以上分析，可以看出，变电站无论是网络背景故障，还是网络应用故障，数字变电站配置文件SCD 是作为一个主要参考，起到关键作用。因此，SCD 的合格性、完整性至关重要。

侦听记录装置与分析转发装置信息建模和通信建模

从上所述，侦听记录装置提供基本信息给分析转发装置，而分析转发装置与主站进行通信。

IEC 61850 是所有变电站IED 的设计规范，以满足IED 的信息规范化和通信规范化。因此从严格的要求，分析转发装置应该IEC61850 化，即其信息模型和通信模型应遵循IEC61850 要求。

图1 分析转发装置的IEC61850 信息模型和通信模型

分析转发装置的通信建模

IEC 61850 的IED 为服务器设计，具有客户/服务器（C/S）和订阅/发布（B/S）2 种模式；按照表1、表2的设计，可通过远方建立数据集和报告模式，实现预警和告警功能。如图1，其与主站的通信主要通过在分析转发装置的报告模型实现。

分析转发装置的信息建模

为实现分析转发装置的报告模型，以及为实现第2 节的功能，需要在分析转发装置上实现三种报文或三类生数据（RD，RAW DATA）的分析，同时对该三类生数据的解包分析，即获取四类熟数据（CD，COOKED DATA）标准协议符合度检测，并为告警报告提取必须的数据。

必须为6 类报告提供必须的报告模型设计，即其数据集、定值集、报告触发机制等设计。

侦听记录装置的信息建模与通信建模

侦听记录装置，主要实现对网络通信过程的侦听和记录，作为分析转发装置的数据采集前置，因此其信息建模可相对简单，主要以MMS、GOOSE、SV 方式建立，然后通过以太转发到分析转发装置。

与调度侧通信与功能

现行变电站和调度通信方式还是采用IEC 60870-103和IEC 60870-104 方式，但双端必须进行数据项的约定扩展，才能将分析转发装置的告警值上送调度；无法实现主站的自由配置。

将主站前置机作为客户端实现对变电站侧的分析转发装置的配置，可实现对分析转发装置进行包括数据集和报告方式的定义，可实现远方调度侧的自由配置。

调度侧主站功能主要对告警信息进行分类进行详细的分析展现，并且实现统计和报表。

结束语

上述系统的开发与建设有助于实现智能变电站自动化系统通信环节的在线智能诊断，该系统在浙江绍兴电力局投运以来，对提高当前智能变电站运维水平起到了显著作用。